青山隧道涌水成因分析及處治措施研究

朱 峰

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

仁遵高速公路是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》(2013年-2030年)中G42滬蓉高速的聯(lián)絡(luò)線G4215成都至遵義聯(lián)絡(luò)線的組成部分，是《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(加密規(guī)劃)》基礎(chǔ)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線。

項(xiàng)目建成后對促進(jìn)貴州省北部地區(qū)旅游業(yè)的開發(fā)，提升遵義地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的總體水平，實(shí)現(xiàn)全省決戰(zhàn)脫貧攻堅(jiān)、決勝同步小康具有重大意義。

1 工程概況

青山隧道地處貴州省遵義市紅花崗區(qū)巷口鎮(zhèn)沙坪村附近，全長2427.2m，為分離式隧道。該隧道圍巖主要以粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化白云巖為主，青山隧道遵義端根據(jù)巷口立交需要將青山隧道右線遵義段洞口段加寬為四車道隧道斷面，該隧道系貴州省內(nèi)單洞四車道斷面最大的公路隧道。該區(qū)段地質(zhì)較差且存在一定的淺埋、偏壓影響，圍巖和臨時開挖邊坡整體穩(wěn)定性差，成洞困難，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。且隧道工區(qū)內(nèi)巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，導(dǎo)致隧道巖溶問題突出。

K53+140～K53+420段為Ⅳ級圍巖，采用CD法施工，K53+172～K53+154段右側(cè)導(dǎo)洞施工過程中連續(xù)在拱頂區(qū)域出現(xiàn)溶洞，并在K53+169處出現(xiàn)塌方冒頂，地表出現(xiàn)直徑約20m的圓形塌坑。隧道左側(cè)上臺階導(dǎo)洞施工至K53+152處時，左側(cè)拱腳出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，左側(cè)導(dǎo)洞下臺階施工至K53+152處時，左側(cè)側(cè)壁揭露出一處溶洞。2021年1月-6月，該溶洞多次出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量較大，需對該溶洞進(jìn)行專項(xiàng)的水文調(diào)查并制定相應(yīng)的處置措施。

圖1 冒頂處地表塌坑平面位置圖

2 巖溶水文地質(zhì)調(diào)查

2.1 巖溶調(diào)查

區(qū)內(nèi)巖溶地層主要為二疊系中統(tǒng)西霞茅口組(P2q+m)、上統(tǒng)龍?zhí)?長興組(P3l+c)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥質(zhì)灰?guī)r，其中P2q+m、P3l+c地層在隧道區(qū)內(nèi)分布較廣，巖溶較為發(fā)育[1]。

調(diào)查區(qū)內(nèi)主要發(fā)育青崗山-六井溝地下河系統(tǒng)、沙溝灣東部-天生橋地下河系統(tǒng)，其中僅青崗山-六井溝地下河系統(tǒng)經(jīng)過隧址段。青山隧道出口段(ZK52+700～K53+300)處于青崗山-六井溝地下河系統(tǒng)內(nèi)，該處巖溶管道對隧道施工具有一定影響。

2.2 水文調(diào)查

2.2.1地下水含水(透水)巖組的劃分

根據(jù)工作區(qū)內(nèi)各巖組地層巖性、巖石組合關(guān)系及其含水性和富水性之不同，劃分為松散巖類弱含水巖組、碎肩巖類裂隙含水巖組、碳酸鹽巖巖溶含水巖組三大水文地質(zhì)巖組。

2.2.2地下水類型

根據(jù)本區(qū)含水層介質(zhì)性質(zhì)，將地下水分為碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水兩大類型；根據(jù)地層巖性及其組合特征，巖溶水又可以分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水和碎肩巖夾碳酸鹽巖溶裂隙溶洞水等兩種類型。從分布面積以及出露水點(diǎn)的總數(shù)來看，巖溶水是本區(qū)最為重要的地下水類型，基巖裂隙水分布雖較廣，但出露泉點(diǎn)較少，流量亦均較小。此外，尚有分布零星的第四系松散堆積孔隙水，因面積小，對隧道影響較小，未單獨(dú)劃分。

2.2.3地下水補(bǔ)、徑、排特征分析

(1)地下水補(bǔ)給

巖溶水主要由大氣降水補(bǔ)給。在盲谷地段，地表水則轉(zhuǎn)化為地下水。大氣降水補(bǔ)給地下水的多少取決于如下諸因素：

①巖溶發(fā)育程度：大氣降水入滲地下補(bǔ)給地下水是通過巖體內(nèi)的洞隙來實(shí)現(xiàn)的，垂向或斜向巖溶洞隙越發(fā)育、規(guī)模越大，則降雨入滲量占其降雨總量的百分比就越大，反之則小。

