巖溶臺(tái)地高壓富水特長(zhǎng)隧道勘察的精細(xì)化探索

張鵬, 李振興， 駱偉， 馬德青， 潘曉東， 鄔遠(yuǎn)明

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 長(zhǎng)沙 410219； 2.中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410219; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所， 桂林 541004)

隨著中國(guó)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的推進(jìn)，高速公路建設(shè)場(chǎng)地正由地形地質(zhì)條件簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)為地形地質(zhì)復(fù)雜，地形地質(zhì)復(fù)雜場(chǎng)地不可避免地涉及到巖溶臺(tái)地。高速公路線路穿越巖溶臺(tái)地，多采用越嶺隧道形式。然而隧道穿越巖溶臺(tái)地時(shí)往往會(huì)面臨突水突泥風(fēng)險(xiǎn)[1-3]，從而增加施工難度及危害后期的運(yùn)營(yíng)安全。一方面高速公路建設(shè)轉(zhuǎn)向地形地質(zhì)條件復(fù)雜場(chǎng)地，勘察難度越來(lái)越大；另一方面由于勘察市場(chǎng)的萎縮造成競(jìng)爭(zhēng)加劇?？辈焓袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的觀念由原來(lái)的成果主義轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)力主義，故對(duì)于重大的、地質(zhì)條件復(fù)雜的項(xiàng)目，特別是巖溶臺(tái)地隧道，高精度的探測(cè)也由施工地質(zhì)預(yù)報(bào)階段部分地向勘察階段轉(zhuǎn)化，勘察精度就尤為重要。

由于巖溶的隱伏性，巖溶的地下形態(tài)、規(guī)律無(wú)法精確查清，在斷層-復(fù)式向斜復(fù)合構(gòu)造條件，巖溶及巖溶水特征更是復(fù)雜，需要精細(xì)化勘察進(jìn)一步的探索。巖溶隧道勘察方法手段主要有地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等，在施工階段還包括地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。目前，學(xué)者們針對(duì)巖溶隧道勘察方法手段開(kāi)展了大量研究，但都存在一定的不足。首先，學(xué)者們常針對(duì)某個(gè)方面或某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化的研究，如電磁波CT[4-5]、大地電磁測(cè)深法[6-7]、可控源音頻大地電磁法(controllable source audio frequency magnetotelluric method，CSAMT)[8-9]等物探方法在隧道勘察中的應(yīng)用,而隧道勘察是系統(tǒng)性的、綜合的，也正因?yàn)榭辈旆秶^(guò)于寬泛，往往對(duì)于勘察系統(tǒng)的精細(xì)化缺乏深入地研究；其次，眾多勘察方法手段的研究多集中在物探方法和預(yù)測(cè)方法，多反映在間接性的、帶有預(yù)測(cè)性的研究方向，如采用關(guān)聯(lián)函數(shù)與加權(quán)平均法[10]、復(fù)勢(shì)法和圓島模型[11]等方法進(jìn)行突水突泥預(yù)測(cè)，而對(duì)于能直接揭露地層關(guān)系的勘察手段研究甚少，如如何通過(guò)鉆探精確揭露隧道地層含水層和涌水量；再次，大量隧道勘察方面研究多集中在施工階段的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[12-14]，盡管對(duì)隧道施工起到最直接的作用，但對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和工程概預(yù)算是事后控制。

綜上，巖溶隧道應(yīng)在施工前進(jìn)行綜合的精細(xì)化勘察研究?；诖耍試?guó)家G59高速公路張家界—官莊段沅古坪隧道為研究對(duì)象，在研究鉆探精確揭露地層含水層的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期資料、地質(zhì)調(diào)繪、物探、評(píng)價(jià)方法等內(nèi)容的精細(xì)化研究，對(duì)巖溶臺(tái)地隧道勘察精細(xì)化進(jìn)行探索。

1 研究區(qū)工程背景

張家界—官莊高速公路屬于國(guó)家高速縱向主線呼和浩特—北海國(guó)家高速公路的一段，編號(hào)G59。起點(diǎn)位于張家界，連接已建的常張高速，終點(diǎn)位于官莊，連接在建的官莊—新化高速公路，主線長(zhǎng)82.3 km。橫跨湖南省西北部武陵山區(qū)，地形起伏大，地質(zhì)條件復(fù)雜。沅古坪特長(zhǎng)隧道為張家界—官莊高速中的控制性工程。隧道位于張家界永定區(qū)沅古坪鎮(zhèn)西北側(cè)，距張家界市14 km，距沅古坪鎮(zhèn)約2.5 km，分離式隧道，分左右兩洞，右洞全長(zhǎng)5 121 m，左洞全長(zhǎng)5 182 m，屬特長(zhǎng)隧道，縱坡8‰，最大埋深423 m。

