安六鐵路六枝向斜隧道涌水分析及整治方案研究

周關(guān)學(xué) 馮 濤 曾 誠(chéng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 研究背景

隧道涌水是隧道施工過程中，圍巖含水層的地下水在水頭壓力和其他壓力的綜合作用下，克服隔水層、斷層以及裂隙等阻力，以突然方式從隧道洞室周邊涌入坑道內(nèi)的工程地質(zhì)現(xiàn)象，是巖溶地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害[1]。巖溶隧道的涌水與地下巖溶管道和巖溶水發(fā)育程度密切相關(guān)，還突出表現(xiàn)為受地質(zhì)構(gòu)造和地貌的控制，如位于褶曲軸部的碳酸鹽巖，巖溶發(fā)育強(qiáng)度更甚于翼部，而褶曲翼部，不論向斜、背斜，如存在排泄基準(zhǔn)面，則接近排泄基準(zhǔn)面的部位，往往富有較為豐富的巖溶水[2]。地質(zhì)勘察中要充分分析水文地質(zhì)條件，采用多種方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道涌水量。線路選線應(yīng)避開巖溶水富集地帶，盡量拔高線路標(biāo)高，隧道縱坡采用人字坡。

2 工程概況

2.1 工程概況

安六鐵路東接滬昆客運(yùn)專線安順西站，向西經(jīng)六盤水市的六枝特區(qū)，于六盤水樞紐水城站接軌，后利用既有滬昆鐵路至六盤水站，運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度124.65 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h，是六盤水市至貴陽(yáng)市的快速通道。其中巖腳至六枝南段約14.068 km，穿越六枝向斜，設(shè)置主要工程有巖腳隧道(2 407 m)、對(duì)門寨隧道(1 756 m)、大用隧道(2 160 m)、地宗隧道(3 045 m)、蘇家寨大橋(395 m)、上波帕大橋(468 m)下波帕大橋(442 m)，上波帕大橋(395 m)、下玉黑大橋(764 m)、龍?zhí)洞髽?503 m)等，橋隧總長(zhǎng) 13 125 m，橋隧比93.30%，隧道最大埋深約135 m，橋梁最大墩高44 m。

2.2 工程地質(zhì)特征

2.2.1地層巖性

本段線路主要穿過三疊系(T)和二疊系(P)地層，六枝向斜軸部主要為法郎組(T2f)、關(guān)嶺組(T2g)地層，兩翼主要為永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、夜郎組(T1y)、大冶組(T1d)、大隆組(P2d)、長(zhǎng)興組(P2c)、龍?zhí)督M(P2l)、峨眉山玄武巖組(P2β)等地層。地表覆蓋第四系全新統(tǒng)(Q4)黏土層。其巖性特征如表1所示。

表1 線路通過主要地層巖性特征表

2.2.2地質(zhì)構(gòu)造

大地構(gòu)造屬于揚(yáng)子地臺(tái)之滇黔鄂臺(tái)褶皺帶，處于南丹-紫云-水城斷裂帶上，呈NW-SE向延伸，位于一系列NW和NE向緊密全形褶皺和平行褶軸壓性沖斷層組成的“山”字型構(gòu)造。六枝向斜北翼巖層產(chǎn)狀N85°W/32°SE，南翼巖層產(chǎn)狀N50°W/55°NE,有N45°E/90°和N55°W/90°兩組張性節(jié)理，在巖溶化作用下形成巖溶裂隙及巖溶管道，控制六枝向斜的地下水流向。

2.3 水文地質(zhì)特征

2.3.1區(qū)域水文地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)位于長(zhǎng)江水系與珠江水系的分水嶺地帶，南北兩側(cè)分屬不同的水文地質(zhì)單元，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致[3]。在分水嶺北部, 地下水流向北及東北方向，排向?yàn)踅?；在分水嶺南部, 地下水流向南及南東方向, 流經(jīng)六枝河支流，最后排向北盤江。測(cè)區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地貌控制著地下水流向[4]，六枝向斜屬于珠江流域北盤江水系，地表水由向斜兩翼峰叢向向斜軸部低洼溶蝕槽谷匯流入六枝河，后沿向斜軸部由北西向南東徑流，匯入北盤江。地表沖溝發(fā)育,軸部溶蝕槽谷內(nèi)地表水及地下水豐富，水系發(fā)達(dá)。

