黔張常鐵路駝馬店隧道突涌水系統(tǒng)辨識

羅文藝

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043; 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著我國鐵路開發(fā)戰(zhàn)略的縱深推進，大量在建或規(guī)劃的鐵路隧道[1-3]不可避免地穿越巖溶山區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外隧道日涌水量超過1萬m3的大型涌突水事件中，70%都發(fā)生在巖溶隧道中。渝懷鐵路圓梁山隧道[4-5]灰?guī)r段施工發(fā)生嚴重涌水突泥事故，突水量達6 900 m3/h，總突泥量高達2 070 m3；宜萬鐵路馬鹿箐隧道[6-7]施工發(fā)生特大突水災(zāi)害，最大涌水量達30萬m3/h，野三關(guān)隧道[8-9]發(fā)生大型突水、突泥事故，最大涌水量達30萬m3/h，涌泥及塊石量約5.35萬m3。由于巖溶發(fā)育的特殊性、復(fù)雜性，巖溶隧道施工極易發(fā)生突涌水災(zāi)害，給隧道施工帶來極大影響。通過對隧道突涌水類型及突涌水系統(tǒng)辨識[10-11]方法和技術(shù)等研究，對駝馬店隧道DK48+918涌水點進行了突涌水的系統(tǒng)辨識，其成果為該涌水點施工措施的防治提供了重要的水文地質(zhì)依據(jù)，對類似巖溶山區(qū)隧道勘察設(shè)計及施工突涌水災(zāi)害的防治也具有重要的參考意義。

1 地質(zhì)概況

駝馬店隧道為黔張常鐵路重要隧道工程，位于湖北恩施州咸豐縣土落坪村，屬亞熱帶潮濕濕潤型氣候，年平均降雨量1 500 mm，年最大降雨量2 251.3 mm。隧道地處鄂西南構(gòu)造侵蝕、溶蝕中低山區(qū)，受溶蝕、侵蝕、剝蝕構(gòu)造影響，巖溶地貌形態(tài)復(fù)雜多變。隧址區(qū)地面高程800～900 m，山體呈孤峰狀，坡頂基巖大面積裸露，多呈溶牙狀。隧道出口外側(cè)為土樂坪大型溶蝕洼地，屬典型溶丘洼地地貌。洞身出露地層巖性為寒武系中統(tǒng)光竹嶺組、茅口組灰?guī)r，地下水類型主要為巖溶裂隙水。隧道區(qū)隸屬華夏和新華夏構(gòu)造體系，大地構(gòu)造單元屬揚子地臺，二級構(gòu)造單元屬鄂黔臺褶帶，咸豐斜歪背斜東南翼，整個隧道為單斜地層，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，大地構(gòu)造單元分區(qū)詳見圖1。

圖1 黔張常鐵路大地構(gòu)造單元分區(qū)

2 巖溶隧道突涌水類型

根據(jù)隧道突涌水形式、涌水量、壓力大小及涌水特征，將巖溶隧道涌水類型分為滲(滴)水型，高、低壓涌水型和高、低壓突水型5種類型，見表1。從表1可以看出，巖溶隧道突涌水與隧址區(qū)巖溶發(fā)育情況，隧道與巖溶地下水系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。

3 巖溶隧道突涌水辨識方法

3.1 巖溶發(fā)育情況辨識及方法

根據(jù)勘察設(shè)計階段的不同分為宏觀和微觀兩個識別尺度。宏觀尺度主要通過遙感、多光譜、高光譜技術(shù)識別巖溶地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巨型溶蝕裂隙、暗河及管道流等。查明隧道巖溶發(fā)育情況及程度、巖溶地下水系統(tǒng)空間格局、隔水層與含水層的總體分布特征，區(qū)域地下水的補、徑、排規(guī)律等。微觀尺度主要為1∶1萬或更大比例尺的區(qū)域巖溶水文地質(zhì)調(diào)查，包括地質(zhì)及地貌測量法等。

3.2 巖溶水系統(tǒng)特征辨識及方法

巖溶水系統(tǒng)[13-16]特征的識別包括巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(單支狀、樹枝狀等)、含水介質(zhì)類型及組成(溶蝕裂隙、巖溶管道及各自比重)、巖溶水系統(tǒng)邊界的確定、巖溶管道及與隧道的空間分布關(guān)系、水文地質(zhì)參數(shù)的確定等。系統(tǒng)識別遵循室內(nèi)分析與野外調(diào)查、地下探測與地表調(diào)查、定性分析與定量評價相結(jié)合。充分利用遙感、水文地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探、試驗及水文監(jiān)測等手段，盡量獲取巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征、降雨-流量等關(guān)鍵信息，辨識的主要方法如下。

表1 巖溶隧道涌水類型

(1)地下水示蹤試驗

在區(qū)域巖溶水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對巖溶地下水系統(tǒng)補、徑、排特征開展地下水示蹤試驗[17-18]，查明巖溶管道的空間分布、涌水來源、巖溶水系統(tǒng)邊界等。通過地下水示蹤試驗所揭示的水文地質(zhì)信息，研究巖溶管道發(fā)育規(guī)律、地下廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征等，進而分析隧道與巖溶管道的空間關(guān)系。