隧道地層以碳酸鹽巖為主，穿越郭家界向斜，地形倒置，向斜成山，隧道區(qū)海拔高程一般605～923 m，隧道進(jìn)出口處沖溝海拔447～450 m，為巖溶臺(tái)地地貌，如圖1所示。隧址區(qū)控制性褶皺為郭家界向斜，并發(fā)育多個(gè)次級(jí)褶皺及斷裂，具有斷層-復(fù)式向斜復(fù)合構(gòu)造的顯著特征，向斜核部地段地下水豐富且壓力較大。所研究隧道為復(fù)式向斜盆狀構(gòu)造富水巖溶臺(tái)地特長(zhǎng)隧道。

圖1 沅古坪隧道地形地貌

2 精細(xì)化勘察思路

工程勘察的主要目的在于找出潛在工程地質(zhì)問(wèn)題，為規(guī)避和預(yù)防工程風(fēng)險(xiǎn)提供地質(zhì)依據(jù)。收集和分析區(qū)域地質(zhì)資料、前期勘察成果、前人研究成果及類似工程案例，找出主要的水文與工程地質(zhì)問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)繪和地球物理探測(cè)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建地質(zhì)模型，并采用有針對(duì)性的水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與測(cè)試及數(shù)值仿真等方法與手段，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、豐富與優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)資料、類似工程案例及研究成果的綜合分析，研究對(duì)象處于復(fù)式向斜巖溶臺(tái)地，其主要的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)問(wèn)題為復(fù)雜的巖溶體系及巖溶水特征，對(duì)應(yīng)的工程風(fēng)險(xiǎn)為高水壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響、突水突泥問(wèn)題，故勘察工作應(yīng)針對(duì)巖溶與地下水系統(tǒng)來(lái)展開(kāi)?？辈旃ぷ鲬?yīng)通過(guò)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與專家系統(tǒng)相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、解析法與數(shù)值模擬相結(jié)合等多維度勘察技術(shù)，宏觀到微觀層層推進(jìn)，最終精細(xì)刻畫研究對(duì)象的地質(zhì)條件。研究對(duì)象的勘察思路如圖2所示。

圖2 勘察技術(shù)路線圖

3 勘察精細(xì)化實(shí)施

3.1 前期資料分析精細(xì)化

勘察前需收集與項(xiàng)目相關(guān)的資料并進(jìn)行分析，如區(qū)域地質(zhì)資料、前期勘察成果、前人研究成果及類似工程案例等。

通過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)資料特別是區(qū)域水文地質(zhì)資料的分析，基本掌握?qǐng)龅氐孛差愋图疤卣?、挽近?gòu)造活動(dòng)、巖溶發(fā)育規(guī)律、巖溶水的排泄特征等。1∶10 000地形圖中多隱含大量地質(zhì)信息，特別是巖溶地質(zhì)信息，包括巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下水流向等。通過(guò)分析1∶10 000地形圖可盡可能多地獲取場(chǎng)地地質(zhì)信息。查閱文獻(xiàn)類比類似工程的地質(zhì)模型及巖溶成災(zāi)機(jī)制。收集周邊已施工的項(xiàng)目，了解實(shí)地巖溶發(fā)育規(guī)律、地下水的排泄規(guī)模等。

3.2 地質(zhì)調(diào)繪精細(xì)化

根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，確定地質(zhì)調(diào)繪的范圍為10 km×10 km，調(diào)查內(nèi)容主要包括研究區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶形態(tài)及分布情況、巖溶地下水及地下河的發(fā)育規(guī)律、發(fā)育特征、富水性特點(diǎn)及巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄條件。本次研究除采用常規(guī)的調(diào)查與走訪，還開(kāi)展了地下水示蹤試驗(yàn)、水化學(xué)分析、流量監(jiān)測(cè)及雨量監(jiān)測(cè)。