②斷裂構(gòu)造發(fā)育程度：斷層和裂隙破壞了巖體的完整性，特別是當(dāng)斷層規(guī)模較大、破碎帶較寬、構(gòu)造巖膠結(jié)程度差的張性斷裂，其間的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面便成為降雨入滲的通道。

③植被發(fā)育程度:在有植被或植被茂密的地段，降水易形成地表水的滯流局面，從而延長入滲補(bǔ)給時間，入滲水量也就隨之增大。相反，降水便很快順坡面流失至蒸發(fā)掉。

其次，地下水另一補(bǔ)給源是匯集而來的地表河水。主要表現(xiàn)在地表水突然灌注于盲谷末端或盲谷內(nèi)的落水洞中變成地下水或伏流。并且多數(shù)地表水還包含了來自巖溶區(qū)的外源水。

地下水的越層補(bǔ)給方式主要存在某些斷裂和巖溶管道中地下水侵蝕能力強(qiáng)的地段，致使相對較薄的隔水層不起作用而不同含水層的地下水發(fā)生越層補(bǔ)給。

(2)地下水徑流

巖溶地下水徑流場結(jié)構(gòu)、徑流途徑都較復(fù)雜。主要受巖溶發(fā)育程度、可溶巖與非可溶巖組含水關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造、水文網(wǎng)切割及水動力模式等因子控制。

受巖溶發(fā)育程度差異性的控制，巖溶水徑流網(wǎng)絡(luò)可分兩種形式：

①以巖溶管道流為主的徑流型式。巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的結(jié)果，在巖體內(nèi)形成了各大小不一的巖溶管道，有單管道系統(tǒng)，也有樹枝狀管道系統(tǒng)。流域內(nèi)地下水的大部分都是集中在這些巖溶管道中賦存并徑流的。它們控制著地下水的總體空間分布與流向。域內(nèi)各地下河系統(tǒng)即屬這一類型。

②以巖溶裂隙流為主的徑流型式。在巖溶發(fā)育相對較弱的巖體內(nèi)，僅有溶隙(包括構(gòu)造裂隙、層間裂隙、風(fēng)化裂隙)網(wǎng)絡(luò)形成。地下水則在這些空間相對狹小的溶隙內(nèi)賦存與徑流。它們有的與地下河管道構(gòu)通，成為枯季地下河水的補(bǔ)給源，有的則直接以溶洞泉或表層巖溶帶巖溶泉泄出地表。

(3)排泄特征

區(qū)內(nèi)巖溶地下水的排泄方式主要以地下河出口集中排泄為主，其次為分散排泄。

①地下河出口集中排泄：其特點(diǎn)是地層產(chǎn)狀較為平緩，地表溶蝕劇烈，以發(fā)育巖溶管道水為主，具有排泄迅速、流量大、動態(tài)極不穩(wěn)定的特點(diǎn)。

②分散排泄:主要分布在表層溶蝕裂隙發(fā)育部位。大氣降水通過地表巖溶形態(tài)滲入地下，地下無統(tǒng)一的流向，泉水的出露與地形條件關(guān)系密切，具有分散補(bǔ)給、分散徑流的特征。以溶隙為主，巖溶泉零星分布，泉流量一般較小，季節(jié)性變化明顯，在枯季或干旱時易斷流。

2.2.4巖溶水系統(tǒng)

巖溶水系統(tǒng)是指有水力聯(lián)系的、具有獨(dú)立的巖溶水補(bǔ)徑排關(guān)系的巖溶地質(zhì)體及賦存于其內(nèi)的巖溶水所構(gòu)成的有機(jī)整體。

本區(qū)氣候濕潤，雨量充沛，大氣降水及地表水為地下水補(bǔ)給的主要來源，巖溶區(qū)以裸露型為主，地表巖溶形態(tài)十分發(fā)育，降水及地面徑流通過地表大量的負(fù)地形如落水洞、洼地、天窗、溶縫、溶溝、溶槽等，滲入巖溶管道和裂隙之中轉(zhuǎn)化為巖溶地下水，在巖溶含水介質(zhì)中徑流，受當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面的影響，最后以地下河和巖溶泉的形式集中排泄于泥橋河。巖溶水的分布受地層巖性、地形地貌、構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度、水文氣候、土壤、植被等多種因素的影響。

根據(jù)研究區(qū)的巖溶水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析，巖溶地下水系統(tǒng)的空間分布主要受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造共同控制，主要表現(xiàn)在：巖溶水系統(tǒng)的空間總體展布是受北東向展布的松林—巖孔背斜、龍井坡(F2)斷層的控制，整體可劃為天生橋地下河系統(tǒng)、六井溝地下河系統(tǒng)。

