重慶巖溶地區(qū)深埋隧道水環(huán)境影響指標(biāo)調(diào)查方法研究

賀鑫，雷云佩

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400020）

1 調(diào)查方法研究

1.1 野外水文地質(zhì)調(diào)查

野外水文地質(zhì)調(diào)查及專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察是隧道工程勘察中的重要步驟，通過分析預(yù)測隧道的涌水量，為設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。目前的隧道工程大多有較詳細(xì)的野外水文地質(zhì)調(diào)查及專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察資料，這些資料也是布置隧道地下水環(huán)境監(jiān)測方案的主要依據(jù)之一。

野外水文地質(zhì)調(diào)查主要包含以下主要內(nèi)容：①調(diào)查含水層特征及賦存規(guī)律；②確定地下水類型和地下水的顏色、味道、氣味、溫度、補(bǔ)給排泄條件及水力聯(lián)系；③調(diào)查民井、泉所處地貌或需水構(gòu)造部位，出露狀態(tài)，井壁結(jié)構(gòu)、抽水設(shè)備、涌水量；地表水系、民井及泉水調(diào)查地表水系的流向、平均流量、最大水位、枯水期與豐水期的流量及水位；泉水的數(shù)量及涌水量；④調(diào)查民井的數(shù)量、井壁結(jié)構(gòu)、深度、含水層位、抽水設(shè)備、使用情況、水量及水位變化，建立地層結(jié)構(gòu)柱狀圖。

專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察是在野外水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上針對隧道工程作出的更詳細(xì)的水文地質(zhì)工作，主要內(nèi)容有：①查明隧道區(qū)的地形地貌、地層巖性組成及其地質(zhì)構(gòu)造特征；各類蓄水構(gòu)造，劃分水文地質(zhì)單元。②查清隧址區(qū)地下水的類型和特征、其含水層的位置分布、高程、特點(diǎn)，進(jìn)一步明確隧道穿越位置與其含水層相互之間的關(guān)系。③調(diào)查巖溶形態(tài)、地下水動(dòng)力特點(diǎn)、發(fā)育規(guī)模、發(fā)育層次、控制性因素及發(fā)育規(guī)律。④查明隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件，尤其是地質(zhì)構(gòu)造及特征對水環(huán)境條件的影響，解析場地地下水在隧道施工開挖及后期運(yùn)行中的補(bǔ)給、徑流和排泄關(guān)系。評價(jià)地下水對隧道圍巖級別、開挖以及支護(hù)的作用影響。⑤確定隧道開挖及運(yùn)營期的疏干區(qū)、影響區(qū)范圍，預(yù)測隧道靜態(tài)涌水量、動(dòng)態(tài)涌水量及總涌水量，預(yù)測隧道穿越地段在開挖過程是否產(chǎn)生集中涌、突水地段位置及危害程度。⑥對隧道開挖及運(yùn)營過程中匯入或涌突的地下水提出預(yù)報(bào)、預(yù)防措施及排、治水方法、措施建議。⑦評價(jià)隧道施工排水對環(huán)境生態(tài)的影響[1]。

1.2 遙感解譯技術(shù)

1.2.1 技術(shù)特點(diǎn)

水文地質(zhì)遙感解譯是指采用衛(wèi)星或航空遙感數(shù)據(jù)、影像對水文地質(zhì)條件解譯，已然變成地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查的主要手段。在調(diào)查過程中，分別選取對地形地貌、地層巖性、構(gòu)造、地下水單元反應(yīng)較敏感的波段，采取電腦智能提取和人工判斷讀取相呼應(yīng)的方法，確定隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層以及地貌的發(fā)育特征；確定隧址區(qū)水文地質(zhì)構(gòu)成及含水層發(fā)育的規(guī)律；獲取水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)和相對應(yīng)的地下水儲存量。并根據(jù)解譯報(bào)告，繪制隧址區(qū)水文地質(zhì)圖件和其可視化影像成果。遙感解譯技術(shù)在水環(huán)境調(diào)查方面可以達(dá)到以下目的：①確定水系形態(tài)、密度及方向特征，沖溝形態(tài)及其成因，河流襲奪現(xiàn)象，水系發(fā)育與其巖性和地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系等。②確定地形地貌形態(tài)、成因、特征類別和其分區(qū)界線；地貌與地層巖組、地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系；地貌其個(gè)體特征、相互關(guān)系和分布規(guī)律。③利用已有資料確定地層巖性的類別、巖層產(chǎn)狀。地層巖性的劃分應(yīng)當(dāng)遵從從宏觀到微觀的原則，從界到組，厚度可以依據(jù)分辨率和地質(zhì)學(xué)解譯進(jìn)行推測。對工程地質(zhì)條件特殊的巖性、地層的繪制，各種特殊地質(zhì)現(xiàn)象及其范圍的確定。④大中型泉點(diǎn)或泉點(diǎn)群的位置和范圍，湖泊、沼澤的分布。判定其地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系。⑤斷裂構(gòu)造性質(zhì)特征、位置、規(guī)模、延伸方向；判測斷層破碎帶寬度；褶皺構(gòu)造類型、性質(zhì)、軸線位置、長度、傾覆方向；大中型節(jié)理分布帶的特征、密度及方向[2]。

