隧道工程对云雾山岩溶地区地质环境的影响

祝 军

(湖北省地质环境总站，湖北荆州 434020)

隧道工程对云雾山岩溶地区地质环境的影响

祝 军

(湖北省地质环境总站，湖北荆州 434020)

西部大开发以来，交通工程建设迅速发展，形成大量隧道工程，导致工程区内地下水补、径、排条件发生改变，形成新的地下水系统。云雾山隧道工程是一典型实例，隧道涌水出现人工水点，成为工程区内中型集水、过水地下廊道，并引发了局部岩溶塌陷、水资源枯竭及干旱缺水等一系列环境地质问题。

隧道工程;岩溶;地下水系统;环境地质

0 引言

西部大开发以来，交通工程建设迅速发展，形成大量隧道工程，其中云雾山隧道是宜万铁路特大型隧道之一，全长6.6 km。隧道建成后，工程区内的岩溶水文地质条件发生改变，并引发了日益严重的环境地质问题。笔者于2012年参加了湖北重点岩溶流域水文地质及环境地质调查研究，现就隧道工程对云雾山岩溶地区地质环境的影响提出几点看法。

1 工程区地质背景与岩溶发育特征

1.1 地形地貌

云雾山隧道工程位于鄂西南褶皱山地，隧道进口位于恩施市西南21 km的白果坝镇(高程794.00 m)，出口位于屯堡乡的小溪沟(高程874.27 m)，呈N78°W方向斜穿云雾山。山体走向呈北东向，山脊高程1 500～1 700 m，属构造溶蚀中山区，隧道穿越区地貌形态呈现两级岩溶平台，其分布高程分别为1 300～1 400 m和1 500～1 600 m。其南侧为高程800 m左右、长约20 km的白果坝槽谷，北侧为高程700～800 m的车坝河(图 1、图 2)。

1.2 地层岩性及地质构造

区内出露地层为寒武系、奥陶系和志留系，寒武系出露面积最广。寒武系(∈)为薄—厚层状白云岩、白云质灰岩、白云岩与砂屑灰岩互层;奥陶系下统(O1)为白云岩、灰岩，底部为页岩;奥陶系中上统(O2+3)以灰岩夹页岩、泥质瘤状灰岩为主;志留系下统(S1)为粉砂岩、粉砂质页岩夹细砂岩。

本区位于恩施台褶皱束西部，主要构造为白果坝背斜及其伴生的同向压扭性断裂。该背斜两翼不对称，核部地层为∈1，轴向 N40°－60°E;翼部地层为∈2－O1，其北西翼岩层倾角46°～85°，南东翼岩层倾角25°～35°。该背斜南西倾伏端位于白果坝西南8 km的小转拐一带，岩层倾角在7°～13°;背斜核部发育的压扭性断层长18 km，走向N40°E，倾向NW，倾角45°，断层破碎带宽10～30 m，向西延伸至隧道一带渐变为10 m左右。岩层节理裂隙发育，主要裂隙有走向NE、NW二组，这些节理裂隙是隧道区岩溶发育的主要控制因素之一。

1.3 岩溶分布与发育特征

本区在高程1 300 m以上以垂向岩溶发育为主，多发育岩溶洼地、漏斗、落水洞等，高程900～1 300 m之间水平与垂向岩溶形态兼而有之，高程800 m以下以水平岩溶发育为主。本区有三处岩溶大泉，发育高程790～805 m。

调查区岩溶发育程度受地层岩性、地形地貌和构造控制作用明显。

2 隧道区岩溶水文地质条件的改变

2.1 隧道工程施工前的水文地质条件

2.1.1 岩溶含水层

隧道区岩溶含水层系统主要为寒武系和奥陶系碳酸盐岩含水岩组，根据碳酸盐岩纯度、岩溶发育程度、地下河与泉流量大小，划分成三个不同的透水含水层:①强富水透水的寒武系(∈)岩溶含水层，厚度大(1 421 m)，分布在云雾山背斜核部及两翼，隧道区地表出露面积广，岩溶强烈发育，地下河流量100～1 000 L/s，岩溶大泉流量50～100 L/s;②中等富水透水的奥陶系下统(O1)岩溶含水层，其厚度165 m，分布在云雾山背斜北西翼，呈带状出露在隧道出口东侧一带，泉流量5～20 L/s;③弱富水透水的奥陶系中上统(O2+3)岩溶含水层，厚度小(153 m)，分布在云雾山背斜北西翼，呈带状出露在隧道出口一带，岩溶弱发育，泉流量1～10 L/s。④相对隔水层主要为志留系(S)砂岩与页岩互层。