示蹤試驗(yàn)的目的在于查明地下水運(yùn)動(dòng)途徑、速度等水文地質(zhì)條件，了解地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給范圍、徑流特征、與相鄰系統(tǒng)的關(guān)系，確定分水嶺的位置，地下河系通的連通、延展與分布情況，調(diào)查地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系以及巖溶水的滲漏通道等。圖3為巖溶示蹤試驗(yàn)。圖4為地下水排泄口流量監(jiān)測(cè)。

圖3 巖溶示蹤試驗(yàn)

圖4 地下水排泄口流量監(jiān)測(cè)

根據(jù)S022泉水中熒光素鈉的濃度變化曲線可初步判斷巖溶通道較為順直通暢，如圖5所示。

圖5 熒光素鈉濃度變化曲線

流量監(jiān)測(cè)及雨量監(jiān)測(cè)的目的在于確定地下水對(duì)降雨的響應(yīng)關(guān)系、為構(gòu)建隧道所涉及地下水系統(tǒng)的地下水?dāng)?shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)隧道施工和運(yùn)行后對(duì)其周邊地下水的襲奪量并計(jì)算隧道的涌水量。

3.3 地球物理探測(cè)精細(xì)化

本研究隧道巖性主要為碳酸鹽巖，巖石的風(fēng)化程度和巖體強(qiáng)度不是研究的重點(diǎn)，而巖性差異、巖溶特征及構(gòu)造特征是本次研究的重點(diǎn)。故采用多種物探手段的綜合物探方法，包括CSAMT、地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法。

可控源音頻大地電磁作為貫通隧道的物探方法初步查明場(chǎng)地的地層巖性、巖溶發(fā)育特征和構(gòu)造特征所表現(xiàn)的異常區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)查明淺覆蓋巖溶區(qū)的異常帶，并與可控源音頻大地電磁成果相互驗(yàn)證，高密度電法為解決可探源音頻大地電磁法產(chǎn)生的淺部盲區(qū)的物理探測(cè)，作為可控源音頻大地電磁的一種補(bǔ)充。

根據(jù)研究隧道的特點(diǎn)，布置貫通的CSAMT測(cè)線，對(duì)隧道全線進(jìn)行控制和初步探測(cè)。結(jié)合探測(cè)成果和地質(zhì)調(diào)查成果分析，隧址區(qū)主向斜(郭家界向斜)核部區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，為加強(qiáng)對(duì)隧道強(qiáng)巖溶區(qū)段的控制，在此區(qū)段進(jìn)行加強(qiáng)物探，K16+790～K18+690段隧道右洞及K16+790～K18+690段左洞外側(cè)90 m處地表巖溶發(fā)育段分別布置可控源音頻大地電磁法物探測(cè)量。

因隧道洞身貫穿郭家界向斜蓄水構(gòu)造，受向斜蓄水構(gòu)造控制核部地下水富集形成富水區(qū)塊，預(yù)估涌水量大且發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)程度高，需進(jìn)一步開(kāi)展水文地質(zhì)勘察，弄清強(qiáng)巖溶帶位置，獲取涌水量評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的水文地質(zhì)參數(shù)。故在隧道核部強(qiáng)巖溶帶集中分布區(qū)采用高分辨率的地質(zhì)雷達(dá)法(25 MHz低頻探地雷達(dá)地球物理探測(cè))，布置于K16+780～K18+200段，以探測(cè)向斜軸部附近溶洞裂隙的展布情況，與可探源音頻大地電磁法及鉆探相互驗(yàn)證，進(jìn)一步分析突水突泥風(fēng)險(xiǎn)。工作量布置如圖6所示。

圖6 隧道工程地質(zhì)平面圖

3.4 地質(zhì)鉆探精細(xì)化

隧道工程地質(zhì)鉆探的目的主要是對(duì)異常的驗(yàn)證及推測(cè)地質(zhì)模型的查證。本次研究的目的主要是要驗(yàn)證各物探異常帶及查證大湖村段、郭家界向斜段含水層位置、厚度及水文地質(zhì)參數(shù)等。故本次研究的地質(zhì)鉆探采用工程地質(zhì)鉆探和水文地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方法。鉆孔工作量布置如表1所示。

表1 隧道鉆孔布置

工程地質(zhì)鉆探采用常規(guī)的繩索取芯鉆探方法，水文地質(zhì)鉆探采用空氣潛孔錘+孔內(nèi)電視復(fù)合法，通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣潛孔錘在水文地質(zhì)外鉆探過(guò)程中出水的流量的變化，來(lái)確定地下水含水層的厚度，快速準(zhǔn)確區(qū)分含水層與隔水層[15]。