(2)地球物理、鉆孔探測

通過音頻大地電磁法[19-20]和高密度電法等地球物理探測手段，初步查明隧址區(qū)垂向巖溶發(fā)育情況及巖溶水動力分帶特征等，對物探揭示異常區(qū)，布設(shè)驗證性鉆孔查明巖溶發(fā)育情況、溶腔充填情況、圍巖含水介質(zhì)類型等。

(3)高分辨率水文監(jiān)測

根據(jù)區(qū)域地形地貌、巖溶地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，建立降雨量站，巖溶地下水出露點(暗河、巖溶泉)流量、深孔水位監(jiān)測點，獲得隧址區(qū)降雨量、洞身水壓力，地下水出露點流量等長序列、高分辨率水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。通過對不同期降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，研究降雨動態(tài)過程特征，分析不同降雨強度、不同雨型下巖溶水系統(tǒng)對降雨的反饋過程。根據(jù)降雨-流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制巖溶地下水水文過程曲線，研究巖溶水系統(tǒng)對降雨的響應(yīng)規(guī)律、滯后及延遲效應(yīng)等。根據(jù)巖溶水系統(tǒng)流量滯后降雨的時間，確定各子系統(tǒng)地下水流速，定性分析子系統(tǒng)到出口之間的巖溶發(fā)育程度。根據(jù)巖溶水系統(tǒng)流量衰減曲線，分析含水介質(zhì)的退水規(guī)律，識別含水介質(zhì)類型及組成等。

4 駝馬店隧道突涌水系統(tǒng)辨識

4.1 涌水情況簡介

駝馬店隧道位于恩施咸豐縣土落坪溶蝕洼地西側(cè)，隧道全長1 014 m，洞身屬溶丘洼地地貌，為單面坡傍山隧道。DK48+918段下臺階右側(cè)施工加深炮孔時，有水從炮孔中冒出。2016年5～7月，強降雨后，DK48+918隧底附近發(fā)生多處涌水，涌水點冒水高度達50～65 cm，淹沒填充面5～60 cm。實測洞口出水量為3.7萬m3/d，涌水給隧道施工造成了重大影響，洞內(nèi)及隧道出口涌水情況見圖2。

圖2 DK48+918洞內(nèi)外涌水情況

4.2 系統(tǒng)辨識方法和技術(shù)4.2.1 物探、鉆探

為查明該涌水點隧底巖溶發(fā)育情況，采用地質(zhì)雷達對DK48+896～DK48+944段進行掃底探測，物探揭示DK48+900～DK48+944段深度0～20 m節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。根據(jù)開挖揭示及地質(zhì)雷達探測異常，于DK48+915～DK48+939段布置43個豎向探孔。鉆探揭示DK48+915～DK48+924段(高程804.5 m)以下2～7 m溶腔、溶隙發(fā)育，溶隙最大寬約0.2 m，溶腔最大寬約2.5 m，DK48+924～DK48+939段隧底無異常。同時，在DK48+918斷面布置2孔15 m取芯鉆驗證溶腔充填情況，揭示溶腔無充填。為進一步探明溶腔范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)外空腔發(fā)育情況，在DK48+915、DK48+918、DK48+921斷面處布置了12個徑向探孔，探孔揭示結(jié)構(gòu)外5 m巖體較完整，未揭示巖溶發(fā)育。DK48+918涌水點鉆孔平面位置及橫斷面特征見圖3。

圖3 DK48+918涌水點平面、橫斷面

4.2.2 地下水示蹤試驗

出現(xiàn)涌水后，對隧道進行了補充水文地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)洞身北側(cè)及東北側(cè)分布有較多串珠狀漏斗和小型溶蝕洼地。洼地及漏斗消水口附近分布有樹枝、樹葉和稻谷殼等，同時發(fā)現(xiàn)有少量青蛙出沒。根據(jù)施工揭示及涌水點的長期監(jiān)測資料揭示，洞內(nèi)雨季涌水出現(xiàn)有樹葉、稻谷殼及青蛙等。樹葉、稻谷殼和青蛙為天然的示蹤劑，有力證明涌水點的補給來源于洞身東北側(cè)溶蝕洼地和漏斗地表匯水。

4.2.3 高分辨率水文監(jiān)測

黔張常鐵路將水文監(jiān)測技術(shù)作為一道工序納入到超前地質(zhì)預(yù)報中，2015年在距離隧址區(qū)5 km的青崗堡水庫建立了降雨量動態(tài)監(jiān)測站。選取2016年6月21日、6月22日、6月24日3次典型涌水進行降雨-流量相關(guān)分析，其降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 2016年6月21～24日降雨柱狀圖