2.3.2巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄

測(cè)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)高原高山氣候，雨量充沛，多年平均年降雨量 1 487.6 mm，最大日降雨量 206.9 mm，年蒸發(fā)量1 300.8 mm，雨季多集中在5～8月，為地下水的補(bǔ)給提供了較為充足的水源。地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，巖溶水豐富。地下水由翼部向軸部匯聚，形成較為完整的補(bǔ)給、徑流、排泄空間分布。六枝向斜兩翼煤系地層為補(bǔ)給區(qū)，地表沖溝匯聚了大量地表水，地表水主要靠大氣降雨補(bǔ)給，地表溝水在可溶巖與非可溶巖分界線形成斷頭溝、落水洞[5]，地表水以洼地、落水洞、溶腔、裂隙匯入地下巖層，補(bǔ)給地下形成地下水。向斜兩翼碳酸鹽可溶巖地層為地下水徑流區(qū)，在新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，測(cè)區(qū)N45°E/90°、N55°W/90°兩組張性節(jié)理裂隙處于拉張狀態(tài)，為地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移創(chuàng)造了有利條件，地下水在深部巖溶水以網(wǎng)絡(luò)狀巖溶裂隙管道、暗河等運(yùn)移[6]。向斜軸部溶蝕槽谷為排泄區(qū)，地勢(shì)低洼，為測(cè)區(qū)的地下水排泄基準(zhǔn)面，地下水以下降泉的形式排泄在六枝河內(nèi)，在六枝河兩岸出露了天生橋、下波帕、玉黑達(dá)沖、上玉黑、地宗等暗河[7]。

3 隧道涌水分析及水量計(jì)算

經(jīng)過水文地質(zhì)分析，對(duì)六枝向斜的巖腳、對(duì)門寨、大用、地宗等隧道的涌水段落進(jìn)行涌水量計(jì)算。

3.1 洼地法

洼地法計(jì)算隧道涌水量的公式：

Q=F×X×(1/T) ×0.1×0.6×α

(1)

式中：F——洼地地表匯水面積(km2)；

X——測(cè)區(qū)日最大降雨量(mm)；

T——洼地等效消水天數(shù)(d)；

α——降雨入滲系數(shù)。

各隧道采用參數(shù)及涌水量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 洼地法計(jì)算隧道涌水量匯總表

3.2 井泉補(bǔ)給法

通過較長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)隧道井泉點(diǎn)流量，繪制流量折線圖，來預(yù)測(cè)隧道涌水量的方法叫井泉補(bǔ)給法。

巖腳隧道涌水量計(jì)算公式：

Q總=Q1+Q2+Q3+Q4

(2)

式中：Q1——DK 32+922右側(cè)418 m泉點(diǎn)流量；

Q2——DK 33+009右側(cè)232 m泉點(diǎn)流量；

Q3——既有巖腳寨隧道進(jìn)口暗河口流量；

Q4——黑曬村大用鎮(zhèn)引用水源井點(diǎn)流量。

巖腳隧道地下水排泄到天生橋至黑曬沖溝內(nèi)，沖溝內(nèi)發(fā)育4個(gè)井泉點(diǎn)，2016年6月28日至2016年6月30日，六枝地區(qū)降特大暴雨，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各井泉點(diǎn)最大流量分別為：27 648 m3/d、21 168 m3/d、39 657 m3/d和 42 163 m3/d，故預(yù)測(cè)巖腳隧道出口最大涌水量為 130 636 m3/d。

3.3 溶腔壁水位痕跡法

地下水在地下暗河或溶蝕通道內(nèi)水平流動(dòng)時(shí)，常會(huì)在溶腔壁上留下水位痕跡線，隧道開挖會(huì)揭示溶腔壁的歷史上最高水位痕跡線，根據(jù)水位痕跡線與隧道軌面標(biāo)高的關(guān)系，分析判定地下水對(duì)隧道影響程度。在對(duì)門寨隧道DK 34+120.9左側(cè)50 m和DK 34+404.75左側(cè)10～19 m兩處溶腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)積水潭，并在溶腔壁上發(fā)現(xiàn)水位痕跡線。

(1)DK 34+120.9左50 m溶洞底部有地下出水點(diǎn)，呈積水潭，溶洞大廳溶壁可見水流痕跡線?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得DK 34+120.9左側(cè)50.11 m處溶洞壁水淹痕跡高程為 1 330.99 m，DK 34+126.848左側(cè)12.230 m處溶洞壁水淹痕跡高程為 1 341.35 m，溶洞內(nèi)集水潭水位比隧道底板底面標(biāo)高低31.8 m，從而判斷隧道處于地下水垂直循環(huán)帶內(nèi)。

