粵北某特長隧道巖溶水文地質(zhì)特征初探

可偉偉

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河南總隊，河南 信陽 464000）

巖溶區(qū)隧道設(shè)計和施工前，必須對隧址區(qū)水文地質(zhì)條件進行深入分析，查清巖溶特征和地下水分布及運移規(guī)律，分析巖溶水文地質(zhì)條件對隧道施工的影響。本文以牛塘特長隧道水文地質(zhì)勘察為例，進行巖溶水文地質(zhì)條件分析，并提出相應工程建議。

1 地質(zhì)背景特征

1.1 地形地貌

隧址區(qū)屬巖溶低山峰叢地貌，地形起伏大，地形陡峭，坡度30°～60°，局部近直立形成陡崖，相對高差最大約530m，隧道進、出口均位于半山坡。

1.2 地層巖性

（1）帽子峰組（D3m）：巖性為灰、紫紅等色薄層狀細砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)頁巖及泥質(zhì)頁巖互層夾粗砂巖、泥灰?guī)r。

（2）孟公坳組+石磴子組（C1ym+C1ds）：作并層處理，整體可分為上下兩段，下段主要為灰、深灰、灰黑色中—厚層狀，局部巨厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。上段（C1ym+ C1ds2）主要為灰、深灰和灰黑色灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，中—厚層狀為主，局部薄層狀或巨厚層狀，中部常夾薄層狀灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r[1]。

（3）測水組（C1dc），下部為灰白、灰色薄層狀長石石英砂巖、泥巖，局部夾煤線，上部為含礫砂巖、砂巖、泥巖夾鈣質(zhì)或炭質(zhì)泥巖及灰?guī)r、泥灰?guī)r等。

（4）第四系松散層（Q4），巖性主要為粉質(zhì)粘土夾少量砂，主要為灰?guī)r風化產(chǎn)物，其次為砂質(zhì)粘土、礫石等。

1.3 構(gòu)造特征

隧址區(qū)整體處于以測水組為核部，兩翼為孟公坳組+石磴子組（C1ym+C1ds）、帽子峰組（D3m）等地層的天堂頂向斜西翼—核部位置，向斜軸為北北西向。隧址區(qū)總體呈單斜構(gòu)造。

隧址區(qū)未見大型構(gòu)造及深大斷裂發(fā)育，僅發(fā)育有小型褶皺及小規(guī)模的次級斷裂，但數(shù)量較多。

1.4 水文特征

隧址區(qū)所在區(qū)域為北江水系的濱江、連江七拱水以及綏江三條不同水系的分水嶺位置。地表水體為伏流及狹窄溝谷內(nèi)的溪流，多屬季節(jié)性及地下河溪流，沖溝發(fā)育，匯水面積大，水位及流量受季節(jié)控制明顯，旱季水量小，地表多斷流，雨季水量變化大，具暴漲暴落的特點。

區(qū)內(nèi)地下水以碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主，含水層為石炭系孟公坳組巖溶強發(fā)育灰?guī)r，巖溶發(fā)育不均勻，形成多個碳酸鹽巖溶水文地質(zhì)單元，富水不均勻。地下水徑流方向與地表水基本一致，主要以泉和地下河形式集中排泄，并與地表水交換頻繁。地下水水質(zhì)類型 為 HCO3- Ca · Mg 型 水 ，礦 化 度 為 200.00～296.00mg/L。

2 巖溶發(fā)育特征及規(guī)律

2.1 巖溶管道、天窗和落水洞

2.1.1 濱江水系巖溶管道系統(tǒng)

該系統(tǒng)以牛塘—到洛巖溶管道系統(tǒng)和蜻蜓坳—大崩巖溶管道系統(tǒng)為主，其次有灣仔巖溶管道系統(tǒng)和東清水巖溶管道系統(tǒng)。牛塘—到洛地下河系統(tǒng)為勘察區(qū)主要的地下河系統(tǒng)，主干管道長度超過3km，該地下河系統(tǒng)主要有下牛塘分支、深沸坪分支、羊水坑分支等。

該地下河系統(tǒng)管道復雜，分支多，落水洞星羅棋布，洼地眾多，其主要兩處出口高差超過百米，沿途還發(fā)育高大溶洞，存在多層管道系統(tǒng)。該地下河系統(tǒng)下牛塘分支與K線及F4線關(guān)系密切，對隧道施工和運營安全存在較大影響。羊水坑支線對F14 A線可能存在影響，隧道施工可能會導致地下河倒流入隧道中，也應引起重視。

2.1.2 綏江水系巖溶管道系統(tǒng)