1.2.2 系統(tǒng)組成

遙感是一種對地觀測的綜合類技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)首先需要一套完整的技術(shù)設(shè)備，其次需多門學(xué)科的參加配合，因此遙感是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。結(jié)合定義，遙感系統(tǒng)主要由4 部分組成：①信息源：指遙感探測的物體。②信息獲?。褐覆捎眠b感相關(guān)技術(shù)設(shè)備接收、錄入探測對象電磁波特性的過程。③信息處理：指通過光學(xué)儀器和電子設(shè)備對獲得的遙感相關(guān)信息進(jìn)行校核、分析和解譯處理的技術(shù)過程。④信息應(yīng)用：指技術(shù)人員按不同的目標(biāo)將遙感結(jié)果運(yùn)用于各領(lǐng)域使用的過程。

1.2.3 基本原理

遙感探測所用的電磁波波段是指從紫外線、可見光、紅外線直至微波的不同光譜段。地球上的所有物體（即目標(biāo)對象），比如大氣、土地、水、植物和建筑等，在其溫度大于絕對零度（即0°k=-273.15℃）的情況下，它們自身都具備反射、吸收、透射和輻射電磁波的性質(zhì)。當(dāng)陽光從宇宙途經(jīng)大氣層照射至地球表面時(shí)，地面上的物體會對由太陽光所形成的電磁波產(chǎn)生反射吸收。因?yàn)椴煌矬w物理、化學(xué)特征以及其入射光波長不同，所以它對入射光的產(chǎn)生的反射率也會不一樣。

1.3 鉆孔水文監(jiān)測

地下水其水位動(dòng)態(tài)變化，能直觀、有效地反應(yīng)各含水層的水文地質(zhì)條件。因此，長時(shí)段對多層含水層的水位動(dòng)態(tài)變化實(shí)施監(jiān)測，了解分析地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，是了解水文地質(zhì)條件變化、準(zhǔn)確確定防治水手段的基礎(chǔ)性工作。

鉆孔水文監(jiān)測在地質(zhì)災(zāi)害防治工程、復(fù)雜礦井水位和水溫監(jiān)控等方面已有大量的應(yīng)用，其主要的優(yōu)點(diǎn)是直觀，除了能直觀、有效地反映各含水層的水文地質(zhì)條件，還能直接側(cè)得水溫、水質(zhì)等參數(shù)。鉆孔水文監(jiān)測可采用人工觀測，也能采用信息化自動(dòng)監(jiān)測。人工觀測水位需要工作人員利用標(biāo)尺或皮尺人工測量，人工操作有時(shí)無法滿足時(shí)效性，有些意外突發(fā)情況的加急處理甚至就在僅有的一兩分鐘內(nèi)，因此行之有效的實(shí)時(shí)性的監(jiān)測變得相當(dāng)重要。水文地質(zhì)鉆孔多分布于原始山貌，道路少且較分散，如果距離遠(yuǎn)還需輔以交通工具，耗費(fèi)時(shí)間和精力，經(jīng)濟(jì)性和安全性都較差。目前已開發(fā)出各種無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)對鉆孔水文鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，整理傳輸，達(dá)到監(jiān)測與預(yù)警功能，其優(yōu)點(diǎn)是方便、自動(dòng)化，能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

1.4 鉆孔示蹤同位素測試技術(shù)

1.4.1 基本原理

同位素示蹤測試技術(shù)是指采用放射性同位素或經(jīng)密集且稀少穩(wěn)定核素作為示蹤劑，探究各種物理、化學(xué)、生物、環(huán)境以及材料等學(xué)科科學(xué)類問題的技術(shù)。由示蹤原子或分子組成的物質(zhì)叫示蹤劑。易于探測的核性質(zhì)原子即為示蹤原子（又稱標(biāo)記原子）。包含示蹤原子的化合物，為標(biāo)記化合物。示蹤原子在原理上幾乎可以標(biāo)記所有的化合物。單標(biāo)記化合物為被單一原子標(biāo)記的化合物，雙標(biāo)記化合物為被兩種原子標(biāo)記的化合物。