由于空氣潛孔錘鉆探工藝采用空氣做為循環(huán)介質(zhì)，如吹出的是干粉可判斷是隔水層，吹出來(lái)的是水或泥漿則可判斷是含水層，如圖7所示，到第二個(gè)隔水層時(shí)，吹出水量則會(huì)保持不變，通過(guò)這個(gè)原理能識(shí)別含水層和隔水層的位置和厚度。

圖7 空氣潛孔錘水文鉆探

進(jìn)行鉆探前，在鉆孔附近開(kāi)挖水渠，并在鉆孔附近及水渠中鋪設(shè)防滲膜，盡可能使鉆井過(guò)程中噴出的地下水集中排泄到水渠中。在水渠下游設(shè)置三角堰板或矩形堰。在堰板上游安放在線監(jiān)測(cè)儀器記錄水位及電導(dǎo)率變化，記錄間隔時(shí)間10 s，安放時(shí)將檢測(cè)儀器探頭的底部與堰板的直角處保持在同一水平高度。如圖8所示。

①為鉆孔連接水渠；②為流量監(jiān)測(cè)裝置；③為三角堰或矩形堰；④為水渠；⑤為水位監(jiān)測(cè)探頭

連續(xù)監(jiān)測(cè)空氣潛孔錘施工吹出水量變化，繪制變化過(guò)程與施工深度關(guān)系曲線，結(jié)合孔內(nèi)電視成果，分析水文與工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲取更準(zhǔn)確豐富的水文地質(zhì)參數(shù)。

3.5 評(píng)價(jià)精細(xì)化

對(duì)于巖溶隧道來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的是突水突泥風(fēng)險(xiǎn)和涌水量預(yù)測(cè)。突水突泥風(fēng)險(xiǎn)和涌水量預(yù)測(cè)精細(xì)化的基礎(chǔ)為水文地質(zhì)條件的精細(xì)化，也就巖溶地下水系統(tǒng)劃分的精細(xì)化。

根據(jù)1∶10 000水文地質(zhì)詳勘對(duì)工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)等情況調(diào)查后確定的地質(zhì)界線和構(gòu)造線，結(jié)合地層含水性分析(手段：實(shí)測(cè)剖面、裂隙測(cè)量、巖溶點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、泉點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、水文地質(zhì)試驗(yàn)、水文地質(zhì)測(cè)井、鉆孔成像、地球物理探測(cè)等)評(píng)價(jià)確定的含水層與隔水層，確定地下水與地表水的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系，查清局部徑流系統(tǒng)的補(bǔ)給排泄條件，再根據(jù)斷裂的壓扭性質(zhì)調(diào)查判斷斷層的導(dǎo)水性及褶皺構(gòu)造調(diào)查確定褶皺區(qū)域富水條件。在以上成果基礎(chǔ)上，根據(jù)地表分水嶺、地層巖性、補(bǔ)排特征、構(gòu)造及地形等特征，對(duì)研究區(qū)域劃為不同的地下水系統(tǒng)，明確隧道所穿越的地下水系統(tǒng)。

通過(guò)隧道洞身揭露的區(qū)域巖溶層段、巖溶層段中的巖溶水系統(tǒng)及類型、隧道洞身所處巖溶水動(dòng)力分帶及隧道洞身巖溶及巖溶結(jié)構(gòu)面發(fā)育強(qiáng)度及空間位置的分析建議評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，采用層次分析法對(duì)隧道穿越的地下水系統(tǒng)進(jìn)行突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，劃分出高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級(jí)，為隧道設(shè)計(jì)與施工提供地質(zhì)依據(jù)。

隧道涌水量對(duì)不同地下水系統(tǒng)進(jìn)行分段預(yù)測(cè)，在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)(落水洞、巖溶裂隙和地下河發(fā)育)采用雨期洼地入滲系數(shù)法，巖溶發(fā)育相對(duì)較弱段采用大氣入滲系數(shù)法和徑流模數(shù)法，郭家界向斜核部采用靜儲(chǔ)量和雨期動(dòng)儲(chǔ)量法。

