地表水文监测在岩溶隧道施工中的应用

周 坤，方俊波

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

20世纪50年代，圆梁山地区被国内水文、地质专家判定为修建隧道的“禁区”，修建渝怀铁路的计划一再被推迟。圆梁山地区地质非常复杂:向斜和背斜地质构造普遍存在，张裂隙和断层交互，地表岩溶漏斗、洼地密布，地下存在大规模的暗河及网状发育的岩溶管道。隧道开挖一旦触及高压富水的岩溶管道，将会出现涌突水和涌突泥。隧道涌水会对地表井泉、悬挂泉、地下水、地表植被等生态环境以及居民生活用水产生影响。埋深较小时，隧道涌水会直接袭夺并疏干地表水，但涌水量不会很大;埋深较大时，地下岩溶水来源补给广泛，其水位下降缓慢，至岩溶管道疏通到一定程度后，才会受地表大气降雨的影响，与地表水文发生直接联系，此时隧道涌水量会很大，对施工的影响亦大［1］。向斜区特殊的地质环境，决定了悬挂泉、地表井泉等水体与地下水有着密切的水力联系。地下水的流失或漏失将会破坏地表水与地下水之间的水力平衡，使地表水体水量减少、甚至被疏干，从而影响地表居民的生活和生产，进而会对周围环境产生严重的影响。

目前，国内外许多专家学者已经开展了隧道涌水对地表环境影响方面的研究。文献［2］介绍了歌乐山隧道洞口及地表水的环境监测、超前地质预报体系的建立情况;文献［3］研究了隧道疏干排水对周围地下水系统的影响，并模拟预测堵水成功后水位的恢复情况，分析了隧道对周围地下水位以及引起的地面塌陷的影响;文献［4］通过预测隧道涌水量，分析预测隧道涌水及洞顶漏水对顶部泉眼、地下水、植被、居民生活用水产生的影响;文献［5］结合隧道施工涌水状况以及已开挖段所揭示的地质条件等，利用地质原形研究和同位素分析等方法重点分析隧道涌水来源及其与杞麓湖的水力联系，明确隧道工程对周边地区水环境的影响;文献［6］通过圆梁山隧道毛坝向斜段涌突水监测数据，结合地表降水资料，分析了影响隧道排水量、隧道支护稳定性的主要自然因素及排水工程对地表水环境产生的影响;文献［7］叙述了宜万铁路所有的风险隧道均要求进行系统性地表水文监测，制定岩溶隧道安全施工管理等级，确定进洞安全施工条件。以上相关文献在论述隧道涌水对地表环境的影响程度和范围方面的还比较少。本文主要开展一系列地表水文监测项目，对岩溶隧道地表水文环境进行长期监测，并对监测数据进行系统分析，评估出隧道涌水对地表环境的影响程度及范围。

1 工程概况

圆梁山深埋特长隧道是重庆至怀化线的关键性控制工程，隧道进口位于细砂河东岸的瞻家坝，出口位于属麻旺河源头的炭厂河西岸，最大埋深约780 m。隧道穿越乌江与沅江水系分水岭圆梁山地区，为中、低山深切河谷地貌，相对高差800余米，主要地质构造为毛坝向斜和桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂等构造。

圆梁山地区河流除细砂河属乌江水系外，其余均属沅江水系，两者分水岭位于毛坝向斜西翼标高1 350 m以上的长条形山地(属大娄山期台面)。水系主要呈羽毛状，主河流大多沿北东向发育。如细砂河，发育于本区西北部，流向南西，经细砂乡、细砂口流出本区;位于毛坝向斜和桐麻岭背斜之间的后河，发育于犀牛洞暗河和半节河暗河，流向北东，至鸦雀口后转成南东，成为切穿背斜轴部的横向河谷;志留系泥、页岩地层中多发育与北东向主构造线垂直的横向河谷，流入主河流，与主河流构成羽状水系。毛坝向斜中的可溶岩地块中多为各自封闭的岩溶洼地，难以形成较大的地表径流。毛坝盖山脉其余地段大气降水多转为地下水，从东、西两侧悬崖下以岩溶泉(暗河)流出地表，东侧汇入冷水河，西侧汇入细砂河流出隧道区外［8］。圆梁山隧道毛坝向斜地表水文情况如图1所示。

图1 圆梁山隧道毛坝向斜地表水文地质图Fig.1 Ground surface hydrology of Maoba syncline of Yuanliangshan tunnel

