巖溶深長隧道水文地質(zhì)調(diào)查分析與涌水量預(yù)測方法研究

黎德波LI De-bo

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，柳州 545006）

0 引言

我國不僅是隧道數(shù)量最多、長度最大的國家，同時(shí)也是水文地質(zhì)最復(fù)雜的國度，因?yàn)榈刭|(zhì)條件非常復(fù)雜，所以在巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)行隧道施工，很容易受到突泥、突水等自然災(zāi)害的威脅，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡事故和重大經(jīng)濟(jì)損失，尤其是巖溶深長隧道，一方面是因?yàn)閹r溶地質(zhì)復(fù)雜，另一方面還在于巖溶隧道勘察、評估涌水方法缺乏科學(xué)性，所以很難精準(zhǔn)判別災(zāi)害性涌水，最終引發(fā)隧道施工安全事故[1]。本文通過綜合分析某段巖溶隧道水文地質(zhì)情況，預(yù)測評估隧道涌突水量，有效遏制地質(zhì)災(zāi)害，只有保證隧道安全施工，才能實(shí)現(xiàn)巖溶深長隧道的成功通行。

1 工程概況

某隧道為分離式隧道，隧道設(shè)計(jì)長度為5000m，最大埋深300m。在充分收集前人工作成果的基礎(chǔ)上，首先在線路經(jīng)過區(qū)開展1∶50000 水、工、環(huán)調(diào)查，基本查明隧道區(qū)水文地質(zhì)條件、地下河分布特征；在線路兩側(cè)2km 范圍內(nèi)段開展1∶10000 水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查，為隧道設(shè)計(jì)施工擇提供水文地質(zhì)參數(shù)及科學(xué)依據(jù)。開展1∶50000 水工環(huán)調(diào)查，主要工作內(nèi)容是：①基本查明沿線巖溶地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件及各灰?guī)r地層的富水情況，重點(diǎn)在于沿線巖溶地下水的垂直分帶、水力坡度、地下分水嶺的確定等；②基本查明巖溶分布特征（與地層、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌關(guān)系），基本查明沿線所經(jīng)各地下河的分布及其與線路的關(guān)系，查明各個(gè)地下河的補(bǔ)逕排特征；開展1∶10000 隧道選線工程地質(zhì)調(diào)查，主要工作內(nèi)容是：①初步查明隧道區(qū)工程條件；②分析評價(jià)擬選隧道線隧道工程施工、運(yùn)行對周圍地質(zhì)環(huán)境條件的影響程度。

2 工程地質(zhì)條件

某隧道位于調(diào)查區(qū)為峰從谷地、陡坡中低山邊緣緩坡丘陵，根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性的分布特征，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造，和巖組組合條件的不同，調(diào)查區(qū)可分為：侵蝕-溶蝕類型的巖溶峰叢谷地和構(gòu)造-侵蝕的陡坡中低山兩種地貌。隧址區(qū)位于向斜東翼，發(fā)育F1 逆斷層，斷裂走向北西-南東，傾向西，傾角69~82°，局部切割泥盆系地層，斷裂影響帶寬約60～120m 不等。與設(shè)計(jì)線路近平行排布，斷層帶局部擠壓破碎現(xiàn)象，膠結(jié)一般。地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜為中等，屬抗震重點(diǎn)工程，可按7 度采取抗震措施，區(qū)域地質(zhì)背景屬中等。隧址區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕的中低山邊緣丘陵地貌，西側(cè)為侵蝕-溶蝕類型的峰叢谷地，相對高差一般大于200m，地面坡度一般大于25°，地形復(fù)雜，切割強(qiáng)烈影響，溝谷發(fā)育，西側(cè)巖溶區(qū)發(fā)育2 條地下河，巖溶中等～強(qiáng)發(fā)育。據(jù)現(xiàn)場踏勘，確定1∶50000 水、工、環(huán)調(diào)查范圍：線路兩側(cè)2km 范圍及沿線所經(jīng)各地下河流域。