該系統(tǒng)發(fā)育有下洞塘—根竹西巖溶管道系統(tǒng)、蕉洞—根竹水庫巖溶管道系統(tǒng)、石橋崆巖溶管道系統(tǒng)、理洞巖溶管道系統(tǒng)，其中蕉洞—根竹水庫巖溶管道系統(tǒng)對K線西段出口端影響較大。蕉洞地下河系統(tǒng)出口段為大規(guī)模坍塌堆積形成，因隧道設(shè)計底板標高低于水庫標高，地下河管道易成為溝通隧道與根竹水庫的通道。因雨后水庫蓄水較多，對隧道施工和運營安全構(gòu)成較大威脅，應加以重視。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

隧址區(qū)處于分水嶺地區(qū)，降雨極易形成地表片流及地下徑流，長年累月侵蝕，逐漸發(fā)育成石芽、石柱、漏斗、落水洞等垂直巖溶形態(tài)，且表層巖溶與深部巖溶連通；在地形相對平緩的斜坡區(qū)，溶蝕方式以水平化學溶蝕為主，巖溶首先由溶孔發(fā)育成溶洞，最終合并形成大型溶洞及地下河管道[2]。

受構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)巖溶地下河發(fā)育多具有穿層性的特點，地下水流向多為往東及往西兩個方向，而地層走向為北北西向，穿層的特點明顯。此外，巖溶發(fā)育還具有多期性，巖溶管道具有多層性，其中以下洞塘地下河系統(tǒng)出口發(fā)育的3層高度不一的溶洞最具代表性。

地下暗河基本上以南北走向和東西走向延伸，并與沖溝谷地走向和構(gòu)造帶走向一致，天窗和落水洞則基本上沿地下暗河分布，多呈串珠狀。

隧道區(qū)除基巖上部見溶槽外，下部未見溶洞和巖溶裂隙發(fā)育段。

2.3 控制巖溶發(fā)育因素

2.3.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)處于天堂頂向斜西翼－核部位置，受區(qū)域構(gòu)造影響，發(fā)育多條北東向小型斷裂，區(qū)內(nèi)地形地貌及巖溶發(fā)育多沿構(gòu)造方向形成串珠狀發(fā)育，如蕉洞地下河系統(tǒng)沿F12斷裂帶發(fā)育，到洛地下河系統(tǒng)羊水坑支線沿F7及F8斷層發(fā)育。由此可見構(gòu)造對區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育具有控制性作用。

2.3.2 碳酸鹽巖

構(gòu)造應力作用下，碳酸鹽巖發(fā)生褶皺斷裂及裂隙，在當?shù)亟涤旰团瘽駳夂蜃饔孟?，碳酸鹽巖內(nèi)水交替循環(huán)加劇，碳酸鹽巖溶解加速，極大地促進了巖溶發(fā)育。且褶皺軸部構(gòu)造裂隙發(fā)育程度高，透水性強，張性結(jié)構(gòu)面導水性好，巖溶極為發(fā)育[3]。

由于隧址區(qū)所在區(qū)域為三江分水嶺處，大氣降水及地表徑流極為充沛，巖溶發(fā)育受其影響，主要以垂直發(fā)育為主，形成漏斗、落水洞和天窗等。

3 巖溶對隧道影響評估

3.1 隧道涌水量預測及影響分析

3.1.1 隧道涌水量預測

根據(jù)隧址區(qū)水文、工程地質(zhì)特征、地形地貌特征等，采用大氣降雨入滲法和地下水動力學法相結(jié)合的方法對隧道進行涌水量對比預測。

（1）大氣降雨入滲法。計算公式：

式中：Q——日平均降雨入滲補給量，m3/d；

F——降雨入滲的面積，m2；

α——年平均降雨入滲系數(shù)；

X——年降雨量，m。

林業(yè)作為我國的重要資源，在我國的經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。林區(qū)的造林改造正在繼續(xù)進行。然而，在長期的改革過程中，除了上述造林成本不足和造林方法的不足之外，不可避免地會遇到一些困難。除了林區(qū)經(jīng)營管理不善外，樹種結(jié)構(gòu)比例失衡、地方資源利用不合理、分類不清等問題也不容忽視。此外，近年來我國沙塵暴、干旱、暴雨、水土流失等氣候災害的頻繁發(fā)生，對更新造林工作產(chǎn)生了很大影響，這就要求我們從提高更新造林的成本、改善更新造林入手。加強林區(qū)管理，分類經(jīng)營，加強育苗、育苗、灌漿。為了促進林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應充分利用當?shù)丨h(huán)境和資源的優(yōu)勢，合理利用資源，豐富知識，創(chuàng)新技術(shù)，轉(zhuǎn)變觀念。