(2)在DK 34+404左側(cè)10～19 m處，溶洞底有緩慢流動(dòng)的流水溝，并呈積水潭，水位在隧底以下10.1 m，積水潭水位標(biāo)高為 1 368.65 m(2017年12月8日測(cè)量)，洞壁可見歷史最高水位線標(biāo)高 1 371.77 m，該水位較筏板頂面低約3.5 m。2018年8月7日，暴雨使積水潭向上返水，最高水位高程達(dá) 1 374.07 m，較筏板頂面僅低1.2 m，由于施工破壞了溶洞內(nèi)地下水的徑流通道，地下水流動(dòng)受阻，隧底溶洞內(nèi)地下水上升，涌水至隧底，造成隧底水害。

3.4 實(shí)測(cè)斷面流量法

為準(zhǔn)確計(jì)算隧道涌水量，將隧道出水點(diǎn)及涌水點(diǎn)的地下水集中匯入隧道中心水溝，實(shí)測(cè)中心水溝斷面流量的方法即為實(shí)測(cè)斷面流量法。

大用隧道出口DK 38+320～DK 38+710段位于六枝向斜軸部，向斜軸部發(fā)現(xiàn)大型充填溶洞[8]，并出現(xiàn)溶腔涌水現(xiàn)象，施工中在里程 DK 38+710、DK 38+704、DK 38+480、DK 38+430、DK 38+415、DK 38+352、DK 38+325、DK 38+320共8處出現(xiàn)出水點(diǎn)及涌水點(diǎn)。2017年5月1日至2017年8月17日對(duì)其進(jìn)行了一個(gè)雨季的觀測(cè)，并繪制了流量曲線折線圖。其中2017年6月11日六枝地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，隧道涌水點(diǎn)匯入中心水溝的水量為隧道最大值。采用中心水溝實(shí)測(cè)斷面流量法計(jì)算隧道最大涌水量，流量計(jì)算公式為：

Q=L/T×S

(3)

式中：L——指定流距；

S——水流截面面積；

T——時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算，大用隧道六枝向斜軸部 DK 38+320～DK 38+710段隧道涌水量為 152 064 m3/d。

3.5 流量匯總法

實(shí)測(cè)隧道每個(gè)出水點(diǎn)及涌水點(diǎn)的流量，逐點(diǎn)匯總其流量，來估算隧道涌水量的方法叫流量匯總法。

地宗隧道進(jìn)口DK 42+200～DK 42+411和 DK 43+325～DK 43+496段地表水沖溝、洼地、落水洞、斷頭溝發(fā)育，隧道洞身發(fā)育地下暗河及巖溶管道水，隧道開挖時(shí)出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，其中 DK 43+418處拱頂涌水最大量，呈放射狀涌出。通過2017年4月24日至2017年9月7日對(duì)隧道涌水量的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在2017年6月22日和2017年6月30日兩次時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)隧道涌出水量最大。隧道觀測(cè)出水點(diǎn)位置及最大流量值匯總?cè)绫?所示。

表3 地宗隧道涌出水點(diǎn)位置及流量匯總表

經(jīng)計(jì)算，地宗隧道進(jìn)口DK 42+200～DK 42+411和DK 43+325～DK 43+496兩段隧道涌水量總計(jì)153 854 m3/d。

4 隧道病害整治方案研究

位于六枝向斜的4座隧道在施工過程中都出現(xiàn)了較大涌水，因此，本文研究了設(shè)置泄水洞的方案來整治隧道涌水。經(jīng)分析，4座隧道涌水都位于地下水上游側(cè)，故將泄水洞設(shè)置于上游來水側(cè)。巖腳隧道和對(duì)門寨隧道位于六枝向斜的北翼，地下水由線路右側(cè)流向左側(cè)，故巖腳隧道和對(duì)門寨隧道泄水洞設(shè)置于線路右側(cè)來水側(cè)；大用隧道位于六枝向斜軸部，隧道施工中左、右側(cè)邊墻均出現(xiàn)了涌水，故大用隧道向斜軸部段左、右側(cè)均設(shè)置泄水洞；地宗隧道位于六枝向斜南翼，地下水由線路左側(cè)流向右側(cè)，故地宗隧道泄水洞設(shè)置于線路左側(cè)。結(jié)合隧道縱坡及人字坡情況，泄水洞順坡排水。

4.1 巖腳隧道

進(jìn)口里程DK 30+694，出口里程DK 33+105，全長(zhǎng) 2 407 m，進(jìn)口以16‰上坡，出口以3‰下坡。施工揭示 DK 32+343～DK 32+360段暗河管道出現(xiàn)涌水、涌泥沙，DK 32+908處有巖溶涌水情況，計(jì)算隧道涌水量約 149 000 m3/d，經(jīng)研究，于隧道 DK 32+300～DK 33+101段線路右側(cè)設(shè)置泄水洞，泄水洞長(zhǎng) 824 m，并于 DK 32+343、DK 32+360、DK 32+908共3處設(shè)置集水廊道，巖腳隧道泄水洞平面如圖1所示。

