隧道施工对水资源的影响及防治方法探讨

黄宝安

摘要：隧道属线状的地下工程，是道路交通、水利、能源以及其他相关建设工程的重要组成部分，山岭隧道在建设过程中需穿越各种不同地质体及断裂层破碎带、裂隙密集带等水文地质单元，不可避免的改变围岩介质的水文地质条件，并在一定程度上破坏水资源环境和生态环境，造成隧址区及周边区域补、迳、排平衡破坏和地下水位下降，地面溪沟水量减小甚至枯竭、井泉干涸、泉口下移或消失，甚至诱发地面裂缝、塌陷等地质灾害，影响当地人民生活和工、农业生产。同时，可能造成洞内流泥突水、塌方冒顶、淹井等事故，影响工程建设乃至营运安全，危害严重，本文以龙岩某隧道施工过程水文工程地质问题为背景，探讨隧道施工对水资源环境的影响、地下水对工程施工的危害及其防治措施，对山岭隧道建设提供治水思路，有一定的指导意义。

关键词：隧道施工、渗漏、突涌、水资源流失、灾害防治

一、概况

梅花山隧道是赣龙复线重难点控制性工程之一，属山岭隧道，位于龙岩市连城县与上杭县接壤地带，设计全长13780m，为单洞双线的铁路隧道，横断面按椭圆曲线设计，道床宽度12m，洞径较大，属特长大断面隧道。进出口设计高程分别为462.212m、550.032 m，最大埋深688.21m，属深埋隧道，纵向采用折线坡形设计，进出口坡率分别为10.9‰～7‰和-3‰，分水变坡拐点设于地表主分水岭地带附近。本隧道DK219+300～DK223+460段从兰桥、江畲村庄下方通过，横穿上部的溪流水系，随着开挖深度的逐步推进，隧洞开挖所到之处当地取水溪沟流量骤减并逐渐加剧（沿线见多处漏水点，图1），枯水期沿线两侧附近较大范围及其下游河段出现溪沟断流现象、泉水干涸或泉口下移，造成农田荒芜、粮食绝收、地表开裂、土地持水能力下降，当地村民和厂矿企业的生产、生活用水受到严重影响，生态环境遭受破坏，百姓生活困难。同时突水灾害也严重影响隧道施工进度，甚至出现淹井事故，被迫停工、延误工期。

二、地质概况

1、区域地质

根据区域地质资料和现场地面调查，隧址区大地构造单元处于武夷山脉南段与博平岭之间的玳瑁山腹地，历经长期地质历史演变和多次构造运动，形成以脆性断裂为主的构造形式。

区域地层主要由白垩系上统沙县组（K2s）、侏罗系上统兜岭群（J3dl）、侏罗系下统梨山组下段（J1la）、二叠系上统翠屏山组（P2cp）、二叠系下统童子岩组（P1t）、二叠系下统文笔山组（P1w）、二叠系下统棲霞组（P1q）、石炭系下统林地组（C1l）、泥盆系上统桃子坑组（D3tz）。后期岩浆活动较强烈，喜玛拉雅运动、燕山运动导致大规模的岩浆侵入，岩性以花岗岩为主的酸性岩。

2、地形地貌

隧址区所处的地貌单元属构造侵蚀剥蚀中低山、低山及山岭之间的断裂谷地和断陷盆地地貌，海拔高程一般介于约430～1250m，沿线地形形态复杂，山高谷深，坡度一般介于35°～45°，局部达70°～80°，并常见悬崖峭壁，沟谷多呈“V”形，谷底多见基岩裸露，纵向坡降较大，水系发育，呈树枝状或羽状，地表径流量较大，自古以来是水源充沛的地方。沿线树木茂盛，属典型的亚热带森林植被，覆盖良好，为重要的水源涵养地。

