成渝高速公路复线巴岳山隧道涌水量预测

姚德华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

成渝高速公路复线巴岳山隧道涌水量预测

姚德华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

巴岳山隧道是成渝高速公路复线 (重庆境)重要控制性工程。根据该隧道的工程地质、水文地质勘察成果，分析评价其水文地质条件，采用大气降雨法、地下迳流模数法、泉流量汇总法、地下水动力学法等多种方法预测隧道涌水量，并在此基础上，对隧道涌、突水进行评价，隧道穿越三叠系须家河组地层段，地下水主要沿裂隙、孔隙发育段及砂岩与页岩、煤层的接触带渗入隧道，有淋雨状及涌流状出水;穿越强岩溶发育地段可能发生突发性突水、突泥。另外隧道掘进中遭遇老煤窑采空区可能会发生突水。提出了强岩溶发育段应加强超前预测预报地质工作，采取以堵为主的防治方案;老煤窑采空区采取探、放水结合的措施。

成渝高速复线;巴岳山隧道;水文地质;涌水量

0 引言

据中国30余座岩溶长隧道的统计，约40% 发生过1×104m3/d以上的大型涌突水，其中约30% 发生过5.0×104m3/d以上的重大型涌突水，约20% 发生过10.0×104m3/d以上的特大型涌突水，如：襄渝铁路大巴山隧道、广安—重庆高速公路华蓥山隧道、渝怀铁路圆梁山隧道、渝怀铁路武隆隧道、中梁山隧道等均发生特大岩溶涌水，均对施工造成极大影响［1－4］。因此，隧道涌水是隧道建设中备受关注的问题之一。较为准确地预测隧道涌水量的大小，是隧道排水设计的主要依据，同时，也对隧道施工制定合理的防排水措施相当重要。

1 工程概况

巴岳山隧道是成渝高速公路复线(重庆境)重要控制性工点之一。隧道为单向行驶的分离式双洞公路隧道，两洞轴线相距18.8～44.6 m，设计隧道建筑限界为宽16.25 m，高8.20 m。隧道左洞起点桩号为K32+065，终点桩号为K35+335，长3 270 m;右洞起点桩号为 YK32+066.15，终点桩号为 YK35+368.15，长3 302 m，为公路特长隧道。隧道双洞纵断面设计为人字坡。隧道最大埋深约230 m。

2 隧道工程自然地理条件

成渝高速路复线巴岳山隧道横穿重庆陷褶束华蓥山穹褶束之西山背斜形成的背斜山，隧址区地形、地貌受地质构造、地层岩性的控制明显，具有构造剥蚀—溶蚀的显著特征，山脉走向与构造线方向一致，形成“一槽两岭”的特点，具典型的川东平行岭谷景观。

隧址区属亚热带温湿气候区，湿度大，冬冷夏热，降雨丰富，夏季多暴雨，年平均降水量1 094.88 mm，降水多集中在5～9月，占全年总降水量的64.6%，月最大降水量321.3 mm、最小降水量2.4 mm，极端日最大降雨量220.4 mm。

3 隧道工程地质概况

3.1 地质构造

隧址区所在区域构造上位于重庆陷褶束之华蓥山穹褶束西山背斜。该背斜全长约52 km，宽4～5 km。背斜内出露的最老地层为三叠系嘉陵江组石灰岩，两翼依次为三叠系须家河组、侏罗系自流井组、沙溪庙组地层。地层走向为N20°E～N50°E。背斜轴走向总体NNE，南段略呈“弓”形弯曲，详见图1。