計算結(jié)果見表1。

表1 大氣降雨入滲系數(shù)法涌水量估算表

（2）地下水動力學法。地下水動力學法采用裘布依公式法和古德曼經(jīng)驗式。

①采用裘布依公式法。計算公式：

式中：Q——涌水量，m3/d；

B——隧道穿過含水層中的長度，m；

K——含水巖層的滲透系數(shù)，m/d，取平均值；

H——含水層底板(隧道底板)至靜止水位高度，m，取平均值；

h——水位下降曲線在隧道邊墻上的高度；

R——影響半徑，m，取平均值；

②古德曼經(jīng)驗式。計算公式：

式中：Q——隧道最大涌水量，m3/d；

L——隧道穿過含水層中的長度，m；

K——含水巖層的滲透系數(shù)，m/d，取平均值；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m，取平均值；

d——洞身橫斷面等價圓直徑，m。

計算結(jié)果見表2。

表2 地下水動力學法涌水量估算表

三種方法預測的涌水量基本一致，但存在些許差異，原因在于：大氣降水以地表入滲為主進行計算，地表入滲系數(shù)較巖石滲透系數(shù)大，且降雨入滲計算結(jié)果為資源量，較地下水動力學法偏大。

3.1.2 隧道涌水影響分析

隧址區(qū)可能集中涌、突水災害主要位置為碳酸鹽巖段與輝長巖接觸帶、構(gòu)造破碎帶、物探推測巖溶裂隙發(fā)育帶、隧道上部暗河經(jīng)過地段及灰?guī)r自身未探測地段，所有涌突水均為巖溶裂隙或溶洞承壓水為主[4]。

巖溶水若處理不當，將給隧道工程帶來危害，由于巖溶水具有與一般水流不同的特點，巖溶發(fā)育不均一性，很難準確掌握其水量及變化規(guī)律。因此，在對巖溶水量的預測上寧大勿小，在排水建筑物的設(shè)計上，宜寧寬勿窄；在工程處理上，因地制宜，采用封堵為主，堵塞、疏導、排泄相結(jié)合等綜合工程措施，形成完整的防排水系統(tǒng)[5]。

3.2 巖溶對隧道的影響

隧道所在區(qū)域水文地質(zhì)條件整體較為復雜，含水層主要為灰?guī)r層，淺部巖溶發(fā)育強烈且十分不均，富水性中等—豐富，透水性普遍較好，深部（隧道及基圍巖）巖溶不發(fā)育，巖石較堅硬完整，所見裂隙多被方解石充填。

隧道入口端地下水整體向東及北東徑流，與北側(cè)的到洛地下河系統(tǒng)可能存在導水通道，隧道施工過程中應重視其影響，避免突水事故。線路中部牛塘一帶，巖溶發(fā)育強烈且不均，多地下河管道，該地下河系統(tǒng)所在巖溶含水層富水性好，補給面積大，含水量豐富，且設(shè)計隧道多處穿越其分支管道，施工過程中若造成隧道與管道的溝通，易形成大規(guī)模的突水，應引起重視。隧道出口端，地表巖溶發(fā)育強烈，見大量的溶穴和溶槽等，對隧道施工影響較大。

4 隧道建設(shè)對巖溶系統(tǒng)的影響

隧道開挖排泄地下水能夠引起巖溶地面塌陷，其原因在于：隧道開挖排泄地下水，改變水動力條件，降落漏斗范圍內(nèi)水力坡度突然增大，流速加快，對巖土體的浮托力降低，地下水流對原有洞穴、溶隙、裂隙中充填的土、碎石及破碎帶中巖屑等的潛蝕、沖蝕以及液化作用加劇，宜造成隧道突水、突泥、涌砂等危害[6]。

隧道址松散覆蓋層厚度0.50～2.05m，且不連續(xù)分布，多巖石裸露；地下水位埋深大，一般7.00～56.00 m，均在松散覆蓋層埋藏深度之下；地下水主要是淺層巖溶蝕槽，以管道流為主，隧道及其圍巖，溶洞和巖溶裂隙不發(fā)育，透水性等級為微透水。

因此，隧道開挖排泄地下水不易引起巖溶地面塌陷。

5 結(jié)論

（1）隧址區(qū)位于灰?guī)r區(qū)，石灰?guī)r溶洞發(fā)育，且具有復雜性、不均一性、隱蔽性和突發(fā)性的特點，同時其受斷裂構(gòu)造及巖溶發(fā)育等因素的影響，可能會產(chǎn)生突水、突泥、掉塊等施工安全問題。因此，應加強超前探水、對敏感點的變形監(jiān)測、對隧址區(qū)水點的水位水量進行監(jiān)測等方面工作，做好預警工作，信息化施工，并做好應急措施，確保施工安全。

（2）由于地下巖溶等特殊地質(zhì)條件，隧址區(qū)水文地質(zhì)存在著部分的不可預測性，建議在施工圖階段多種手段開展預報性勘察及技術(shù)設(shè)計，進行隧道動態(tài)設(shè)計和施工，同時，還應切實做好且有針對性地防止突發(fā)事件的方案預設(shè)計。