3、地层岩性

根据区域地质资料和现场调查，梅花山隧道地层为二叠系下统文笔山组（P1w）灰色、灰黄色泥岩、粉砂岩；石炭系下统林地组（C1l）灰黄、灰白色石英砂砾岩、砂岩；泥盆系上统桃子坑组（D3tz）灰白色石英砂砾岩、砂岩夹紫红色千枚状粉砂岩。后期侵入岩——燕山早期（γ52（3）c）浅肉红、浅褐灰色中、粗粒花岗岩构成隧道主要围岩。

4、地质构造

隧道沿线围岩以脆性硬质岩为主，受区域构造作用和长期地质历史演变影响，形成复杂地质构造形式，山脊走向与构造线基本一致，以断裂构造为主，规模较大，切穿不同层位和不同性质岩层或岩体，区内出露的断层有北东向、北北东向、及北西向多条区域性断裂，以及次一级的节理裂隙发育密集带、挤压碎裂带。据已有搜集到的资料和现场调查走访，隧址区沿线自东南向西北四次横穿北东向（F3、F4、F6、F7）区域性断层，一次穿越北西向区域性断层（F5），断距较大，破碎带及两侧影响带宽度达120m以上，接受大气降水补给条件好，大小断裂构造相互交切贯通，导水性好。见图1（本图删除部分涉密内容）。

北东向断层F3、F4、F6、F7，呈张扭性、张性特征，产状336～1130°∠73～87°，充填构造角砾岩、石英脉等，与洞轴线交角35～74°北西向F5断层发育于花崗岩，并切割北东向的F4断层，呈压扭性特征，充填糜棱岩、压碎岩和石英脉等，与洞轴线交角约65°，其次一级羽状构造发育，具备良好的地下水储存空间。

5、水文地质特征

根据区内出露的地层、岩性组合结合含水介质、地质构造的空隙性质及地下水的水力特性，本区主要为基岩裂隙含水岩组，对隧道充水有直接影响的主要是构造裂隙水，赋存于块状岩类或碎屑岩类裂隙密集发育带、挤压碎裂带和断裂构造中，受地质构造控制，一般具承压性质，富水性各向异性且极不均匀，断裂带的中心部位尤其是相同体系不同方向断裂的交接部位富水性强。主要接受大气降水和风化孔隙裂隙水、邻近含水层（带）的垂向或侧向补给，自然状态下一般以泉的形式在地形有利的沟谷底部出露，汇集后形成地表溪流（见图1）。

三、水资源流失原因分析及影响评价

梅花山隧道位于区域构造带影响区，尤其是在江畲、兰桥村庄上游断层、节理裂隙等脆性变形发育，规模较大，区内地形切割强烈，沟壑纵横，山间沟谷狭长纵坡降较大，岩石断裂发育，相互交切，岩体被切割破碎，呈菱形小块体，裂隙密集带、构造破碎带、断层透水性较强，有利于地下水运移，地下水的水力坡度较大，流速较快，循环交替作用较强烈。

隧道开挖揭露含水带（体），加上施工爆破产生一定的震动裂纹（缝），破坏了自然水文地质环境，改变原有的地下水迳流、排泄的循环的自然平衡，迳流系统发生变化，隧道成为地下水的低位排泄长廊，并通过断层延伸袭夺汇水区域以外的地下水，地表水、地下水通过导水断裂构造和破碎带下渗，排入洞内，从隧道大量流失，形成相互叠加的区域降落漏斗，降落漏斗范围内含水层（带）被疏干，造成区域地下水位下降，溪沟流量骤减乃至断流，沿线当地村民和厂矿企业深受断水困扰，无法正常生产生活（见图1、下图2）。

理论和经验都表明，一般情况下水源地与洞轴线距离愈小，导水构造愈发育，水资源流失受隧道挖掘影响的程度就愈大，反之则小。DK219+300～DK223+460段所在的兰桥村和江畲村地质构造复杂，各种结构面相互穿插交切，连通性较好，岩石破碎，导水性较强，取水溪沟处于洞轴线两侧，隧洞横穿溪沟汇水区域中部，隧道设计标高低于各取水沟谷汇水范圍标高，因此水资源流失情况最严重，出水点多，形态复杂，渗、滴、淋、涌、突、喷、暴为主要出露形式，根据现场地质编录统计，隧道开挖过程中出现13处较大的涌水、突水灾害，经量测最大单股流量达1172.5 m3/d，呈喷射状，水流成河，下坡施工段出现淹井险情。