3.2 地层岩性

隧址区分布地层主要为第四系填土层、残坡积层、三叠系上统须家河组和下统嘉陵江组，涉及岩性及分布如下：

第四系填土、残坡积层主要分布在隧道出口外斜坡底部冲沟内和槽谷底部(K33+700～K33+937)及隧道进、出口斜坡上，主要以粉质粘土为主。

三叠系上统须家河组为含煤岩系，岩性为灰黑色页岩、砂质页岩、褐黄色泥岩与灰色砂岩，按沉积旋回及岩性组合特征，分为六个岩性段，总厚度400～600 m，与下伏地层呈平行不整合接触，分布于背斜两翼(隧道里程K32+070～K33+200、K34+250～K35+300)。其中第一段为灰黑色，薄层—中厚层状泥岩，局部为厚层状泥岩，夹有薄层状细砂岩和煤线，为相对隔水层;第三段为薄—中厚层状泥岩与粉砂岩互层，局部夹炭质泥岩及薄煤层，煤层厚 0.15 ～0.35 m，该段是区域内主采煤层;第五段中厚层状长石石英砂岩、页岩、砂质泥岩夹煤层及煤线，煤层厚0.10 ～0.30 m;第二、四、六段为浅灰色厚层—块状中—细粒长石石英砂岩，夹岩屑石英砂岩，局部夹有薄层黄灰、灰黑色泥岩、炭质泥岩。

三叠系下统嘉陵江组为灰岩、白云岩、白云质灰岩，夹页岩及盐溶角砾岩构成多个沉积旋回，按岩性分四段。在西山背斜轴部槽谷一带(K33+200～K34+250)出露，隧道洞身段只通过嘉陵江组第三段和第四段，与上覆须家河组地层呈平行不整合接触。

4 隧道工程水文地质特征

4.1 地下水类型及富水性

隧址区地下水类型为松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙层间水、碳酸盐岩岩溶水，其中以碎屑岩孔隙裂隙层间水和碳酸盐岩岩溶水为主。

(1)松散岩类孔隙水 主要为隧道进、出口地带和沟谷洼地第四系松散堆积土层，富水程度受控于松散堆积物的岩性、分布位置和地形切割破坏条件，富水性差，水量贫乏，受大气降水影响明显。松散岩类孔隙水对隧道施工影响小。

(2)碎屑岩孔隙裂隙水 含水岩组为三叠系上统须家河组地层，岩性为厚层砂岩间夹有相对隔水的泥页岩或煤层，所含地下水为隧址区主要的地下水之一。本类型地下水以砂岩孔隙裂隙水为主，富水性不均一，由于须家河组含水层内存在相对隔水的页岩、泥岩和煤层，虽经后期采煤活动，大部地段隔水层遭受破坏，但局部仍然存在承压水性质。地下水主要接受大气降雨补给，一部分沿斜坡自流斜地多以湿地的方式排泄，另一部分下渗形成地下水，在煤层采空区及巷道处排泄，汇集后经水泵或水沟排出地表。

图1 巴岳山隧道区域地质构造图Fig.1 Regional tectonic map of Bayueshan tunnel

(3)碳酸盐岩岩溶水 隧址区嘉陵江组地层多在岩溶槽谷内直接出露，直接接受大气降雨补给，沿背斜轴部纵张裂隙、岩溶洼地、落水洞、溶洞、溶蚀裂隙等向下渗流，形成地下水，地下水浅表在兴隆场一带以泉的形式排出(标高340.00 m)后，经地表水沟排出槽谷外。沿背斜轴向水力梯度为0.7%，沿隧道轴向水力梯度为4.7%，可见地下水流缓慢。拟建隧道穿越嘉陵江组地层段标高为322.19～346.87 m，低于水位50～70 m左右。

4.2 地下水补、迳、排条件

背斜轴部为嘉陵江组地层，地形上呈岩溶槽谷，背斜东、西两翼和南、北倾没端均为须家河组地层形成的山岭，将嘉陵江组地层封闭于岩溶槽谷内，槽谷横宽约1～1.5 km，纵长约 25.5 km，形似一柳叶舟。须家河组一段分布于槽谷边部，隧道里程K33+142～K33+192、K34+250～K34+337，其中的页岩为隔水层，将嘉陵江组岩溶水封闭，使之成为一个独立、封闭的水文地质单元。背斜轴部嘉陵江组灰岩直接出露于岩溶槽谷，该槽谷为地下水补给天窗，主要接受大气降雨补给，槽谷两侧斜坡地带接受大气降水补给后，一部分在槽谷两侧以泉点形式排泄，沿河沟排出槽谷外;另一部分下渗形成地下水，沿岩溶裂隙运移。槽谷底部接受大气降水补给后，直接沿岩溶裂隙、落水洞下渗形成地下水。见图2。