图1 云雾山隧道地质背景图Fig.1 Sketch geological map of the Yunwushan tunnel

图2 云雾山隧道工程地质Ⅰ-Ⅰ'剖面图Fig.2 Geological section map of the Yuwushan tunnel

云雾山属白果坝背斜构成的正地形，由核部到翼部强、中、弱透水含水层依次出露。

2.1.2 岩溶地下水补径排条件

在隧道区，以上岩溶含水层地表出露条件较好，均接受大气降水的直接补给，受构造和地形控制，存在①补给②补给③的地下水补给关系(图3)。其中山顶缓坡平台降水80%以上渗入或注入地下，斜坡地带大气降水约60%形成地表径流汇入河谷。汇入白果坝岩溶槽谷中的地表水，绝大部分又沿裂隙岩溶管道、落水洞等注入地下。总之，除蒸发、土壤与植被吸收部分外，绝大部分降水转化成岩溶地下水，且地下径流主方向与构造线方向一致。在山顶背斜核部，降水入渗后首先向背斜两翼分流，其中白果坝背斜南东翼地下水直接汇集于白果坝暗河中;北西翼地下水径流途中碎屑岩夹层较多，因此，在碳酸盐岩与碎屑岩接触带易形成地下水富集径流带，并沿岩层走向发育形成规模较大的水平岩溶管道径流，最终以地下河或泉的形式泄出地表。

图3 云雾山隧道环境水文地质图Fig.3 Sketch map of hydrologic geology in Yuwuxhan tunnel

2.1.3 地下河与岩溶大泉系统

区内共发育有1条地下河及5个岩溶大泉系统，其特征分述如下:

(1)H01白果坝暗河系统。发育于白果坝背斜南东翼，区内长度达12 km，规模大，汇水面积约120 km2。在区内的白果坝背斜南东翼地下水均汇入该暗河系统，经观测，大气降雨汇集后均沿白果坝槽谷分布的落水洞直接入渗地下。该暗河出口位于测区东部的龙麟宫，出水量最大达2 000 m3/s。

(2)S01恶水溪岩溶大泉系统。泉口位于车坝河南岸，高程800 m，相对高差60 m，泉口地层为O2+3瘤状灰岩与页岩。三处泉水口相距2～3 m，总出水口宽度范围20 m2，流量 ＞100 L/s。

(3)S02杨家湾大泉系统。泉口位于车坝河南岸，高程801 m，泉口地层为O2+3瘤状灰岩与页岩。流量10 L/s。

(4)S03洞湾岩溶大泉系统。泉口位于白果坝(亦称岸云水库)水库北西侧，高程1 150 m，泉口为一裂隙溶洞，泉流量115 L/s。汇水面积4 km2，汇水区为寒武系中、上统白云岩、白云质灰岩类，于∈1灰岩区排泄。分布高程1 150～1 200 m，汇水区控制在汪家湾(地表分水岭)以东、白果坝断裂以北地区，地下水主通道沿着白果坝断层破碎带发育。

(5)S04大鱼泉岩溶大泉系统。泉口位于隧道出口南西2.4 km处，泉口地层为奥陶系下统灰岩，泉流量150 L/s。汇水面积约6 km2，跨越寒武系上统、奥陶系下统分布区。地下水主通道主要沿地层走向发育，遇奥陶系中下统夹层页岩阻水而出露。

