藏東南某隧道水文地質(zhì)特征及突涌水危險性評價

鄒遠華 王 朋 周 航 宋 章 徐正宣

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著我國鐵路交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重心的逐步西移，涌現(xiàn)出一大批復雜艱險山區(qū)鐵路，這些鐵路區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強烈，水文地質(zhì)條件異常復雜，隧道突涌水成為山區(qū)鐵路隧道勘察設(shè)計和施工中最具危害性的地質(zhì)災(zāi)害之一[1-2]。據(jù)施工現(xiàn)場統(tǒng)計，因隧道突涌水災(zāi)害造成的重大安全事故高達80%，這不僅會給隧道施工帶來困難，造成嚴重的工期延誤和經(jīng)濟損失，甚至會誘發(fā)水資源枯竭、引起地表塌陷等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡，威脅到社會穩(wěn)定與經(jīng)濟發(fā)展[3-4]。例如，渝懷鐵路圓梁山隧道在施工中發(fā)生70余次突涌水事故，突水量達 6 900 m3/h，造成9人傷亡及嚴重的工期延誤[5]；宜萬鐵路野三關(guān)隧道多次發(fā)生大型突涌水事故，隧道最大涌水量達30萬m3/h，造成10人死亡[6]。因此，進行深埋隧道水文地質(zhì)特征及突涌水危險性評價研究，對復雜山區(qū)鐵路前期勘察選線設(shè)計、后期施工及支護結(jié)構(gòu)設(shè)計都具有非常重要的工程實際意義。

藏東南某隧道位于昌都—思茅地塊中部，主要發(fā)育母諾向斜、王卡鄉(xiāng)背斜及沿母諾向斜核部附近發(fā)育的妥壩斷裂帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造作用強烈。王卡鄉(xiāng)背斜核部出露三疊系波里拉組灰?guī)r，地表常見溶洞、溶腔等大型巖溶形態(tài)。隧道南側(cè)的灰?guī)r出露區(qū)有大量溫泉出露，顯示王卡鄉(xiāng)背斜內(nèi)波里拉組碳酸鹽巖地層賦存有較為豐富的深循環(huán)地下水，可能造成嚴重的涌突水災(zāi)害。因此，本文立足于我國復雜山區(qū)隧道建設(shè)，以藏東南某隧道為工程依托，通過研究分析隧道地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征等，分析巖溶發(fā)育程度和巖溶發(fā)育規(guī)律，根據(jù)巖溶水補徑排條件，進行水文地質(zhì)單位劃分。在此基礎(chǔ)上，開展隧道突涌水危險性綜合評價，以期為類似工程地質(zhì)條件下的深埋長大隧道突涌水防治提供科學依據(jù)。

1 隧道工程地質(zhì)概況

本文研究的鐵路東起于成都鐵路樞紐，西至拉薩市，途經(jīng)四川省雅安市、瀘定縣、康定市，西藏自治區(qū)昌都市、波密市、林芝市，初步規(guī)劃線路全長 1 567 km[7-8]。研究隧道位于青藏高原東南方，進口位于擴達鄉(xiāng)鄉(xiāng)府北側(cè)卡曲右岸半山坡上，向西穿越母諾山南側(cè)，出口位于王卡鄉(xiāng)鄉(xiāng)府南側(cè)史曲右岸。

1.1 地形地貌

此隧道位于青藏高原東部山原區(qū)的橫斷山脈北端中西部，隧道全長 20 247 m，最大埋深約 1 113 m，屬于典型深埋長大隧道。區(qū)域地形地貌受區(qū)內(nèi)地層及構(gòu)造控制，具有構(gòu)造剝蝕地貌的顯著特征。工程區(qū)主要為斜坡溝谷地形，地形起伏落差較大，隧道地面標高 3 655～5 045 m，最大相對高差 1 390 m，自然坡度一般10°～65°，局部為陡壁，為典型高山峽谷地貌特征的藏東南谷地。

1.2 地層巖性

隧道地質(zhì)縱斷面如圖1所示，工程區(qū)巖性復雜，地層單元屬唐古拉橫斷山地層區(qū)昌都分區(qū)，主要包括古生界和中生界地層。其中泥盆系、石炭系及下二疊統(tǒng)以碳酸鹽巖為主；上二疊統(tǒng)以砂巖、含有機質(zhì)的泥頁巖和煤層為主；上二疊統(tǒng)底部及下三疊統(tǒng)以基性-酸性火山巖為主，夾少量砂頁巖；上三疊統(tǒng)至侏羅系主要以砂泥巖夾灰?guī)r為主；上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)為質(zhì)地較純的灰?guī)r、 白云巖，是工程區(qū)主要的地下水賦存地層。

圖1 藏東南某隧道地質(zhì)縱斷面圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于昌都地塊中部，東、西兩側(cè)分別為金沙江和瀾滄江結(jié)合帶，受印支期東、西兩側(cè)雙向俯沖擠壓，昌都地塊內(nèi)部自侏羅紀起便形成狹長的近南北向中-新生代的沉積盆地。后經(jīng)持續(xù)擠壓，沉積盆地產(chǎn)生大量的對沖(和背沖)斷裂組合及褶皺，沉積盆地下部老地層抬升剝蝕出露，塑造了工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造及地層展布格局。隧道工程區(qū)穿越多條斷層破碎帶，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強烈。