图2 隧道轴线水文地质断面示意图Fig.2 Hydrogeology section of tunnel axis

背斜两翼须家河组地层形成“屏障式”列峰山岭，沿岩层走向上未见大沟、大河将须家河组切割，地下水在山岭和斜坡地带接受大气降水补给，一部分沿斜坡自流斜地多以湿地的方式排泄，另一部分下渗形成地下水，在煤层采空区及巷道处排泄，汇集后经水泵或水沟排出地表。

5 隧道工程涌水量预测

关于隧道涌水量预测方法较多，目前常用的只有以下两种：一种是水均衡法，如地下水迳流模数法、大气降雨法和泉流量汇总法等，是指在一定流域或一定区域内，水循环总量基本保持平衡状态，也就是补给与排泄的动态平衡;另一种主要是利用水力学、地下水动力学等方面的理论，根据隧道不同地质模型，通过数学演绎和推理，推导出隧道涌水量与地下水水位、围岩渗透性、地下水补给范围、补给时间、含水层的性质等因素的定量关系，得出一系列理论或经验解析公式，用以预测计算隧道的涌水量。其他方法还有水文地质比拟法、数值法、随机数学模型法等。

根据巴岳山隧道各段的水文地质条件，分别采用地下水迳流模数法、大气降水渗入量法、泉流量汇总法和地下水动力学法计算巴岳山隧道的涌水量。

5.1 地下水迳流模数法

计算参数地下水迳流模数M值参考区域水文地质报告，根据各岩组地层岩性、出露位置、地貌形态，结合本区水文地质单元中的迳流条件，分别选择地下水迳流模数M值如下：三叠系下统嘉陵江组地层M=18.0(l/s·km2)、三叠系上统须家河组地层M=4.0(l/s·km2)。

采取以下公式：

式中：Q——隧道涌水量(m3/d);M——地下水迳流模数(l/s·km2);F——计算块段面积(km2)(面积采用1∶5万地形图，按水文地质单元计算)。

计算结果见表1，涌水量为14 806 m3/d。

5.2 大气降雨入渗法

根据巴岳山山区的地下水类型、地形地貌、地层岩性、自然地理特点进行计算单元块段划分，计算公式为：

式中：Q——隧道涌水量(m3/d);α——入渗系数;A——多年平均降雨量(mm);F——计算块段面积(km2)。

根据大足县气象站1959～2008年气象资料，多年的平均降水量为1 094.88 mm，月最大降水量为321.3 mm，日最大降水量为220.4 mm。据对重庆地区其它相似地质构造和地层条件的背斜山(如中梁山、缙云山、云雾山等)的地下水调查、监测表明，地下水排泄的最大涌水量和月最大降水量相关。因此可以根据年均降水量计算隧道的平水期涌水量，根据月最大降水量计算丰水期涌水量。

根据已有资料，参考1∶20万内江幅水文地质普查报告和1∶5万巴岳山矿泉水水文地质调查研究报告中的有关数据而选用渗入系数见表2。

计算结果，平水期涌水总量为15 464 m3/d，丰水期涌水总量为54 456 m3/d。

表2 降水入渗法隧道涌水量计算成果表Table 2 Calculation results of water inflow by precipitation infiltration method

5.3 泉流量汇总法

巴岳山隧址区地表泉点主要出露于嘉陵江组地层中，而须家河组地层中出露的泉点少且流量小，须家河组地层碎屑岩孔隙裂隙层间水主要在采空区和煤层巷道排泄，经汇集后被各煤矿排出地表。