考慮到隧道區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)來(lái)校核解析法成果。數(shù)值模擬基于多孔等效介質(zhì)模型，采用RIVER和DRAIN模塊分別概化模擬巖溶管道水流和隧道排水過(guò)程。其中DRAIN模塊中隧道僅起排水作用，RIVER模塊允許巖溶管道水與周圍含水層水流交換，可以模擬巖溶地下河管道，使模擬結(jié)果更加精確。

4 成果分析

4.1 前期資料分析

經(jīng)過(guò)對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告[16]的分析，隧址區(qū)為低山臺(tái)地溶丘洼地地貌，按標(biāo)高可分為高、中、低臺(tái)地，3個(gè)臺(tái)地溶丘洼地分別以大湖村、柏楊坪村及峰火村為典型代表，3個(gè)臺(tái)地地面標(biāo)高分別為800～900、580～750、370～450 m。這3個(gè)臺(tái)地代表3個(gè)夷平面。區(qū)域挽近構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象以間歇的繼承性的掀斜運(yùn)動(dòng)為主，夷平面自北西向南東微微傾斜。巖溶受巖性、成層厚度影響具順層發(fā)育特征，受地質(zhì)構(gòu)造影響，皺褶核部較兩翼發(fā)育，張性構(gòu)造較壓(扭)性構(gòu)造發(fā)育，低級(jí)夷平面水平巖溶數(shù)量與規(guī)模超過(guò)高級(jí)夷平面。地下水的富集多富集在張性構(gòu)造中，巖溶管道多順直，且低級(jí)夷平面多為高級(jí)夷平面的排泄基準(zhǔn)面。

通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)隧址區(qū)的地表巖溶形態(tài)與規(guī)模，可初步分析出隧道涌水量和巖溶地下水的流向。

由圖9(a)可以看出，巖溶洼地，該巖溶洼地的儲(chǔ)水體積為18×104m3，消散時(shí)間為3 d，隧道穿越此洼地時(shí)，則可初步判斷該巖溶洼地在最不利工況下貢獻(xiàn)的隧道涌水量為6×104m3/d。由圖9(b)可以看出：地下水的排泄口和地下水入口，再結(jié)合地表巖溶，初步判斷地下水流向。

圖9 平面圖上的地質(zhì)信息

向斜核部排泄基準(zhǔn)面以下是否存在深部巖溶是關(guān)鍵，這關(guān)系到是否存在管狀高水頭壓力。根據(jù)張倬元等[17]對(duì)圓梁山隧道毛壩向斜深飽水帶特大型充填溶洞的形成及充填物成災(zāi)機(jī)制分析，認(rèn)為灰?guī)r巖體中的寬大縱張裂隙和層間滑脫空間形成了兩斷層間初始而且通暢的倒虹吸循環(huán)通道，兩斷層的地下水頭差，使地下水由源向匯流動(dòng)，形成了通暢的倒虹吸循環(huán)，最終形成深飽水帶的大型溶洞。該研究提示排泄基準(zhǔn)面以下也可能產(chǎn)生大型巖溶，需結(jié)合場(chǎng)地的實(shí)際情況根據(jù)巖溶產(chǎn)生的四要素進(jìn)行分析。大量實(shí)例表明，巖溶隧道最主要的問(wèn)題就是突水突泥問(wèn)題[18-19]。

4.2 地質(zhì)調(diào)繪成果分析

通過(guò)詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)繪，基本查明地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育規(guī)律、巖溶地下水系統(tǒng)等水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，構(gòu)建了水文地質(zhì)與工程地質(zhì)概化模型。

隧址區(qū)共發(fā)育7條斷層和8條褶皺，斷層由F35控制，其余6條斷層均為F35的次生構(gòu)造，褶皺由f23郭家界向斜控制，和其余7條褶皺組成復(fù)式向斜，各種構(gòu)造形成了斷層-復(fù)式向斜復(fù)合構(gòu)造，如表2、圖10所示。

圖10 隧道縱斷面圖

表2 隧道區(qū)域褶皺統(tǒng)計(jì)

地表巖溶呈多尺度、多樣化發(fā)育，溶隙、溶縫、溶槽、巖溶漏斗、落水洞、天窗、豎井、溶蝕洼地、巖溶槽谷及不同巖溶形態(tài)的復(fù)合發(fā)育等。地下巖溶以溶孔、裂隙管道型溶洞和地下河管道為主，具有顯著密集性、不均勻性及差異化發(fā)育特征。