1.4 水文地質(zhì)特征

隧道工程區(qū)各地表徑流均屬瀾滄江水系，地表水系較為發(fā)育。隧道前段的向斜地貌區(qū)，勇曲次級支流主要沿構(gòu)造線發(fā)育，而在隧道后段的背斜地貌區(qū)，史曲次級支流多橫穿構(gòu)造線發(fā)育。隧道工程區(qū)地下水類型較為齊全，根據(jù)工程區(qū)水文地質(zhì)條件，以及賦存運移地下水的巖石類型、地下水動力特征以及儲水空間類型，可將工程區(qū)地下水分第四系松散土類孔隙水、碎屑巖的基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水3個類型。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、各含水介質(zhì)的巖性特征及地下水賦存條件可知，第四系松散土層主要為弱富水性，泥頁巖夾砂巖、砂巖夾頁巖和砂、泥巖互層等碎屑巖主要為弱富水性和中等富水性，灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖屬強富水性。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶發(fā)育程度

隧道出口端及其北側(cè)有條帶狀或島狀出露有上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)碳酸鹽巖，質(zhì)地較純。在 3 700～3 900 m高程段，灰?guī)r條帶多被史曲、勇曲及其各級支流切割，常見規(guī)模不等的地下巖溶形態(tài)發(fā)育，如溶洞、溶腔及顯著溶蝕張開的溶隙等。綜合分析可知，較具規(guī)模的地下巖溶形態(tài)多分布在隧道北側(cè)，一般高于河水面(河水面高程約 3 780 m)，無水或少量滲水，如圖2(a)所示；在隧道南側(cè)的勇曲河谷多與河面齊平(高程約 3 689 m)，可見水流，如圖2(b) 所示。

圖2 藏東南某隧道巖溶發(fā)育程度圖

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，波里拉組(T3b)灰?guī)r段多為強富水性，循環(huán)深度及徑流量大，隧道涌突水風險高；察朗噶組(J1ch)和甲丕拉組(T3j)為弱-中等富水性，地下水在其砂巖段內(nèi)進行較深的循環(huán)，但徑流強度較小，局部可能賦存承壓水；阿堵拉組(T3a)、奪蓋拉組(T3d)和土脫組(J2t)為弱富水性，以表層風化卸荷帶內(nèi)的表層徑流為主，循環(huán)深度淺，對隧道影響較小。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

隧道出口端所處的王卡鄉(xiāng)背斜兩翼(或核部)出露有上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)較純的灰?guī)r、白云巖。受背斜樞紐起伏影響，該可溶巖段在工程區(qū)姆多隆以北呈環(huán)形條帶狀分布，在姆多隆以南的工程區(qū)呈不連續(xù)島狀出露，多數(shù)被上覆阿堵拉組碎屑巖地層覆蓋。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，4 300 m以上高程段，寒凍風化作用強烈，地表巖溶跡象不明顯；3 900～4 300 m高程段，多順層發(fā)育溶蝕裂隙，巖溶不發(fā)育；3 700～3 900 m高程段，地表發(fā)育石芽、溶溝，地下發(fā)育較大規(guī)模的溶洞和溶腔等，巖溶較發(fā)育；3 700 m高程以下段，巖溶發(fā)育相對較弱，多以(溶蝕)裂隙及小溶孔為主，但其中賦存較為豐富的地下水。這些較大規(guī)模溶洞、溶腔的發(fā)育多受構(gòu)造及岸坡卸荷作用控制，在隧道北側(cè)的東榮學南、北兩岸分別發(fā)育沿王卡鄉(xiāng)背斜核部縱張裂隙及岸坡卸荷帶發(fā)育的大型溶洞、溶腔，分布高程約 3 750～3 760 m之間。

3 巖溶水系統(tǒng)

3.1 地下水類型及其含水巖組特征

表1 隧道含水巖組特征統(tǒng)計結(jié)果表

3.2 巖溶水補徑排條件

隧道工程區(qū)的深層徑流主要發(fā)育于波里拉組灰?guī)r條帶內(nèi)，受王卡鄉(xiāng)背斜構(gòu)造形變及地形切割影響，背斜北段波里拉組灰?guī)r條帶呈環(huán)狀條帶分布，向南因背斜樞紐起伏多次被阿堵拉組覆蓋。據(jù)調(diào)查、測流分析，該灰?guī)r條帶內(nèi)地下水主要排泄點有羅江溫泉、娘曲溫泉及勇曲灰?guī)r段右岸的泄流排泄，根據(jù)徑流總量及匯水面積的匹配關(guān)系推測，該深層徑流系統(tǒng)的補給范圍可達東榮學以北的波里拉組環(huán)形條帶展布區(qū)。地下水在背斜北段的波里拉組灰?guī)r出露區(qū)接受補給后，順灰?guī)r條帶向深部、向南部徑流，穿過東榮學、姆多隆(地表無泉點出露)及上覆的阿堵拉組直至羅江村及娘曲村附近排泄，由于在徑流過程中受地溫加熱，泉水溫度較高，羅江溫泉水溫24°，娘曲溫泉水溫32°，并在背斜南段灰?guī)r出露區(qū)繼續(xù)接受補給，向南穿過阿堵拉組，在宗多村一帶以線狀泄流形式排泄于勇曲。