对隧址区须家河组地层涌水量采用煤洞水排水量进行叠加(见表3)，统计结果表明：背斜西翼须家河组排泄量为1 896 m3/d;背斜东翼须家河组排泄量为2 520 m3/d。

表3 煤洞水调查统计表Table 3 Survey statistical table of coal cave water

隧址区嘉陵江组(T1j)出露的泉点共8处，其具体情况统计如表4。

隧址区嘉陵江组(T1j)地层涌水量采用泉流量汇总法进行计算。

式中：Q——年天然排泄量(万 m3/年);qi——各泉流量(l/s)。

经计算年天然排泄量Q为121.3万m3，每天排泄量为 3 322.9 m3/d。

5.4 地下水动力学水平矿井疏干法

(1)计算块段的划分 隧区含水层主要为嘉陵江组灰岩、白云岩和盐溶角砾岩(T1j)、须家河组(T3xj)砂岩、页岩。嘉陵江组灰岩、白云岩按照岩溶发育程度分段计算，概化模型见图3。

表4 地表泉水、溶洞水调查统计表Table 4 Survey statistical table of surface spring and cavern water

(2)计算公式的选择 隧区含水层地下水受构造裂隙控制，水力性质介于承压水及潜水之间，计算公式采用承压—潜水完整式坑道公式：

式中：Q——水平坑道涌水量(m3/d);B——水平坑道长度(m);S——水平坑道疏干降深(m);R——水平坑道影响范围(R=2S(MK)0.5);M——含水层厚度(m);K——渗透系数(m/d)(根据抽水、压水试验确定，岩溶强发育段灰岩和灰岩段渗透系数根据分段抽水试验结果确定)。

计算结果平水期涌水总量14 842 m3/d(见表5)。

图3 隧道地质横剖面和概化模型示意图Fig.3 Geological cross section and generalized model of tunnel

6 隧道工程涌水量预测评价

隧道区地下水环境复杂，特别是隧道通过背斜核部碳酸岩段，岩溶发育使得地下水补充、迳流、排泄条件更加复杂。以上各种方法都是把含水层当作均一的渗流介质来计算的，与实际情况存在较大偏差。

地下水迳流模数法的迳流模数在不同的地区其值相差很大，预测只能根据本区域相似地质条件枯季的观测值，地下水迳流模数是单位含水层分布面积上地下水的迳流量，若根据《铁路工程水文地质规程》计算预测值在岩溶地区明显偏小，主要原因是面积偏小，取值地表水或下降泉流量相当的地表流域面积，笔者计算过程中面积取值可溶岩区按水文地质单元取值。

降雨入渗法的入渗系数也只能取当地相同地质、地貌条件的经验值，可视为“平均”的疏干稳定涌水量，丰水期降水入渗法反映的是强降水周期时的涌水情况。

泉流量汇总法在背斜两翼由于采矿排出的水量较为准确，可作为隧道区域涌水预测的依据，背斜核部灰岩大部分地下水作为岩溶天窗下渗迳流补给区域地下水，故采用泉流量汇总法预测隧道涌水量偏小。

地下水动力学法的渗透系数取值是根据勘察钻孔抽水、压水试验综合取值，由于岩体的不均一性，渗透系数差值可能较大，影响预测结果。

综合以上分析和隧道涌水量预测结果，地下水迳流模数法、降雨入渗法和背斜两翼泉流量汇总法预测结果可以作为隧道区域的疏干稳定涌水量，并可用于校核分段涌水量。地下水动力学水平矿井疏干法可以作为隧道区域平水期的涌水量。

降水入渗法计算的平水期和丰水期涌水量显示，隧道在丰水期的涌水量大约是平水期的3.5倍。笔者采用地下水动力学法计算的隧道分段平水期涌水量的3.5倍来估算隧道丰水期涌水量。预测巴岳山隧道平水期涌水总量为14 842 m3/d、丰水期涌水总量为51 947 m3/d。