圆梁山地区气候温和，多年平均降水量为1 383.6 mm，且分布不均，主要集中在 5，6，7，8 等月，占年降雨量的54.3%。1951—1970年当地气象站多年平均降水量如表1所示。

2 地表水文监测项目

为了明确圆梁山隧道施工对向斜地表环境的影响程度及范围，施工阶段根据向斜段地表水文情况，进行了悬挂泉流量监测、井泉水位监测、大气降雨量监测。

表1 当地气象站多年降水量统计表(1951—1970年)Table 1 Rainfall statistics

1)悬挂泉流量监测。毛坝向斜区地下存在着较发育的岩溶系统，如区域性地下暗河等，其排泄点主要以悬挂泉的形式存在，监测其流量变化可确定隧道涌水对向斜区域地下水位产生的影响。

2)井泉水位监测。随着地下水位下降，地下水力梯度增加、溶蚀加强、隧道与地表的连通性更加明显，可能会使依靠大气降雨补给、局部地表径流形成的地表的水源点被袭夺疏干，导致隧道通过地区居民的饮水困难。进行地表井泉水位监测，可以得知隧道涌水对地表水文环境的影响程度及范围。

3)地表降雨量监测。岩溶区地表及地下水的主要补给来源均为大气降水，进行大气降雨量监测并对比隧道涌水，对判断隧道所揭露出的溶管、裂隙及溶洞涌水等是否与地表发生水力联系意义重大，即能较准确地评估隧道与地表的连通性大小。地表水文与隧道涌水发生较强水力联系时或隧道与地表连通性明显时，则大气降雨将直接影响隧道的涌水量。此时监测大气降雨能及时预测出隧道出现的涌水量以及最高涌水量，从而能反馈信息，优化设计方案，确保隧道施工安全。同时，根据雨季与枯雨季的辩识，能选择良好的施工时机。

3 地表水文监测及分析

3.1 悬挂泉流量监测

3.1.1 典型地表悬挂泉

圆梁山隧道进口端由向斜西翼向东翼施工，首先遇到的是属于向斜东翼龙家坝—茨竹坝—犀牛洞岩溶水系统，随着向向斜核心推进，隧道已出现有特大溶洞的征兆，此时监测该地下岩溶水系统或地下暗河的一个重要排泄点——茨竹坝龙洞悬挂泉流量的意义特别重大。通过监测与隧道垂直距离为300～400 m的茨竹坝龙洞悬挂泉流量变化，可以得知隧道所揭示出的向斜核部附近的岩溶水系统是否与埋深为300～400 m的地下岩溶系统或暗河相通。

茨竹坝龙洞位于向斜东翼的P1地层中，洞口标高为976.7 m，距向斜轴部地面300～400 m。隧道穿越的向斜核部悬挂泉、井泉平面位置如图2所示。

3.1.2 监测方法及频率

茨竹坝龙洞是一个常年有泉水流出的悬挂泉，有稳定的水源补给，即使在当地最缺雨水的冬季，仍有泉水流出，为当地居民旱季水源所在地。龙洞内深水潭是地下暗河天窗，地下暗河水位高则满溢，故龙洞水流量较小。在水流量较小时，采用容积法测量;水流量较大时，采用三角堰板法或矩形堰板法测量。又由于龙洞地处高山悬崖下，路陡而险，平时少有人经过，故将其监测频率控制在1～3次/月。茨竹坝龙洞悬挂泉流量自2002年1月开始测量。

图2 隧道穿越的向斜核部悬挂泉、井泉平面位置图Fig.2 Plan layout of hanging springs and well springs at core section of syncline through which the tunnel passes

3.1.3 监测结果及分析

茨竹坝龙洞悬挂泉水流量监测结果如图3所示。

图3 茨竹坝龙洞2002年1月至10月水流量柱状图Fig.3 Water flow volume of Cizhuba cave from January to October in 2002

由图3可知，龙洞水具有典型的岩溶山区井泉特性，动态变化比较明显，在雨季4月至8月，龙洞涌水量明显增大，在枯雨季节1月至3月，水流量则明显减小，且减小量在数倍以上。对照毛坝地区降雨量曲线可知，龙洞水流量与向斜地表降雨量关系密切，一旦降雨量大，则龙洞水流量有比较明显的变化，如2002年5月4日毛坝地区降特大暴雨，日降雨量在112 mm以上，2 d后，监测到龙洞最大水流量为51.75 m3/h。

根据地质勘探资料，在隧道开挖前，龙洞最大水流量为69.699 m3/h，最小水流量为 1.12 m3/h，平均水流量为36.578 m3/h。茨竹坝龙洞水流量与地勘资料对比如图4所示。