3.3 巖溶水文地質(zhì)單元劃分

巖溶水文地質(zhì)單元是根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、可溶巖與非可溶巖的接觸關(guān)系及空間展布特征、氣象和水文等條件的差異性，將工程區(qū)劃分為若干單元。每個單元的地下水類型、賦水特征及運移規(guī)律相同或相似，具備相對獨立的邊界和補給、徑流及排泄條件。根據(jù)巖溶水文地質(zhì)單元劃分依據(jù)，結(jié)合野外調(diào)查情況，將此隧道地下水系統(tǒng)劃分為4個主要水文地質(zhì)單元，如表2所示。

表2 隧道水文地質(zhì)單元特征統(tǒng)計表

4 隧道涌突水危險性分析

4.1 隧道突涌水危險性評價

隧道突涌水受多種因素的影響，通過結(jié)合鐵路深埋長大隧道地質(zhì)資料以及前人學者的研究成果[9-10]，選擇巖石的滲透性和力學性質(zhì)(R1)、地質(zhì)構(gòu)造條件(R2)、地表匯水條件(R3)、隧道與地下水位的關(guān)系(R4)和冰川補給(R5)5個一級指標構(gòu)建突涌水危險性評價體系。根據(jù)以往地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的成熟經(jīng)驗，借鑒目前復雜巖溶隧道的施工技術(shù)和被工程界普遍接受的風險接受準則，將非可溶巖隧道涌突水危險性劃分為5個等級(如表3所示)：極高危險(Ⅴ)、高危險(Ⅳ)、中等危險(Ⅲ)、較低危險低(Ⅱ)和低危險(Ⅰ)，分值滿分設(shè)置為100分，5個等級所對應(yīng)的THR分值依次為>77、62～77、38～62、23～38、0～23，分值越高，級別越高，突涌水災(zāi)害的危險程度越高。

表3 危險等級劃分表

根據(jù)隧道所穿越的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地貌、水系等地質(zhì)、水文條件，將隧道分為19個區(qū)段進行突涌水危險性評價，結(jié)果如表4所示。

表4 隧道突涌水危險性評價結(jié)果表

4.2 隧道突涌水風險綜合分析

本文充分考慮隧道工程區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地層特征、巖性、水文分區(qū)特征，并結(jié)合隧道涌水量評價以突涌水危險性分區(qū)等級研究，綜合確定隧道工程區(qū)危險性等級劃分長度及占比，如圖3所示。隧道全長 20 247 m，突涌水危險性等級總體以低-較低危險性為主，總長 16 804 m，約占隧道總長的83%；中等危險區(qū)總長 2 119 m，約占隧道總長的10.5%； 高危險段總長670 m，約占隧道總長的3.3%，分布于波里拉組灰?guī)r條帶兩側(cè)與碎屑巖的接觸帶附近；極高危險段總長654 m，約占隧道總長的3.2%，分布于波里拉組灰?guī)r中段水平徑流帶內(nèi)及阿托卡巴斷層處。

圖3 藏東南某隧道危險性等級劃分長度及占比圖

5 結(jié)論

本文通過對某鐵路隧道地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等條件的研究，分析了巖溶發(fā)育程度和巖溶發(fā)育規(guī)律。根據(jù)巖溶水補徑排條件，進行了水文地質(zhì)單元的劃分；并在水文地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，進行了隧道涌水量預(yù)測和隧道涌突水危險性評價。得出結(jié)論如下：

(1)隧道波里拉組(T3b)灰?guī)r段多為強富水性，察朗噶組(J1ch)和甲丕拉組(T3j)為弱-中等富水性，阿堵拉組(T3a)、奪蓋拉組(T3d)和土脫組(J2t)為弱富水性。

(2)隧道巖溶垂向分帶特征較明顯，其中 4 300 m以上高程段，寒凍風化強烈，地表巖溶跡象不明顯；3 900～4 300 m高程段，巖溶弱發(fā)育，多順層發(fā)育溶蝕裂隙；3 700～3 900 m高程段，受控背斜縱張裂隙及河谷岸坡卸荷作用，巖溶較發(fā)育。

(3)隧道全長 20 247 m，低-較低危險性區(qū)長度 16 804 m，約占隧道總長的83%；中等危險區(qū)長度 2 119 m，約占隧道總長的11%；高危險區(qū)長度670 m，約占隧道總長的3%，分布于波里拉組灰?guī)r條帶兩側(cè)與碎屑巖的接觸帶附近；極高危險區(qū)長度 654 m，約占隧道總長的3%，分布于波里拉組灰?guī)r中段水平徑流帶內(nèi)及阿托卡巴斷層處。