3 巖溶發(fā)育特征

3.1 巖溶形態(tài)特征

該隧道所在區(qū)域?qū)儆谇治g-溶蝕類型的巖溶峰叢谷地和構(gòu)造-侵蝕的陡坡中低山兩種地貌，由于地質(zhì)構(gòu)造部位、形跡及組合特征不同，巖溶化強(qiáng)度、程度與富水性有著明顯的差異性。如穿巖地下河，順層切割巖層面的裂隙發(fā)育，而白家界地下河順層發(fā)育。巖溶發(fā)育與巖溶分布具有突出的方向性和分帶性，巖溶個(gè)體形態(tài)特征為沿著斷裂構(gòu)造發(fā)育的地下河型的洞穴。溶丘洼地、丘從洼地以及峰從洼地位置分布溶縫與巖溶管道[2]。

3.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道西部巖溶峰叢谷地，巖溶水水量中等，地下水向西徑流排泄。峰叢間洼地、消水洞相間出現(xiàn)，以及洼地中消水洞串珠狀發(fā)育。洼地、谷地軸向發(fā)育，向西部江河傾斜，洼地底標(biāo)高400～208m，從隧道區(qū)含水層結(jié)構(gòu)看，隧道位于F1 斷層下盤，泥盆系中統(tǒng)應(yīng)堂組砂巖、泥巖弱含水層阻隔巖性接觸帶附近的高位洼地導(dǎo)水補(bǔ)給。

4 巖溶水文地質(zhì)特征

4.1 巖溶含水層

該工程中的隧道區(qū)以第四系坡殘積層、泥盆系東崗嶺組灰?guī)r地層為主要揭露區(qū)域，第四系殘坡積大多在斜坡地帶與洼地分布。①純碳酸鹽含水巖組。純碳酸鹽含水巖組有著非常豐富的含水量，而且溶液發(fā)育非常強(qiáng)烈[3]。隧道施工區(qū)內(nèi)以泥盆系東崗嶺組為主，并且處在白云質(zhì)灰?guī)r含水層、灰色白云巖，含水介質(zhì)以熔巖管道與溶縫為主，隧道共計(jì)5000m，處于該層中；②不純碳酸鹽溶洞裂隙含水巖組。本含水巖組存在非常豐富的含水量，而且表現(xiàn)為巖溶強(qiáng)發(fā)育。

4.2 巖溶垂向水動力分帶

通過調(diào)查研究當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)發(fā)現(xiàn)，本區(qū)域的巖溶垂向動力分帶主要包括水平徑流帶、表層巖溶帶、季節(jié)變動帶以及垂向滲濾帶，具體如圖1 所示。

圖1 某隧道巖溶水動力分帶示意圖

①垂向滲濾帶。地表徑流沿著縱向巖溶裂隙、溶縫以及消水洞等持續(xù)下滲，垂向滲濾帶的巖溶發(fā)育程度非常不均勻，而且存在非常大的發(fā)育深度變化，通常在20~100m；②表層巖溶帶。因?yàn)橥翆颖容^普遍，所以表層巖溶帶的厚度值比較大，周邊會有大量的小泉水，大量表層泉分布在隧道的出口位置[4]；③季節(jié)變動帶。由于受降水的影響，隧道地下水深度呈現(xiàn)季節(jié)性變動特征，此為具有非常強(qiáng)巖溶作用的地帶，隧道區(qū)域的變化帶厚度大約在20~30m；④水平徑流帶。因?yàn)樗淼肋x址區(qū)域存在非常大的地形高差，且溶蝕切割相對較深，地下水平徑流帶深度較大，通常在170~200m 以下的位置。