7 隧道涌、突水评价

巴岳山隧道的地下水以岩溶水、碎屑岩孔隙裂隙层间水为主，设计隧道长3.3 km，预测平水期涌水总量为14 842 m3/d，丰水期涌水总量为51 947 m3/d。

隧道穿越三叠系须家河组地下水较丰富，主要含水层为三叠系须家河组第二、四、六段砂岩，页岩或煤层为相对隔水层。地下水主要沿裂隙、孔隙发育段及砂岩与页岩、煤层的接触带渗入隧道，有淋雨状及涌流状出水。

隧道掘进中可能遭遇铜梁县观音岩煤厂、铜梁县石矸子煤矿、大足县万古镇锅厂湾煤矿采空区和隧道出口废弃老煤窑采空区，开挖时可能会发生老采空区突水，应加强超前预测预报地质工作，采取探水、放水结合的措施，防止发生事故。

隧道穿越背斜轴部三叠系嘉陵江组地层长度约1 508 m，地下水丰富。其中嘉陵江组四段盐溶角砾岩夹白云质灰岩和四段与三段灰岩接触带附近岩溶发育，隧道(左线 K32+966～K33+356、K33+541～K33+687、K33+916～K34+475，右线 YK32+944～YK33+135、YK33+238 ～YK33+781、YK33+890～YK33+975、YK34+090～YK34+474段)开挖时可能发生突发性突水、突泥。应预防发生岩溶突水，加强超前预测预报地质工作，采取以堵为主的防治方案。

8 结语

采用水均衡法(如大气降雨法、地下迳流模数法、泉流量汇总法)计算隧道涌水量是按水文地质单元计算的总量，分段预测隧道涌水量宜采用地下水动力学法，并参考水均衡法计算的总量对比使用。隧道涌水量预测方法和研究较多，主要是为了保证隧道施工和运营过程中安全和稳定性，由于隧道区域水文地质环境条件的复杂，隧道涌水的复杂性和多变性以及人们对现场水文工程地质条件的认识不完善，导致涌水量预测方法均有一定的局限性，从科学与应用的角度来看，这些方法仍然还不够完善，其实用性和推广性也还有待加强。因此，巴岳山隧道在施工过程中一方面要加强超前预报，提前预防并采取相应的措施，另一方面施工过程中对隧道涌水采取合适的处治措施，避免引发一系列工程完工后的地质灾害问题及环境问题。

［1］陈绍林，等.四川广(安)—渝(重庆)高速公路华蓥山隧道岩溶突水的研究与整治［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(9)：1 344－1 349.

［2］李苍松，等.渝怀铁路武隆隧道涌水量计算新方法［J］.中国铁道科学，2005，26(5)：43 －45.

［3］徐则民，等.特长岩溶隧道涌水预测的系统辨识方法［J］.水文地质工程地质，2002(4)：50 －54.

［4］韩行瑞.岩溶隧道涌水及其专家评价系统［J］.中国岩溶，2003，23(3)：213 －218.

Forecast of Water Inflow of Bayueshan Tunnel in the Second Cheng-Yu Highway

YAO Dehua
(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing102600)

Bayueshan tunnel is the important controlling project of the second Cheng－ Yu highway(in Chongqing).According to hydrogeology investigation result of Bayueshan tunnel，the hydrogeological condition is analyzed and evaluated.Method of infiltration coefficient of precipitation，modulus method of ground water runoff，gross spring flow method，underground hydrodynamics method and etc.of hydrogeology are adopted to calculate and forecast the rate of water inflow.On the basis of this result，the evaluation of tunnel water inflow is made.

the second Cheng－Yu highway;Bayueshan tunnel;hydrogeology;water inflow

U456.3+2

A

1671－1211(2011)03－0225－07

2011－03－23;改回日期：2011－04－11

姚德华 (1970－)，男，高级工程师，水文地质与工程地质专业，从事水工环勘察设计工作。E－mail：yaodehua945@163.com

于继红)