六井溝地下河系統(tǒng)位于調(diào)查區(qū)中部，順層發(fā)育于三疊系下統(tǒng)夜朗組一二段灰?guī)r地層，出口位于巷口鎮(zhèn)六井溝，呈裂隙狀溶洞，高程908m。地下河主管道長約1.0km，地下河總體延展方向?yàn)?0°。

六井溝地下河系統(tǒng)是單管道型地下河系統(tǒng)，該地下河系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，以一條北東偏東向的主管道為主，以洼地降水匯入補(bǔ)給和落水洞灌入補(bǔ)給為主。地下河主管道由西南向東北徑流，匯集青崗山一帶的地表徑流，經(jīng)洼地(QS18、QS21)以及塌陷坑(QS17)補(bǔ)給，于巷口鎮(zhèn)六井溝出水溶洞(QS03)出露，形成地表徑流，最后匯入泥橋河，注入湘江。

本地下河與隧道有密切的水力聯(lián)系，是隧道形成涌水的重要條件之一。

六井溝地下河管道與隧道關(guān)系剖面圖見圖2。

圖2 六井溝地下河管道與隧道關(guān)系剖面圖

3 成因分析

3.1 示蹤實(shí)驗(yàn)

根據(jù)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查，六井溝地下河系統(tǒng)具有示蹤試驗(yàn)投放、接收點(diǎn)條件分析如下：

六井溝地下河系統(tǒng)青崗山一帶，發(fā)育兩個洼地，消水洞(QS18、QS21)未見明顯消水口，為了摸清該區(qū)與六井溝地下河的水力聯(lián)系，同時確定系統(tǒng)南部邊界，由于QS21雨期也未見地表徑流，故只選取QS18消水洞作為示蹤投放點(diǎn)，并于降雨時進(jìn)行投放示蹤劑(2021年6月30日)。

另隧道上方有一塌陷坑，本塌陷坑(QS17)位于隧道右線右側(cè)上方(K53+160附近)，為進(jìn)一步證明塌陷坑與隧道的聯(lián)系，摸清該點(diǎn)與六井溝地下河出口之間的水力聯(lián)系，選取QS17作為示蹤試驗(yàn)的投放點(diǎn)，枯水期無水流入，并于降雨時進(jìn)行(2021年6月30日)。

同時，為了掌握隧道上方的洼地及塌陷坑與隧道的水力聯(lián)系，選取隧道涌水點(diǎn)(YK53+152)為示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)。

(1)示蹤試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)情況見表1。

(2)示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)監(jiān)測方法

表1 試驗(yàn)情況表

熒光光度計(jì)FL30-662型自動監(jiān)測。

(3)示蹤試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，在塌陷坑(QS17)處投放熒光素鈉，在隧道涌水點(diǎn)(K53+152處)接收到，呈較好的曲線，由于投放點(diǎn)至接收點(diǎn)徑流路徑較短，故峰值更為明顯。由圖可知，QS17處投放熒光素鈉(2021年7月1日10時至16時降雨21.2mm，示蹤劑隨地表徑流進(jìn)入塌陷坑)約36h后，隧道K53+152處就有明顯的接收值，按照投放點(diǎn)至接收點(diǎn)間距離0.1km為計(jì)，地下水在該段地下河管道中徑流速度277.8m/h。

隧道涌水點(diǎn)(K53+152處)有著良好的穿透曲線，表明隧道涌水點(diǎn)與地表塌陷坑彼此連通。

同樣由圖3可知，在消水洞(QS18)處投放的羅丹明B在K53+152處未接收到，呈水平線。其原因是投放點(diǎn)位于左線上方，而接收點(diǎn)則處于右線右側(cè)。從地下水流方向看，地下水從右線流向左線，因

圖3 K53+152處接收點(diǎn)示蹤結(jié)果

此投放點(diǎn)處于地下水系統(tǒng)下游，在涌水點(diǎn)接收不到示蹤劑是必然的結(jié)果。

3.2 涌水分析

3.2.1涌水來源

通過隧道涌水點(diǎn)及地表調(diào)查有以下認(rèn)識：

(1)涌水點(diǎn)處的溶洞向出口端斜向下發(fā)育，受地層巖性組合控制。

(2)涌水點(diǎn)處溶洞具有沉積韻律的塑性淤泥充填物，為長時間沉積所致。

(3)涌水點(diǎn)處溶洞底部沉積有黃色淤泥和褐色細(xì)砂，為地表水帶入。

(4)涌水點(diǎn)上游區(qū)域?yàn)榍鄭徤健疁蠋r溶水系統(tǒng)的主要補(bǔ)給區(qū)。

(5)巖溶水系統(tǒng)地下水運(yùn)移緩慢，局部管道淤堵狹窄。

(6)煤礦采空區(qū)形成的“積水廊道”是隧道間歇性涌水的來源之一。

綜上所述，涌水點(diǎn)上游區(qū)域?yàn)榍鄭徤健疁蠋r溶水系統(tǒng)的主要補(bǔ)給區(qū)，隧道涌水來源主要為青崗山一帶洼地匯集強(qiáng)降雨形成的地表徑流。特別是棄渣土場的塌陷坑及洼地，水文地質(zhì)試驗(yàn)(示蹤試驗(yàn))已證明這一論斷。