4.3 巖溶水系統(tǒng)特征

該隧道因受巖溶水動力條件、地質(zhì)地貌構(gòu)造地層巖性等諸多因素影響，具體劃分為三大水系統(tǒng)：穿巖地下水系統(tǒng)、白家界地下水系統(tǒng)、觀音地下水系統(tǒng)。①穿巖地下水系統(tǒng)分布于隧道進(jìn)口區(qū)段，發(fā)育穿巖地下河，源于穿巖伏流入口，向西徑流，枯季流量461.77L/s。地層出露泥盆系東崗嶺組上段厚層狀灰?guī)r、白云巖，中下游巖溶洼地、溶隙、消水洞等較發(fā)育，中上游為巖溶谷地及碎屑巖區(qū)地下水補(bǔ)給區(qū)，幾乎不影響隧道施工。②白家界地下水系統(tǒng)，分布于隧道中部，癩頭山至白家界附近，于南部出口，枯季流量9.7L/s。發(fā)育泥盆系上統(tǒng)融縣組、中統(tǒng)東崗嶺組上段灰?guī)r，巖溶洼地、溶隙、消水洞等發(fā)育，地下水補(bǔ)給條件好，富水性中等；上游接受中低山?jīng)_溝水及基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，于大巖門伏流入口進(jìn)入地下，補(bǔ)給地下河[5]。③觀音地下水系統(tǒng)，分布于隧道南部，附近至南面出口屬于該地下水子系統(tǒng)，以次一級地下水分水嶺為界，含水巖組為泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組灰?guī)r、白云巖，含純碳酸鹽巖裂隙溶洞水，富水性中等。地下水類型主要有基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。碎屑巖區(qū)基巖裂隙水多以山脊為界，向兩側(cè)溝谷徑流排泄，沿隧道直沿線，尚有少量側(cè)向補(bǔ)給巖溶水。巖溶谷地區(qū)，降雨通過表層裂隙，洼地（谷地）消水洞滲入補(bǔ)給。

5 深長隧道巖溶涌水分析

5.1 深長隧道巖溶涌水評估

通過分析巖溶垂向枯水期與水動力分帶高度發(fā)現(xiàn)，該深長隧道區(qū)域的巖溶水位多在季節(jié)變動帶與飽氣帶分布，具體如表1 所示。分析巖溶水位、水系統(tǒng)以及地質(zhì)構(gòu)造，該深長隧道已經(jīng)具備巖溶涌水條件，具有非常大的涌水概率。其中YK44+100 到Y(jié)K45+900 段、YK45+900 到Y(jié)K46+500 段的隧道都在季節(jié)變動帶，然而，通過分析區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)發(fā)現(xiàn)，該隧道段在巖溶水系統(tǒng)徑流與補(bǔ)給區(qū)域，具有非常小的季節(jié)性突水發(fā)生率[6]。然而，該段必須明確注意溶洞的填充物會有坍塌的危險(xiǎn)，尤其是雨水后很容易出現(xiàn)突發(fā)泥石流、突水等地質(zhì)災(zāi)害。而K46+500 到Y(jié)K47+500 段的隧道在飽水帶，尤其是YK45+200 到K46+100 段的位置在淺飽水帶，呈現(xiàn)構(gòu)造發(fā)育，所以會有遭遇巖溶管道與裂隙狀溶洞的可能性，進(jìn)而引發(fā)突水。所以，該段具有較高的大型溶洞揭露率，涌水初期主要來自靜儲量，水量大、壓力高，而且具有非常強(qiáng)的突發(fā)性，很容易導(dǎo)致重大安全事故，水壓力在后期會隨之下降，水流量也會慢慢減小，繼而趨于平穩(wěn)。