(6)S05小鱼泉岩溶大泉系统。泉口位于隧道出口南西3.3 km处，泉口地层为寒武系上统白云质灰岩，泉口高程805 m，流量100 L/s。汇水面积约6 km2，汇水区均为寒武系中上统。地下水主通道主要沿地层走向发育，遇奥陶系上统底部页岩阻水而出露。

2.2 隧道竣工后的水文地质条件改变

2.2.1 云雾山隧道地下水系统的形成与演化过程

隧道形成初期，隧道顶部形成线形展布的漏斗状地下水径流区。工程前，地下水向背斜两翼分流，沿浅表岩溶带［1］径流，向四周5个岩溶泉及地下河出口排泄;工程后，隧道顶部地下水作垂直向下渗流，由于隧道工程使很多分支岩溶管道及一些细小的岩溶裂隙与隧道相通，地下水改变原有径流方向与途径，沿最畅的通道、最短的途径直接流入隧道之中。

隧道形成后期，隧道顶部形成平面为椭圆形、剖面呈树冠状的地下水径流区。由于区域内的岩溶化程度加速，地下水径流通道逐渐加宽加大，裂隙流逐渐变化为溶洞流、管道流。地下水产生袭夺，原来背斜侧翼的地下水逐渐转向，集中汇于隧道。

总之，隧道区地下水接受隧道顶部大气降水入渗补给，具有近源垂直补给、径流的特点。隧道已成为云雾山中型集水、过水地下廊道，并出现新的人工水点——隧道涌水(Sy)。

2.2.2 工程引发隧道涌水，出现人工水点

Sy人工水点为隧道涌水(照片1)，其位于隧道进口西侧1.2 km支洞洞口，处于白果坝槽谷谷底部。建成后的云雾山隧道高程南东(进口)低，北西(出口)高。其支洞呈北西展布，长约1 400 m，为隧道排水专用。地下水由支洞隧道内的排水沟流出，沿槽谷向东径流，后经消水洞进入白果坝地下河。水点处水质浑浊，呈乳白色，四季不干，雨季时流量300～600 L/s，当前流量约150 L/s。据调查，该水点自隧道建成后开始出现，解决了当地无水源的问题，供附近约20家农户生活饮用，利用方式以引、蓄、挑水为主。据访问当地百姓，目前流量有增大趋势。

2.2.3 隧道工程导致岩溶地下水补径排改变

云雾山隧道正好穿过分水岭地带，隧道建成后，区内浅表分水岭发生较大变化，形成新的地下水系统，加上地下水日益增加的袭夺，原有的5大地下水系统补给区被分割、缩小(图3、表1)。其补给区范围现划分如下:①北东地区地下水分水岭向东偏移2 km，由原来的汪家湾—苏马场移到石门坎—淹水塘;②北部地区地下水分水岭向北偏移0.5～1 km，由阳和坪—黄家坪转移到苏马埫—流水沟一线;③南西部地区地下水分水岭将向南偏移1～1.5 km，由二台坪—石龙宫移到小坪—蒲家垭一线;④小坪—蒲家垭—楠木坑以北地下水将向隧道汇集。总之，按上述地下水分水岭位置估算，隧道内地下水汇水面积在11.5 km2左右，且还有增大的趋势。

照片1 隧道涌水Photo 1 Water inflow of tunnel

表1 2003年与2012年区内岩溶地下水系统补给区面积及流量对比表Table 1 Contrast table of supply area and flow in 2003 and 2012

区内地下水作垂直向下径流，于隧道内汇集，出洞后，进入槽谷内的排水沟，最终进入到白果坝地下河。

2.2.4 隧道工程导致含水层富水透水性变强

由于地下水补径排条件的改变，区内含水层富水透水性逐渐变强。如隧道出口段，当地下水运移至原中等富水透水的奥陶系下统岩层时，地下水沿高倾角的岩层层面作近垂向径流，由于底部隧道地下水排泄通畅，日积月累，使得该层组富水透水性增强。