1.4.2 主要優(yōu)勢

同位素示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中主要應(yīng)用于鉆孔地下水流速、流向和垂向流的確定，解析探究不同深度、不同巖性巖石滲透系數(shù)以及確定隧道涌水段落的方位。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度高，放射性示蹤法測得的標(biāo)準(zhǔn)為10-14～10-18克，能夠從1010 多個(gè)非放射性原子中檢測出一個(gè)放射性原子。目前敏感性較好的重量分析天平要比它低108～107倍敏感度，現(xiàn)目前最精確的方法-化學(xué)分析法也很難測到10-12g 水平。②其方法簡單，測定放射性可不被其他一些非放射性物質(zhì)的干預(yù)，可簡化較多煩瑣的物質(zhì)分離步驟。它可采用某些放射性同位素釋放出透射能力強(qiáng)的r 射線，在體內(nèi)示蹤時(shí)在體外測量測得結(jié)果，其可以充分簡練實(shí)驗(yàn)的過程，達(dá)到非破壞性分析。伴隨著液體閃爍計(jì)數(shù)的進(jìn)步，一些發(fā)射軟β 射線的放射性同位素如14C 和3H 在生物及醫(yī)學(xué)試驗(yàn)中也得到非常普遍的使用。③其定位定量精確，代謝物質(zhì)它的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化可通過放射性同位素示蹤法精準(zhǔn)測得，與相關(guān)形態(tài)學(xué)技術(shù)互相融合，可明確放射性示蹤劑其在組織和器官中的定量分布；而且對一些組織和器官準(zhǔn)確定位可達(dá)到細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平甚至分子水平。④其符合生理?xiàng)l件，在實(shí)驗(yàn)中所采用的放射性標(biāo)記化合物的用量是極少量的，其對體內(nèi)相應(yīng)物質(zhì)原有的重量變動(dòng)是微乎其微的，體內(nèi)的生理過程仍然會維持正確的均衡狀態(tài)，獲取分析后的結(jié)果適合生理?xiàng)l件，進(jìn)而可以客觀反應(yīng)應(yīng)有的事物本質(zhì)。

1.4.3 主要缺陷

放射性同位素示蹤法有以上相關(guān)優(yōu)勢，但其也有一些缺陷：如需要進(jìn)行放射性同位素試驗(yàn)的相關(guān)人員續(xù)接受一些針對性的培訓(xùn)，要具有一定的安全防護(hù)手段和條件，并且當(dāng)今極個(gè)個(gè)別元素（如氧、氮等）還沒有適合的放射性同位素等等。在做相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，還要?jiǎng)?wù)必重視到示蹤劑的同位素效應(yīng)以及放射效應(yīng)問題。其中同位素效應(yīng)所指的是放射性同位素與相對應(yīng)的普通元素在化學(xué)性質(zhì)上保存的細(xì)微不同所導(dǎo)致的部分性質(zhì)上的顯著區(qū)別，針對輕元素，同位素效應(yīng)會相對嚴(yán)重，由于同位素之間它的質(zhì)量判定是成倍增加的，如3H 的質(zhì)量是1H 的三倍，2H 的質(zhì)量是1H 的兩倍，當(dāng)采用氚水（3H2O）作為示蹤劑時(shí)，其在普通H2O 中的含量不宜偏大，否則會導(dǎo)致水它的物理常數(shù)、細(xì)胞膜的滲透和細(xì)胞質(zhì)粘性等變化。采用放射性同位素時(shí)它的用量均應(yīng)小于其安全范圍內(nèi)的劑量，在生物機(jī)體保證在嚴(yán)格的允許范圍，以免對實(shí)驗(yàn)對象造成輻射和損傷，而導(dǎo)致取得錯(cuò)誤的結(jié)果。

1.5 物探技術(shù)

地球物理勘探多使用的物理性質(zhì)（巖石）有密度、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、彈性、放射性。與其相適應(yīng)的物探方法有重力勘探、磁法勘探、地震勘探、電法勘探、地溫法勘探以及核法勘探。依據(jù)探測地理位置和區(qū)域它又可以劃分為：地面地球物理勘探、航空地球物理勘探、海洋地球物理勘探以及鉆孔地球物理勘探等。

