地下工程排水對背斜區(qū)地下水環(huán)境的影響

盧鵬飛，李善濤，王 輝，劉 軼

（1.重慶市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401122；2.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401113）

1 明月峽背斜工程特征

1.1 背斜基本特征

明月峽背斜為四川盆地東部的華鎣山穹褶束形成的隔斷式背斜，為條帶狀山脈，背斜軸部出露碳酸鹽巖的地層，形成與山脈走向一致的巖溶槽谷，兩側為砂巖構成的單斜山，呈“一山二嶺一槽”。如圖1所示，明月峽背斜走向總體呈北東向，軸向北25°～30°東，軸面傾向東南，核部轉(zhuǎn)折端較窄，核部出露最老地層為二疊系茅口組，兩翼地層為三疊系—侏羅系地層，東翼巖層傾角為35°～45°，西翼巖層傾角為40°～69°，為一不對稱斜歪背斜。

圖1 明月峽背斜地質(zhì)剖面及可溶巖體系示意圖

1.2 明月峽背斜水文地質(zhì)特征

明月峽背斜槽谷屬峽谷型排水系統(tǒng)，主要以御臨河和長江為排泄基準面劃分為四個巖溶水含水單元，長江以北區(qū)域巖溶含水系統(tǒng)水平循環(huán)帶標高為180～500m，500m以上為垂向洞隙帶，標高180m以下為深循環(huán)帶[1-4]。明月峽背斜軸部長江南岸主要為覆蓋型巖溶區(qū)、長江北岸屬裸露型巖溶區(qū)[5-8]。

2 地下工程排水對背斜區(qū)地下水環(huán)境的影響

在明月山背斜儲水構造部位的三疊系飛仙關組—須家河組等高壓富水巖層開挖地下工程，水文地質(zhì)條件復雜，在掘進過程中破壞地下水的儲存場所及運移通道，形成地下水排出的新通道，易引發(fā)隧道涌突水、突泥災害。地下工程排水直接導致原有地下水動力場被改變和大量地下水流失，并對工程施工和隧址區(qū)地表生態(tài)環(huán)境及居民生產(chǎn)生活飲水困難和地面塌陷等地質(zhì)災害，引起房屋土地損毀等[9-13]。

此外，明月峽背斜區(qū)的木洞隧道、明月山公路隧道及華山隧道等工程建成后，隧址區(qū)尤其是隧道頂部槽谷區(qū)堰塘干涸、井泉斷流，煤洞水流量急劇減小，居民生產(chǎn)生活用水受到隧道排水的嚴重影響。

2.1 地下水位疏降

地下工程建設造成了地下水的大量漏失，引起區(qū)域地下水原有的動態(tài)平衡被破壞，形成以地下工程部位為中心的地下水降落漏斗，引起疏干區(qū)地表水體的枯竭、水質(zhì)下降，甚至地表塌陷等現(xiàn)象。

（1）地下工程對地下水的疏干機理。地下工程開挖中經(jīng)常采取以排為主的處理方式，人類工程活動破壞了含水層的連續(xù)性，地下水不斷滲入地下工程中并以其為中心形成新的降落漏斗，大量地下水通過地下工程進入地表水循環(huán)。當?shù)叵露词遗潘谕ㄟ^導水裂隙與巖溶管道連通時，降落漏斗通過巖溶管道擴張的規(guī)模和速度尤為驚人。

（2）地下工程對地下水的疏降程度及范圍。明月峽背斜區(qū)碳酸鹽巖地層地下水降落漏斗范圍已擴至須家河組的碎屑巖區(qū)域，受河谷切割和隧道排水的影響，漏斗形態(tài)較為低平，在碳酸鹽地區(qū)地下水位埋藏較深，一般大于50m，在漏斗中心區(qū)新黃家灣隧道或長沖隧道附近，水位埋深可達200～300m。

2.2 地表水漏失

因地下工程建設，目前在明月山隧道、長沖隧道隧址區(qū)巖溶槽谷的地表水體都遭到嚴重疏干影響，給當?shù)厝罕婏嬘盟畮磔^大困難。在明月山隧道貫通后一個月內(nèi)，關山附近大、小數(shù)十眼泉水溢出點干涸或衰竭，特別是分布在山體高坡流淌數(shù)千年知名度很高的“神泉”在幾日內(nèi)消失，社會影響強烈。背斜區(qū)的小煤窯多數(shù)基本斷流，僅有西翼的分水埡煤礦、芭蕉灣煤礦和東翼的菜子溝煤礦、向陽煤礦、棟青煤礦還有少量出水。

2.3 巖溶塌陷

（1）地面塌陷分布情況。由于地下工程建設開挖，導致地下水水位下降，造成原有區(qū)域內(nèi)地下水位大量下降，上覆土體失去地下水的浮托力或承壓水壓力消失，從而在地表形成塌陷。在明月峽背斜區(qū)域地面塌陷的分布一般沿槽谷、洼地的走向延伸，與地質(zhì)構造和巖層走向一致，與區(qū)內(nèi)巖溶地下水關系密切。