图4 茨竹坝龙洞水流量与地勘资料对比图Fig.4 Comparison and contrast between water flow volume of Cizhuba cave and geological survey result

由图4可知，隧道施工后，龙洞水流量于雨季比较接近于地勘资料所述平均涌水量，但在枯雨季则远低于平均值，即龙洞水在枯雨季，水流量没有以往丰富。至目前为止，龙洞在枯雨季每天仍有近50 m3的水量流出，足够山谷中数百居民生活及生产所用。

水淹沱—茨竹坝—毛坝岩溶水系统的另一个主要排泄点——毛坝犀牛洞悬挂泉与隧道距离较远(5 km左右)，其水位正常，利用该水源发电的毛坝水电站正常工作，能满足全乡用电需要;利用犀牛洞地下暗河天窗对毛坝乡进行供水的毛坝抽水站亦能正常工作，满足全毛坝居民生活之用，故圆梁山隧道施工对犀牛洞的水流量无影响。

综上所述，圆梁山隧道向斜核部溶洞涌水对相距较近的地下暗河排泄点水流量有一定影响，而对相距较远地势更低的另一个地下暗河排泄点水流量基本上无影响或影响较小。

3.2 地表井泉水位监测

3.2.1 典型地表井泉

进行水位监测的地表井泉主要集中在距隧道中轴线南北两侧600 m内，主要有三股水1#、三股水2#、石水井、茨竹坝井和木林堡泉等，5个井泉中除三股水1#和三股水2#位于向斜西翼外，其余3个井泉均位于向斜东翼。5个井泉点与隧道平面位置如图2所示。

三股水共包括2个小泉点，呈直线排列，几乎与隧道中轴线平行，相距仅10 m左右。三股水1#位于近向斜核部西侧的一大型槽谷底部，渗漏条件较好，即使在雨季其亦时常干枯;三股水2#位于槽谷壁上，距谷底高2～3 m，三股水2#由于地表径流补给区较大，水量较充裕，即使在枯雨季也没有干枯过。三股水2个井泉均未被当地居民生活及生产所用，所测量到的井泉水位受外界影响较小。

木林堡泉和茨竹坝井均位于向斜东翼、隧道南侧、近核部轴线、处于F8断层上、距隧道中轴线不足百米的一个较大的岩溶洼地中央，接受四周高地地表径流补给。木林堡泉在雨季时，水位较高，较充裕;在枯雨季时，较茨竹坝井泉干枯得快，为一典型洼地季节性井泉。茨竹坝井可供茨竹坝村近百人生活用水，枯雨季水量少，渗水量能被当天用干，但至第二天时则又蓄水至一定水位;雨季时则井水取之不尽，不会干枯。

石水井位于向斜东翼、隧道轴线北侧，距隧道中轴线不足500 m。根据地勘资料，石水井位于F9横向断层上，自地表水力坡度走向分析，其对隧道涌水相关性不大。

根据调查，在向斜地表核部，除有较多岩溶洼地外，还有数个岩溶漏斗，说明向斜核部地表与地下暗河系统的连通性较好。

3.2.2 监测方法及频率

用长直尺直接测量或设立固定标杆测量，要求每次均在居民吃水以前且在同一时间进行。量测频率为1次/(1～3)d。

3.2.3 监测结果及分析

隧道上方地表井泉水位变化曲线如图5所示。

图5 隧道上方地表井泉水位变化曲线Fig.5 Variation of water level of well springs above tunnel

由图5可知:1)木林堡受大气降雨的影响较大，曲线梯度变化明显，在枯雨季，其干枯得较快，而在雨季又能维持在一定的高水位，表明木林堡地表径流补给区较大，汇水面积较大，同时亦表明其下渗条件(即岩溶发育)相对要好一些;2)石水井、茨竹坝井水位变化幅度不大，受大气降雨的影响不大，接受地表径流有限，分析其主要是通过F7断层和F8断层进行水源补给，有较长、较稳定的补给源;3)三股水2个泉点位于大型槽谷底部，岩溶发育，使其下渗条件好，水位并不随大气降雨有明显的变化(实际上，三股水2个泉点均得到了向斜另一侧东翼的汇水绕轴补给)。