地面物探方法主要有電、磁、重、震、放射性等5 種方法，使用最多的是電法，其次有放射性探測法、甚低頻磁法等。水文物探，包括地面物探、水文測井等組成。在探水方面，主要有以下4 種方法。

1.5.1 電法

電法分為直流電法和交流電法，后者有音頻電磁法、瞬變電磁法等。以直流電法為例，主要有電測深與電剖面法，指分別測量縱向的地質(zhì)情況改變和不同深度沿剖面方向的地質(zhì)情況改變。電法具有共同點(diǎn)，都是在人工電場的作用下進(jìn)行探測。從找礦物探演化而來的電法探水，因?yàn)橐话銣y來的是地下的非動(dòng)態(tài)信息，所以在探測結(jié)果反映的曲線中就無法分辨探測信息是來自靜態(tài)礦產(chǎn)還是動(dòng)態(tài)地下水，探測成果存在多解釋性。

1.5.2 放射性探水法

是指采用天然放射性元素（氟）在基巖裂隙中聚集造成反常的放射性，設(shè)備能夠測得異常情況，但異常基巖裂隙帶是張開并且可填充的，是否有水流動(dòng)依然無法判斷，故與目測斷層探水差別不大，也存在多解的可能性。

1.5.3 甚低頻磁法

是指運(yùn)用甚低頻探測儀測取地下磁場它隨空間改變的方法，因城市中通信電子、電氣、等設(shè)備會產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，此法在人群密集區(qū)、城市建成區(qū)、郊外生產(chǎn)區(qū)等難以開展探測工作。

1.5.4 三維地震法

三維地震勘探是指用反射波法實(shí)施，三維反射波法和二維反射波法在基礎(chǔ)原理上有許多相同之處，二者所不一樣的是三維地震采用的是高密度（即在12.5m×12.5m 的面積中便采集一個(gè)數(shù)據(jù)）的不同形式的面積觀測系統(tǒng)，所以三維地震又可才稱為面積觀測法。

上述地震法的共性點(diǎn)是將找尋固體礦產(chǎn)的物探方法運(yùn)用到找地下水。地質(zhì)體物性綜合值可通過地面儀器測量，屬于靜態(tài)信息，所測得的物理量是固體礦產(chǎn)還是地下水，全憑測試分析人員的主觀或其累積實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所決定。通過以上方法探水的成功率僅有40%～50%，物探曲線的多解性是其根源所在。以上手段只可以判斷地下有無低阻區(qū)，對于地下有無水、水量有多大等信息是難以準(zhǔn)確知道的。

1.6 水化學(xué)分析

水化學(xué)分析主要是針對調(diào)查獲得的相應(yīng)水點(diǎn)的流量、溫度、酸堿值、電導(dǎo)率、礦物質(zhì)濃度、含鹽度、阻抗值以及酸堿電位值等常規(guī)參數(shù)實(shí)施現(xiàn)場原位測試，還包括水樣的化學(xué)物理簡分析、全分析或?qū)ｍ?xiàng)分析，以分析地下水的水質(zhì)、類型、水化學(xué)特征和其對工程的影響。

2 隧道地下水環(huán)境調(diào)查方法的適用范圍

上文對野外水文地質(zhì)調(diào)查、遙感解譯技術(shù)、鉆孔水文監(jiān)測、鉆孔示蹤同位素測試技術(shù)、物探技術(shù)和水化學(xué)分析6 種調(diào)查方法進(jìn)行了綜述，現(xiàn)將各個(gè)方法的作用和適用范圍總結(jié)如表1 所示。

表1 隧道地下水環(huán)境調(diào)查方法的總結(jié)

如表1 所示，各個(gè)方法在隧道工程水環(huán)境調(diào)查中具有各自不同的作用，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)水環(huán)境調(diào)查的目的綜合選用一種或幾種方法。

3 結(jié)語

隨著城市化的發(fā)展，道路基礎(chǔ)建設(shè)的需要，在重慶山區(qū)地形條件下不可避免的穿山越嶺。目前已有隧道的開挖對生態(tài)環(huán)境的影響十分明顯，主要表現(xiàn)在水資源的破壞及引發(fā)的地表塌陷問題，其社會影響及經(jīng)濟(jì)損失巨大，環(huán)境保護(hù)問題日益突出。研究隧道工程與水環(huán)境的相互影響，對減低隧道施工造成的地下水災(zāi)害，提高隧址區(qū)水環(huán)境的保護(hù)措施，完善隧道工程設(shè)計(jì)均具有十分重要的意義。