3 岩溶化程度加剧以及引发的环境水文地质问题

3.1 隧道工程使区内岩溶化程度加剧

3.1.1 工程施工加速岩溶化

据隧道施工资料显示，施工前的隧道不良地质主要有暗河、岩溶及岩溶水、岩堆、断层破碎带、高地应力等。其中岩溶分布密度大，种类多，岩溶水压力高，瞬间涌水量大，云雾山隧道正洞所揭示的岩溶有12处，平均1.81处/km;隧道核部“526溶腔”“617溶腔”群纵、横向发育范围广，相互连通，岩溶极其发育［2］。

在修建隧道的开挖爆破及围压作用下，岩体中的构造裂隙被拉宽加深增长扩大，贯通了上、下含水裂隙，当隧道发生突泥涌水时，通畅了岩溶裂隙管道。如隧道施工中，在DK245+617段(图2，隧道中部)遇大型充水溶洞就采用了爆破直接揭示溶腔排水等释能降压的施工技术。

3.1.2 地下水流场的日益扩大加速岩溶化

由于地下水的袭夺，补给区域日益扩大，垂向深度带变宽，加之地下水流势能较大(隧道中部与山顶比高差近800 m)，深部循环得到加速，溶蚀作用得到加强。

3.1.3 岩性的差异和集中补给加速岩溶化

岩溶发展的过程实质上是非均质化过程与水流的集中过程［3］。在云雾山地区，岩性较复杂。在地下水流场中，就初始介质本身而言，初始介质场越不均匀，水流便不均匀，越有利于岩溶的快速演化。随着廊道式地下水集中汇流，地下水必将出现紊流现象，从岩石表面溶解下来的离子运动速度提高，同时地下水水流的机械侵蚀能力也增强。由Sy人工水点观测，地下水长期处于乳白色状态，雨季呈浑黄色，说明地下水在高势能的作用下已具有一定的侵蚀能力，地下水因携带细颗粒而成乳白色状。

综上所述，区内的岩溶化程度明显加剧。而岩溶化程度的加剧引发了相关的地面塌陷及水资源枯竭等环境地质问题。

3.2 引发岩溶塌陷

此次调查中，发现8处小型的基本成线状排列的岩溶地面塌陷(照片2)，主要分布于向家湾、大坪、公田(隧道中部地表区域)一带，塌陷点位置高程1 400～1 550 m，形成的塌陷坑平面多呈圆形、椭圆形，直径3～15 m，深度3～10 m，塌陷坑上宽下窄呈漏斗状，调查发现塌陷坑形成部位上部均覆盖有2～5 m的粘性土层。从周边环境与塌陷坑迹象分析，上述8处岩溶塌陷均为近期岩溶作用下的产物。

照片2 公田一岩溶塌陷Photo 2 Collapse of Gongtian

区内岩溶塌陷形成的原因，主要为工程区地下水运移速度较以往变快，受构造影响区内岩体裂隙发育，雨水长期淋滤带走上部土体中细小颗粒，近垂直排入地下隧道，造成上部土体块石架空，形成土洞，最终在重力作用下塌陷。其证据有Sy人工水点，该处泉水常年水质浑浊，即是隧道内地下水长期携带泥质物所产生的现象。

3.3 引发水资源枯竭

隧道的建成形成新的隧道地下水系统，出现新的人工水点。由于地下水的袭夺，新系统周边出露的5个岩溶大泉流量均有减少，泉域面积逐渐缩小(表1)。在隧道影响范围内的岩溶大泉主要有大鱼泉(S04)、杨家湾泉(S02)、恶水溪泉(S01)和洞湾泉(S03)。其中渐枯竭的洞湾泉的影响最为突出，其严重威胁了白果坝集镇正常的生活、生产用水。

照片3 渐枯竭的洞湾泉Photo 3 Exhausting Dongwan spring

S01(恶水溪泉):泉域地下水系统呈半圆形状，南西侧边界与隧道平行，使南侧地下水向隧道汇集，但恶水溪泉水流量不会枯竭，原因是泉口高程低于隧道路面高程(平均高程)。