3.2.2涌水量估算

本隧道段(K52+970～K53+150段)主要穿越三疊系下統(tǒng)夜郎組中下段地層，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥巖，屬區(qū)域性弱巖溶層段，且該隧道段發(fā)育的巖溶管道與隧道立交，隧道處于季節(jié)變動帶。強(qiáng)降雨時，涌水點(diǎn)K53+152附近會發(fā)生季節(jié)性有壓溶洞、溶隙涌水。雨季一個強(qiáng)降雨過程(24h降水221mm時)引起的涌水量可達(dá)0.99×104m3/d，約為115L/s;涌水部位外水最大壓力約為40m,約為0.39MPa。

3.2.3沉沙情況分析

流水機(jī)械搬運(yùn)能力(M)與流速(V)密切相關(guān)。沉積物顆粒的大小也與流速關(guān)系密切，詳見圖4。

圖4 沉積顆粒物大小與流速的關(guān)系曲線

當(dāng)?shù)叵滤\(yùn)移速度小于0.5m/s時，地下水可以攜帶顆粒直徑小于0.2cm的粗砂、細(xì)砂、粘土。

該區(qū)地表徑流主要以入滲式補(bǔ)給地下水，一般情況下，地表水不會攜帶泥沙進(jìn)入地下水，僅以渾濁狀態(tài)進(jìn)入地下，涌入隧道后不會形成沉積物。然而，塌陷坑為人工松散堆積物，若封堵不利時，地表水通過塌陷坑會帶入大量的粘土和砂涌入隧道，當(dāng)排水溝流速低于0.5m/s時，將會沉積粒徑大于0.2cm的粗砂。

目前，除隧道涌水口處沉積少量粒徑0.1cm左右的砂和粘土，其它排水通道未見明顯沉積物。

4 處治方案

(1)溶洞位于四車道斷面行車方向右側(cè)范圍，既有排水溝設(shè)計(jì)情況為右側(cè)排水溝85cm×65cm，中心排水溝85cm×120cm，隧道縱坡1.95%，向隧道出口方向排出。經(jīng)計(jì)算右側(cè)排水溝排水能力約為2.4m3/s，中心排水溝排水能力約為5m3/s，合計(jì)約7.4m3/s，大于水文勘察提供的峰值用水量0.115m3/s，因此采用橫溝(60cm×100cm，無壓排水能力約5.2m3/s)將涌水點(diǎn)與右側(cè)排水溝及中心水溝聯(lián)通，保證涌水高峰期地下水能夠順利進(jìn)入溝中排泄[2]。處治方案示意圖見圖5。

(2)溶洞內(nèi)清淤后采用C20混凝土回填，自溶洞底部向上逐層回填，回填高度3m，回填混凝土上方吹填1m厚沙土。預(yù)留管道與涌水點(diǎn)聯(lián)通，并保證通道暢通[3]。

(3)對地表?xiàng)壨翀銮闆r進(jìn)行調(diào)查，對隧道上方圓形塌坑回填封堵，對地表可能存在的洼地采用黏土回填，使地表具有自然排水的能力，減少地表水滲入地下。

圖5 處治方案示意圖

(4)針對涌水含泥沙現(xiàn)象，經(jīng)理論計(jì)算，當(dāng)水流速度接近0.5m/s時即可保證不出現(xiàn)沉沙現(xiàn)象，對于涌水末期水流速度下降產(chǎn)生的沉沙，可通過排水溝內(nèi)常規(guī)流水沖排，對于較大顆粒的沉積物亦可隨下次涌水的水流峰值期排除。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)場歷次涌水后均未對排水管道進(jìn)行清淤，管內(nèi)沉積物厚度較薄，說明沉沙問題可以通過常規(guī)流水和涌水自行清除。

5 結(jié)語

在實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，有針對性地對溶洞及涌水現(xiàn)象進(jìn)行處治，采用“防、排”為主，“堵、截”輔助的思路。并應(yīng)對涌水產(chǎn)生的原因進(jìn)行系統(tǒng)性的調(diào)查，從源頭上治理。本項(xiàng)目通過對隧道上方塌腔填充和洞內(nèi)將出水口與排水系統(tǒng)聯(lián)通的兩種措施，有效地處理了溶洞涌水的現(xiàn)象，處治后，隧道內(nèi)未再出現(xiàn)涌水情況。