巖溶生成條件常與一定構(gòu)造線有關(guān)，多沿層面、節(jié)理裂隙、褶皺及斷層所形成的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，形態(tài)多呈呈裂縫狀，洞高遠(yuǎn)大于洞底寬度，洞頂板呈“∧”形，溶洞廊道平直，少有較大洞室或廳堂。根據(jù)對(duì)隧道左側(cè)2 km處的相同地質(zhì)條件下的洞灣引水隧道的調(diào)查，揭露出地下巖溶的形態(tài)、規(guī)模和水平方向的線巖溶率，如表3所示?？梢钥闯?，在尚未發(fā)現(xiàn)明顯地表巖溶的地段的水平線巖溶率可達(dá)11%，可做為隧道水平線巖溶率的依據(jù)之一。

表3 隧道區(qū)域斷層統(tǒng)計(jì)

根據(jù)地表分水嶺、地層巖性、補(bǔ)排特征、構(gòu)造及地形等特征，將研究區(qū)域共劃為17個(gè)地下水系統(tǒng)，隧道穿越9個(gè)地下水系統(tǒng)，如圖11所示。

圖11 隧道區(qū)巖溶水系統(tǒng)分區(qū)圖

4.3 地球物理探測(cè)成果分析

本次洞身采用的物探為CSAMT和地質(zhì)雷達(dá)兩種方法，物探成果如圖12、圖13所示。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查和鉆探也充分地驗(yàn)證異常帶，如表4所示。

表4 物探異常驗(yàn)證一覽表

圖12 隧道可控源音頻大地電磁成果

圖13 隧道地質(zhì)雷達(dá)成果

4.4 地質(zhì)鉆探成果分析

地質(zhì)鉆探主要目的是驗(yàn)證各物探異常帶及查證水文地質(zhì)參數(shù)等目的。工程地質(zhì)鉆探在表5中已對(duì)物探異常驗(yàn)證進(jìn)行說(shuō)明，不再贅述。就水文地質(zhì)鉆孔ZK02為例進(jìn)行說(shuō)明。ZK02位于大湖村，鉆孔直徑Φ=168 mm，隧道K15+480標(biāo)段處，鉆孔高程為807 m。鉆孔實(shí)施深度為315 m，揭露地層為探溪組(C—3-4t)的泥質(zhì)條帶灰?guī)r。潛孔錘流量監(jiān)測(cè)變化曲線如圖14所示。

圖14 ZK2鉆孔涌水量監(jiān)測(cè)成果

表5 洞灣引水洞巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)

可以看出，該鉆孔第四系約為5 m，在鉆進(jìn)過(guò)程中5～102 m段無(wú)水吹出，在102 m以下鉆進(jìn)過(guò)程中，逐漸有水吹出，據(jù)流量監(jiān)測(cè)顯示，在102～132 m，吹出水量緩慢上升，出水量最終穩(wěn)定在2.55 L/s，因此判斷該段為含水段1。在132～158 m處，吹出水量保持不變，判斷該段為隔水段1。隨后，在158～165 m處吹出水量又逐漸上升，最終穩(wěn)定在4.7 L/s，判斷該段為含水段2。在165～189 m處，吹出水量無(wú)變化，判斷該段為隔水段2。在189～211 m處，吹出水量又出現(xiàn)了緩慢上升，并最終穩(wěn)定在6.2 L/s，判斷該段為含水段3。此后，在鉆進(jìn)過(guò)程中吹出水量基本保持不變，判斷在211～315 m均為隔水層。

綜合來(lái)看，鉆孔ZK02一共揭露了3個(gè)含水段，分別為102～132、158～165、189～211 m，如圖15所示。在這三段單獨(dú)吹出水量分別為2.55、2.15、1.5 L/s，最終的靜止水位為22.4 m，最終表現(xiàn)地下水高程為784.6 m，隧道承載的管狀水頭為286 m。流量變化曲線全程均出現(xiàn)鋸齒狀變化，結(jié)合施工過(guò)程發(fā)現(xiàn)，潛孔錘吹出地表碎石部分為非飽水狀態(tài)，吹出地表后吸收部分水量導(dǎo)致流量減小，尤其是開(kāi)始揭露含水段時(shí)三角堰測(cè)定流量變幅最為明顯。