圖1 巖腳隧道泄水洞平面示意圖

4.2 對(duì)門寨隧道

進(jìn)口里程DK 33+844，出口里程 DK 35+600，全長(zhǎng) 1 756 m，全隧以5‰單面上坡。施工過程中，DK 34+120～DK 34+215、DK 34+343～DK 34+440 2段遇到巖溶管道及溶洞大廳，DK 34+410～DK 34+415左側(cè)積水潭洞壁歷史最高水位高程 1 374.074 m，極端暴雨后的出水量約 41 000 m3/d。經(jīng)研究在 DK 33+844～DK 34+747.22段線路右側(cè)增設(shè)泄水洞，泄水洞全長(zhǎng)982 m，并于 DK 34+404、DK 34+740兩處設(shè)置集水廊道。對(duì)門寨隧道泄水洞平面如圖2所示。

4.3 大用隧道

進(jìn)口里程DK 36+898，出口里程DK 39+054，全長(zhǎng) 2 156 m，進(jìn)口至DK 37+500為25‰下坡，DK 37+500至出口為10‰下坡。DK 38+710～DK 38+320段位于六枝向斜核部，為排泄基準(zhǔn)面，有較為豐富的巖溶水，施工過程中多次揭示溶洞及溶蝕裂隙，且溶洞有股狀水流出或涌水，極端暴雨后DK 38+390～DK 38+900段線路右側(cè)涌水量為 78 200 m3/d，DK 38+300～DK 38+600段線路左側(cè)涌水量為 109 200 m3/d，實(shí)測(cè)DK 38+320～DK 38+710段隧道最大涌水量為=1 526 00 m3/d。經(jīng)研究，在DK 38+55.45～DK 38+545.55段設(shè)置左線泄水洞； DK 38+301.7～DK 39+064.99段設(shè)置右線低位泄水洞；DK 38+277.23～DK 38+470段設(shè)置右線高位泄水洞；于 DK 38+570處設(shè)置下穿正洞段連接左右線泄水洞，并于 ZDK 38+266.7、ZDK 38+395、ZDK 38+445、ZDK 38+495、ZDK 38+540、Y1DK 38+292、Y2DK 38+479、Y1DK 38+430、Y2DK 38+679.3、Y2DK 38+703.1共10處設(shè)置集水廊道。大用隧道泄水洞平面如圖3所示。

圖2 對(duì)門寨隧道泄水洞平面示意圖

圖3 大用隧道泄水洞平面示意圖

4.4 地宗隧道

進(jìn)口里程DK 41+720，出口里程DK 44+765，全長(zhǎng) 3 045 m。進(jìn)口至DK 44+050為20‰上坡，DK 44+050至出口為10.2‰的下坡。施工過程中DK 41+746～DK 41+890、DK 42+201～DK 42+411、DK 43+325～DK 43+668 等段落多處揭示大溶洞及溶蝕裂隙，且有股狀水流出或涌水，地表洼地出現(xiàn)巖溶塌陷、開裂、坍方冒頂、水井失水干枯等環(huán)境地質(zhì)問題[9]。極端暴雨后涌水量為 144 800 m3/d， 2016年5月至2018年7月隧道最大涌水量 153 854 m3/d。經(jīng)研究從DK 41+720～DK 43+710段左側(cè)設(shè)置泄水洞，泄水洞長(zhǎng)2 017 m，并于XDK 41+741、XDK 41+863、XDK 42+115、XDK 42+135、XDK 42+210、XDK 42+245、XDK 42+260、XDK 42+402、XDK 43+337、XDK 43+420、XDK 43+475、XDK 43+495、XDK 43+671共13處設(shè)置集水廊道。地宗隧道泄水洞平面如圖4所示。

圖4 地宗隧道泄水洞平面示意圖

5 結(jié)論

線路選線應(yīng)避免隧道通過富水向斜地下暗河徑流排泄區(qū)，必須通過時(shí)，應(yīng)盡量拔高線路標(biāo)高，將隧道設(shè)置于巖溶水的垂直循環(huán)帶內(nèi)，隧道縱坡采用人字坡。

對(duì)巖溶隧道建議采用封閉洼地法、溶腔壁地下水位痕跡線法、井泉補(bǔ)給法及隧道內(nèi)溶洞涌水量觀測(cè)等多種方法預(yù)測(cè)隧道涌水量，綜合對(duì)比分析后確定推薦隧道涌水量。

在隧道來水側(cè)設(shè)置泄水洞，并于泄水洞與正洞出水點(diǎn)設(shè)置集水廊道，通過對(duì)地下水進(jìn)行充分引排，確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)及后期鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。