圖4顯示6月21日：降雨從凌晨5時一直持續(xù)到上午10時，集中降雨持續(xù)達5 h，最大降雨量出現(xiàn)在上午7時，達21.6 mm，累計日降雨量55.3 mm，達暴雨級別。涌水從上午7時開始逐漸增大，8時20分達到最大，實測瞬時涌水量6 000 m3/h。涌水點水深達50 cm，涌水點至洞口填充面水深為5～50 cm，集中涌水持續(xù)時間約4 h。6月22日：凌晨4，5時突降小雨，22時降雨量達51.4 mm，集中降雨2 h，累計日降雨量70 mm，達暴雨級別。涌水從上午10時開始多處冒水，24時涌水量達到峰值，實測瞬時涌水量達8 000 m3/h。涌水點水深達60 cm，涌水點至洞口填充面水深為20～60 cm，集中涌水持續(xù)時間約5 h。6月24日：降雨從14時一直持續(xù)到23時，18時降雨量驟然增加，集中降雨持續(xù)約10 h，最大降雨量出現(xiàn)于19時，降雨量達15.5 mm，日累計降雨量61.6 mm，達暴雨級別。涌水從19時30分開始水量逐漸增大，21時15分涌水量達到最大，實測瞬時涌水量10 000 m3/h。涌水點水深達65 cm，涌水點至洞口填充面水深為35～60 cm，涌水持續(xù)時間約10 h。

2016年6月27日開始對該涌水點進行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測涌水量如圖5所示。根據(jù)豐水季涌水量監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示洞內(nèi)出現(xiàn)峰值涌水一般滯后降雨約2 h，實測最大涌水量為37 325 m3/d，平時若連續(xù)晴天，洞內(nèi)涌水量較小。

圖5 DK48+918涌水量曲線

4.3 巖溶發(fā)育系統(tǒng)辨識

隧道北側(cè)及東北側(cè)地表為巖溶斜坡槽谷及溶丘洼地，小型洼地及漏斗分布較多，示蹤試驗揭示洞身東北側(cè)洼地和漏斗與隧道涌水點相通。6～7月為強降雨季節(jié)，大氣降雨由地表溶蝕洼地、漏斗呈面狀入滲及灌入式補給隧址區(qū)地下水，洼地和漏斗匯水為隧道涌水的主要來源。涌水點位于寒武系中統(tǒng)茅口組及光竹嶺組灰?guī)r巖性接觸帶附近，接觸帶巖層產(chǎn)狀為N20°E/23°S，巖性接觸帶及NE向巖層產(chǎn)狀有利于地下水的存儲和運移，為管道流的形成創(chuàng)造了良好的溶蝕通道。大氣降雨沿溶隙及管道徑流，排泄于隧址區(qū)清水河，隧道施工揭露了該管道流的頂蓋，因強降雨導(dǎo)致原有管路排水不暢淤塞引發(fā)突涌水。涌水點流量隨季節(jié)動態(tài)變化大，來水快，消水也快。

鉆探、物探等巖溶水系統(tǒng)辨識技術(shù)揭示DK48+915.5～DK48+920.5段開挖面下2.0～5.0 m為溶腔主通道，水流由線路左側(cè)向右側(cè)徑流。從選取的3次典型涌水分析得出最大涌水滯后集中降雨約2 h，涌水點冒水高度最大高于填充面65 cm。根據(jù)流量與降雨的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合區(qū)域多年最大日降雨量P5%(230 mm)，該涌水點預(yù)測最大涌水量達5萬m3/d，瞬時涌水量可達10 000 m3/h。

5 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)隧道涌水量、壓力大小及涌水特征將巖溶隧道突涌水分為滲(滴)水型，高、低涌水型和高、低突水型5種。其中高壓突、涌水對隧道施工安全影響最大，勘察設(shè)計及施工階段應(yīng)對該類型突涌水進行系統(tǒng)、科學辨識。

(2)通過對隧道涌水形式、涌水量、壓力大小等涌水特征進行綜合分析，巖溶隧道突涌水與隧址區(qū)巖溶發(fā)育情況、巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)?？刹捎煤暧^和微觀兩個尺度識別巖溶發(fā)育情況，水文地質(zhì)調(diào)查、地球物理、鉆孔探測、地下水示蹤試驗、高分辨率水文監(jiān)測等方法和技術(shù)能有效對巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征進行系統(tǒng)辨識。

(3)通過3次典型降雨-流量相關(guān)性分析，監(jiān)測降雨量達小時毫米精度，直觀準確地揭示了不同降雨量、降雨強度與出水量的響應(yīng)規(guī)律、滯后和延遲效應(yīng)等，為管道型巖溶突涌水施工處理措施的制定及應(yīng)急搶險提供了精細的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。

(4)突涌水的系統(tǒng)辨識是一種宏觀、半定量的評估方法。采用物探、鉆探、地下水示蹤試驗及高分辨率水文監(jiān)測等技術(shù)對駝馬店隧道DK48+918突涌水進行了系統(tǒng)辨識，查明了涌水來源、隧道與巖溶管道系統(tǒng)的空間關(guān)系，結(jié)合高分辨率水文監(jiān)測數(shù)據(jù)對涌水量進行了預(yù)測計算，系統(tǒng)辨識結(jié)論為該涌水點最終采用泄水洞疏導(dǎo)為主的方案提供了重要的水文地質(zhì)依據(jù)。