表1 某隧道巖溶水位分類

5.2 隧道巖溶涌水量預(yù)測

在預(yù)測隧道巖溶涌水量環(huán)節(jié)，考慮到隧道所在位置巖溶發(fā)育程度、巖溶水動力分帶、巖溶發(fā)育特征等，總結(jié)出涌水來源多為大氣降水通過落水洞、洼地以及漏斗入滲造成，因此預(yù)測方法選擇洼地滲入法與地下水疏干法。如果隧道位于淺飽水帶，水頭為50~100m 的高度，發(fā)育包括巖溶管道和巖溶裂縫，那么隧道用水量必須考慮到雨期動儲量與靜儲量，具體計(jì)算公式為[7]：

①靜儲量涌水：

以上公式中，QS表示靜儲量，N 表示涌入系數(shù)，μ 表示給水度，H 表示隧道底板以上的含水厚度，F(xiàn)S表示降落區(qū)域的匯水面積，TS為疏干時(shí)間。

②雨期動儲量涌水：

以上公式中，Qf表示靜儲量，N 表示涌入系數(shù)，α 表示入滲系數(shù)，A 表示降水量，F(xiàn)f表示降落區(qū)域的匯水面積，Tf表示降水周期。

5.3 涌水量預(yù)測結(jié)果

分析表1 的計(jì)算結(jié)果、巖溶水動力分帶以及巖溶水系統(tǒng)特征，分析YK44+100 至YK45+900 段、YK5+900 至YK47+500 段，結(jié)果如表2 所示。

表2 隧道涌水量預(yù)測結(jié)果

5.4 隧道施工中突水突泥分析

預(yù)測各隧道涌水災(zāi)害嚴(yán)重等級與地表環(huán)境特征、巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、防水措施、氣候條件、最大埋深、隧道長度有關(guān)，從斷層影響破碎帶底下穿過的隧道區(qū)段，由于斷層切割巖層，裂隙發(fā)育，巖體破碎，破碎帶的張性裂隙及層理面可能形成裂隙水道，雨季可形成較線狀、股狀的形式或突水突泥，由于雨水注入，有一定威脅，做好超前探放水工作，則不會形成水害。

此外，隧道西部巖溶峰叢谷地，巖溶水水量中等，地下水向西徑流排泄。峰叢間洼地、消水洞相間出現(xiàn)，以及洼地中消水洞串珠狀發(fā)育[8-10]。洼地、谷地軸向發(fā)育，向西部傾斜，洼地底標(biāo)高400～208m，從隧道區(qū)含水層結(jié)構(gòu)看，隧道位于F1 斷層下盤，泥盆系中統(tǒng)應(yīng)堂組砂巖、泥巖弱含水層阻隔巖性接觸帶附近的高位洼地導(dǎo)水補(bǔ)給。通過分析預(yù)測突水量和突水實(shí)際情況，實(shí)際涌水量相對來說比較小，然而，和預(yù)測涌水量沒有太大的差別，通常突水時(shí)間處于雨后的1~2d，可見降水對突水地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的影響非常大。實(shí)際情況和預(yù)測的涌水量基本相符合，可見，預(yù)報(bào)方法具有合理性。

6 結(jié)論

通過以上研究，得出以下結(jié)論：①該隧道是比較典型的一種強(qiáng)巖溶隧道。隧道底層屬于上泥盆系東崗嶺組地表巖溶與石灰質(zhì)礫巖發(fā)育，隧道區(qū)分布由漏斗、洼地以及消水洞，大氣降水通過漏斗與落水洞直接滲透至地下；②分析巖溶水位、地質(zhì)構(gòu)造以及水系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，該隧道已經(jīng)具備巖溶涌水條件，且隧道位于季節(jié)變動帶和飽水帶，所以隧道施工揭露破碎帶概率相對較大，尤其是雨水較大時(shí)，很容易引發(fā)突泥或突水等地質(zhì)災(zāi)害，隧道涌水存在突發(fā)性強(qiáng)、壓力高以及水量大等特性，很容易引發(fā)重大事故；③對比實(shí)際和預(yù)測的突水量、突水時(shí)間，預(yù)測的涌水量基本符合實(shí)際涌水量，說明預(yù)測的涌水量具有合理性。