S02(杨家湾泉):位于隧道出口北东约1.5 km处，泉口比隧道路面(平均高程)低56 m，因此，隧道截水对此泉有较大影响。

S03(洞湾泉):位于隧道北东侧(照片3)，泉域地下水系统分布在高程1 140～1 200 m水平岩溶发育带，地下水分水岭在汪家湾—雨龙坝一线，天然条件下地下水沿岩层走向由南西向北东径流。由于隧道高程低于泉口高程，二者相差350 m，隧道修建后，使隧道南北两侧地下水改变原有的径流方向而向隧道汇集，因此造成洞湾泉原地下水分水岭向北偏移，泉水流量大量减少。由于地下水的袭夺，该泉的泉域面积逐渐缩小，甚至有枯竭的可能，对白果坝集镇生活用水构成严重威胁。

S04(大鱼泉):泉域地下水系统狭长，由北东向南西穿越隧道，北侧地下水几乎全部被隧道截流，并袭夺南侧部分地下水资源，因此泉水流量大量减少。

S05(小鱼泉):泉域地下水系统狭长，由东向西穿越隧道，东侧地下水部分被隧道截流，并袭夺西侧部分地下水流，因此泉水流量减少。

3.4 引发干旱缺水

据调查，隧道顶部一带农民近年来农作物欠收，苞谷、黄豆等产量年年减产，生活饮用泉流量减小，甚至个别泉出现了断流现象。主要原因在于隧道建成后，区内地下水垂向径流、快速排泄，导致地下水位下降，引发区内干旱缺水。据初步了解访问，区内干旱面积逐年增大，近年来累计达数十万公顷，干旱使得区内人口频繁外迁，外迁人口达20余户百余人。由于区内广布碳酸盐岩层，其土壤类型为粘性的石灰土［4］。石灰土孔隙度很大，水、肥极易漏失，使得农作物、植被的自然生长条件较差。加之目前的干旱缺水，区内生态环境日趋恶劣。

4 结论

云雾山地下隧道的集水、过水作用，在一定程度上改变了云雾山地下水径流方向和排泄场所，且地下水分水岭位置亦随之发生改变，隧道区形成新的地下水流动系统。隧道周边分布的岩溶大泉流量有相当程度的减少，引发水资源枯竭、缺水干旱等问题。从隧道涌水携带的细泥质颗粒观察，由于地下水日积月累的潜蚀作用，洞身段相对应的地表岩溶漏斗逐渐增多加剧，出现较轻微的地面塌陷现象。

隧道涌水水质虽然较浑浊，但流量较大，依然具有开发利用的巨大潜力。建议当地政府就地设置水厂，进行综合利用，并于隧道顶部封山育林，种植水源林，形成有利于社会发展的新的生态地质环境。

［1］ 王宇，张贵，李丽辉，等.岩溶找水与开发技术研究［M］//水文地质学基础.北京:地质出版社，2007.

［2］ 汶文钊.宜万铁路云雾山隧道溶洞施工技术［J］.铁路标准设计，2010(5):27－29.

［3］ 王大纯，张人权，等.水文地质学基础［M］.北京:地质出版社，1995.

［4］ 陈海波，杨世松，程伯禹.《中国岩溶地下水与石漠化研究》之鄂西南岩溶石山地区生态地质环境评价研究［M］.南宁:广西科学技术出版社，2003.

(责任编辑:于继红)

The Effect of Tunneling Engineering on Geological Environment in Yunwushan Karst Area

ZHU Jun
(Hubei Geological Environment Station，Jingzhou，Hubei434020)

Since the western development，a number of tunnels are formed in the development of transportation construction.Yunwushan tunnel project is a typical example，the tunnel gushing appear artificial water points，becoming underground corridor of the medium catchment，and triggered a series of environmental and geological problems including a partial collapse，depletion of water resources and drought.

tunneling engineering;karst;groundwater system;environmental geology

U45;P642.25

B

1671－1211(2013)06－0776－06

2012－12－11;改回日期:2013－03－21

祝军 (1972－)，男，助理工程师，水文地质与工程地质专业，从事水工环地质工作。E－mail:404741310@qq.com

book=781,ebook=187