（2）地面塌陷對人居環(huán)境的破壞。由于隧道及礦井等地下工程建設中的大量排水，到2013年長沖隧道、華山隧道、新屋基隧道和天池隧道洞頂?shù)乇硭?2處。影響最大范圍造成隧道中線巖溶區(qū)兩側10～15km范圍內(nèi)的池塘漏失、農(nóng)田缺水、河溝斷流，對當?shù)厝嗣裆钤斐蓢乐赜绊憽?/p>

（3）地面塌陷成因分析。據(jù)調(diào)查分析，巖溶塌陷的發(fā)生地質(zhì)條件應具備地下豎向巖溶洞隙（管道）、上部覆蓋土層、地下水以及地下水位降。人類工程活動（如隧道建設和礦山開采）、大氣降水等因素是巖溶塌陷誘因。巖溶塌陷發(fā)生可劃分為三個時期：

①在開挖地下工程前，巖溶管道充水。地表覆土層與豎向巖溶洞隙充填的土體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

②隧道或礦山施工時的施工放炮震動，震動造成的氣壓和液壓破壞性大，可能導致深部巖溶管道與淺部巖溶管道聯(lián)通，造成淺部巖溶水短時大量疏降到深部巖溶管道。另外是地下工程揭穿巖溶水運移管道，造成原地下水位迅速下降，對淺部豎向巖溶管道中的土體造成真空吸蝕效應，發(fā)生沉降變形，出現(xiàn)地表裂縫、建筑開裂、塌陷等。

③如圖2所示，由于地下水下降，上覆土體自重應力增加，在自重應力作用下原有土體發(fā)生垮塌、掉落，使得巖溶洞隙（土洞）逐步變大，上部覆蓋層逐漸變薄。豎向巖溶洞隙（管道）上部土體可視為一個密閉蓋層，當?shù)叵鹿こ探掖r溶管道后，造成巖溶洞穴內(nèi)地下水快速下降，下部空洞形成真空負壓，極易產(chǎn)生豎向下落，從而發(fā)生地面塌陷。

圖2 巖溶塌陷形成條件及過程

2.4 地下工程涌突水

（1）巖溶隧道突水。巖溶隧道施工涌突水主要有三種情況：

①直接誘發(fā)，在地下工程施工過程中因直接開挖揭穿了高壓富水的巖溶（管道）含水層，導致含水層空間的大量巖溶水直接涌入隧道的情況；

②間接誘發(fā)，是指爆破或非爆破施工作業(yè)人為導致可溶巖巖體溶隙擴張，造成圍巖巖體局部應力集中和破裂，隧道洞壁與巖溶管道末端的導水裂隙連通，含水層空間的大量巖溶水間接通過導水裂隙擴張而突然涌（滲）入隧道的情況；

③開挖面后方突水，隧道的開挖擾動，使得臨空面附近塑性區(qū)松散圍巖體的圍巖壓力增大和大氣降雨下的水頭壓力突然升高，開挖作業(yè)面后方的支護結構在高水壓和高圍壓綜合作用下發(fā)生整體或部分失穩(wěn)，從而引發(fā)洞壁圍巖巖體破壞，隧道洞壁與巖溶管道末端的導水裂隙連通，含水層空間的大量巖溶水間接通過導水裂隙擴張而突然涌（滲）入隧道的情況。

（2）老窯突水。老窯突水是指在地下工程掘進過程中，受水壓、圍壓等因素綜合作用，地下工程硐室周邊臨近老窯（空）水突破相間阻隔層，或沿期間的斷層等突然涌入地下工程的現(xiàn)象，老窯（空）突水時，來勢兇猛，瞬時水量大，每分鐘可達數(shù)十方至數(shù)百方，持續(xù)時間短，易疏干；一般伴有CO2、H2S、CH4等有害氣體涌出。老煤窯井口多，采區(qū)小，有時各采區(qū)互相獨立，其中某一采區(qū)透水后，因與附近采區(qū)有水壓差，且采區(qū)間巖壁長期浸泡松軟，故易出現(xiàn)先期突水后，間隙一會兒突水猛又增大的現(xiàn)象。

3 結論

（1）地下工程排水（主要是指涌突水）不僅會造成各種地下洞室水害，而且能引發(fā)區(qū)域性地下水水位下降、洞頂?shù)乇硭途髁繙p小甚至枯竭、巖溶塌陷和生態(tài)環(huán)境惡化等。

（2）背斜區(qū)地下工程排水造成了地下水的大量漏失，引起區(qū)域地下水原有的動態(tài)平衡被破壞，形成在巖溶區(qū)富水段以地下工程部位為中心的地下水降落漏斗，引起地表水體疏干枯竭、水質(zhì)下降，甚至地表塌陷等現(xiàn)象。

（3）明月峽背斜區(qū)巖溶槽谷局部被疏干，屬地下水疏干區(qū)；兩翼須家河組地層區(qū)屬地下水位疏降區(qū)，地下水降落漏斗區(qū)范圍主要局限在隧道鄰近地段，因其含水層水力聯(lián)系明顯較巖溶水弱，受隧道排水的影響也較小。