圖15 ZK2鉆孔揭露的溶蝕裂縫

4.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本研究的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要包括隧道涌水量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。涌水量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)包括解析法和數(shù)值法。突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用層次分析法。涌水量預(yù)測(cè)考慮枯水季節(jié)、50、100、150 mm降雨量不同工況進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)解析法計(jì)算，隧道在枯水期的涌水量經(jīng)評(píng)估為5.802×104m3/d，日降雨量為50、100、150 mm時(shí)涌水量分別為12.59×104、19.76×104、26.93×104m3/d，其中靜儲(chǔ)量為5.4×104m3/d，具體成果如表6所示。

表6 隧道分段涌水量計(jì)算結(jié)果

通過(guò)模型模擬運(yùn)算，得到多年平均降水條件下一個(gè)水文年(12個(gè)月)的隧道涌水量，預(yù)測(cè)涌水量一月最小，為4.43×104m3/d；5月最大，涌水量為14.6×104m3/d。模擬預(yù)測(cè)日降雨量為50、100、150 mm情況下，涌水量分別為18.84×104、24.49×104、30.41×104m3/d。

兩種方法計(jì)算的總體趨勢(shì)是一致的，考慮到數(shù)值模擬模型的簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算的影響以及解析法結(jié)合了大量工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，最終按解析法取值。

突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估利用層級(jí)分析法對(duì)隧道穿越的9個(gè)地下水系統(tǒng)對(duì)隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表7所示。

表7 隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

存在高風(fēng)險(xiǎn)的為大湖村巖溶泉系統(tǒng)(Ⅰ2-1-1)在隧道K14+660～K15+660里程段和柏楊坪巖溶地下河系統(tǒng)(Ⅰ2-1- 4)在隧道的K17+490～K18+360里程段。其中，K14+660～K15+660里程段高風(fēng)險(xiǎn)為高水頭導(dǎo)致，K17+490～K18+360高風(fēng)險(xiǎn)則主要由向斜蓄水構(gòu)造導(dǎo)致地下水儲(chǔ)量豐富引起的。

5 結(jié)論

以G59呼北高速?gòu)埣医缰凉偾f段沅古坪隧道為研究對(duì)象，為查明隧道水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，在水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測(cè)、地質(zhì)鉆探及工程評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了精細(xì)化勘察的探索，得出如下結(jié)論。

(1)巖溶臺(tái)地高壓富水特長(zhǎng)隧道精細(xì)化勘察應(yīng)在收集和分析區(qū)域地質(zhì)資料、前期勘察成果、前人研究成果及類似工程案例的基礎(chǔ)上，找出主要的水文與工程地質(zhì)問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)繪和地球物理探測(cè)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建地質(zhì)模型，并采用有針對(duì)性的水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與測(cè)試及數(shù)值仿真等方法與手段，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、豐富與優(yōu)化。這種勘察技術(shù)思路具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

(2)巖溶隧道主要的問(wèn)題是水文地質(zhì)問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)研究，特別是要根據(jù)地表分水嶺、地層巖性、補(bǔ)排特征、構(gòu)造及地形等特征劃分地下水系統(tǒng)，共劃為17個(gè)地下水系統(tǒng)，隧道穿越9個(gè)地下水系統(tǒng)，以便進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)及突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

(3)采用CSAMT進(jìn)行物理探測(cè)普查和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行精查相合的綜合物探方法，揭示出研究區(qū)地質(zhì)體的異常，地質(zhì)調(diào)查與鉆探驗(yàn)證異常符合性良好。

(4)常規(guī)的水文地質(zhì)鉆探難以精確刻畫水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用空氣潛孔錘-孔內(nèi)電視復(fù)合方法查清了大湖村段水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，共揭露了3個(gè)含水段，分別為102～132、158～165、189～211 m，在這三段單獨(dú)吹出水量分別為2.55、2.15、1.5 L/s，最終的靜止水位為22.4 m，最終表現(xiàn)地下水高程為784.6 m，隧道承載的管狀水頭為286 m。

(5)涌水量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)包括解析法和數(shù)值法，考慮枯水季節(jié)、50、100、150 mm降雨量不同工況進(jìn)行計(jì)算，最終按解析法150 mm降雨量工況的26.93×104m3/d涌水量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(6)對(duì)9個(gè)巖溶地下水系統(tǒng)采用層次分析法進(jìn)行突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，高風(fēng)險(xiǎn)主要高水頭及向斜蓄水構(gòu)造富水造成的，分布在大湖村巖溶泉系統(tǒng)地下水系統(tǒng)及柏楊坪巖溶地下河系統(tǒng)。