为分析隧道涌水对地表井泉水位的影响，将地表井泉水位、大气降雨及隧道涌水量变化进行对比，具体情况如图6所示。

由图6可知:1)隧道于2，4，9月发生了3次涌水，但地表井泉水位于4月至8月基本上稳定在同一水平，并没有因隧道大量失水而下降，仅仅是由于进入枯雨季，地表井泉9月水位有所下降。2)地表井泉水位变化曲线与大气降雨量曲线的相关性更大，而与隧道涌水的关系不大，说明隧道涌水对地表水文环境的影响程度较小(即圆梁山隧道向斜段地表井泉水源均为浅层地表径流补给，隧道涌水并不会疏干地表上所有的井泉点水源，对居民的生活影响有限)。

图6 井泉水位、大气降雨及隧道涌水变化曲线图Fig.6 Comparison and contrast among well spring water level，rainfall and water burst

3.3 大气降雨量监测

3.3.1 监测方法及频率

在毛坝向斜区租用民房并设立临时降雨量监测站，用气象专用雨量仪进行量测，每天早晚定时观测2次，同时记录天气情况和气温等。大气降雨量监测频率为2次/d。

3.3.2 监测结果及分析

自2002年1月1日开始进行大气降雨量监测，数据统计至2003年5月20日。隧道上方毛坝向斜区月降雨量如图7所示。

图7 隧道上方毛坝向斜区月降雨量监测结果Fig.7 Monthly rainfall of Maoba syncline above tunnel

依据当地气象站资料，隧道所在地每年降雨量均集中在4月至8月，故可认为隧道上方地表4月至8月为雨季，11月至次年3月为枯雨季，9月至11月为雨季向枯雨季过渡期。自4月进入雨季后，地表连续5个月的降雨量几乎均在同一水平(250 mm左右)，并且降雨量较大的月份均出现过暴雨或大暴雨。如2002年4月16日，向斜地表降大暴雨，日降雨量达124.7 mm，为全年日降雨量之最，使2002年4月月降雨量上升到383.2 mm，亦为全年之最;2003年4月18日，向斜地表降大暴雨，日降雨量达73.5 mm，使2003年4月月降雨量上升到248.9 mm。由此可知，暴雨是月降雨量多少的主要原因。

圆梁山隧道向斜地表2002年9月1日至2003年5月20日隧道涌水与大气降雨的时程对比曲线如图8所示。

图8 隧道涌水与大气降雨曲线对比图Fig.8 Comparison and contrast between water burst and rainfall

对比地表降雨曲线，可将隧道向斜段的涌水动态划分为隧道与地表水力未连通、基本连通和完全连通3个阶段。在未连通阶段，即2002年9月1日至10月16日，隧道除9月10日一次突水涌砂事故引起水量增加外，其余时间内涌水曲线变化平缓，不受地表降雨的影响;在基本连通阶段，即2002年10月17日至2003年4月10日涌水曲线有所起伏，变化幅度与隧道施工及地表降雨相关;在完全连通阶段，即2003年4月11日后，隧道涌水大小基本上受地表降雨的影响，与施工过程相关性不大。

由图8可知:1)在未连通或基本连通阶段，即使是特大暴雨所引起的隧道涌水量亦没有超过96万m3/h;2)进入完全连通阶段，地表中雨以上强度的降雨能引起隧道144万m3/h以上强度的涌水量;3)2003年4月一次地表暴雨将隧道与地表基本连通的岩溶管道完全疏通，从而使隧道后续施工更加困难;4)在完全连通阶段，地表暴雨对隧道结构的破坏作用最大，隧道内涌水最大，对施工的影响最大。

2002年11月至2003年3月地表降雨强度及密度明显减弱，降雨量基本在20 mm以下，超过10 mm的雨量不多。10 mm以下的降雨基本上不会引起隧道涌水量的变化，故在枯雨季2002年11月至2003年3月进行隧道施工要相对安全一些，隧道突水涌砂的可能性较小。

4 结论与讨论

1)隧道涌水可能对向斜区深层岩溶系统(如地下暗河水位等)有一定程度的影响，对地表浅层的岩溶水系统影响有限，即隧道失水对地表井泉水位影响较小。毛坝向斜地表居民在隧道修建后的10年内生活用水正常，地表植被能正常生长。

2)圆梁山隧道选定在分水岭附近穿越向斜地层是合理的，可以将隧道施工对地表环境的影响降至最低。

3)通过对比地表大气降雨及隧道涌水，可以评估出隧道与地表的水力连通性大小;通过分析降雨量，可以确定当地的雨季及枯雨季并寻找出大气降雨规律。

4)若隧道已与地表产生水力连通，则应在枯雨季突破涌水溶洞，雨季施工时应进行分级管理(地表降雨量在10 mm以下时可安全施工)。

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