地下水的迳流模数根据枯水期隧洞内代表性段地下水流失量和隧洞影响区面积之比反算该地区地下水迳流模数，同时考虑袭夺区外地下水等情况和地区经验，结合类似工程的水文地质比拟法综合确定梅花山隧道地下水迳流模数为6.68l/s·km2。

四、防治对策和措施

有关国家标准和行业规范要求隧道设计、施工对地表水、地下水应作妥善处理，采取防水资源流失而破坏当地生态环境及造成农田灌溉和生活用水困难等后患的措施，采用一定的技术手段进行综合防治，标本兼治。施工过程中密切观察隧道挖掘施工中地层岩性、节理裂隙、破碎带、分散性或小股地下水出露情况和变化情形，辅以物探（红外线探水或采用地质雷达、地震波反射TSP）、超前钻探、测试试验等进行超前探水，摸清工作面前方水文地质情况，综合采用连通疏导、衬砌封闭、帷幕灌浆、径向环状止水注浆、顶水注浆等施工工艺，掌子面小导管超前预注浆和周边预注浆，开挖后围岩回填灌浆、固结灌浆等措施对沿隧洞轴线含水带地下水进行堵截，在隧道开挖线外围一定范围内截断地下水域隧道之间的水流通路，经处理在隧道洞室周边形成注浆堵水圈，有效的预防隧道突水、透水事故。从理论上讲，采用上述防治措施能确保隧道工程竣工后基本属于封闭性质，洞体对地下水环境的影响仅相当于岩体中的一个阻水棱体，基本保持地下水的原始循环与贮存状态，地下水迳流或渗流途径未被重大改变，地下水的工程性流失量小，对周边的水文地质环境影响小。本隧洞采用上述措施对一般渗、滴、淋、小股涌水等出水地段成效显著，封堵基本达到预期目标和效果。

然而对于规模较大强透水的张性、张扭性断层，切穿多含水岩组，尤其是不同方向断裂交汇部位的强富水带，由于隧道埋深大，渗流压力高，流速快、水量大，尽管采取上述预防治理措施，限于目前技术水平和施工工艺，采用传统防治手段进行洞内疏堵代价高昂且难以达到预想效果、实现防治目标。从洞内出水情况看，本隧道出水主要为断裂构造导通，以点状成股喷涌为主，出水较集中但补给位置至出露点有一定距离，渗漏（迳流）途径较长，鉴于上述情况，笔者认为治理可转换思路，寻求技术突破，采用地面工程进行治理，在溪沟渗漏河段通过相关技术支持如遥感遥测、地质、物探、钻探，以及地表坑道工程（剥土、探槽、浅井）等方法查明渗漏通道，制定合理的治理方案、措施。

首先可利用现有的航空照片，通过目标地物的色调、阴影、形状、纹理、大小、位置等识别特征，对影像进行解译判读粗略圈定异常区域，通过地面调查和观测地表水渗漏流失位置和水量，各河段地表水流量等变化情况，将航片解译成果与水文地质资料拟合的情况进行综合分析进一步缩小目标区域范围，利用不同含水构造与围岩介质的物性差异采用激电法、电测深、核磁共振等物探方法和手段探测物性异常，并选择代表性的典型地段进行钻探验证，确定导水断层或构造破碎带的平面位置、规模、产状及空间形态，圈定渗漏范围，采用钻孔注浆、缝隙填塞等方法截断地下水渗漏通道。对于透（富）水性较强、渗流压力较大造成浆液流失的部位，可考虑采用高分子化学材料进行高压灌注堵水，采取间歇性施工、水泥、水玻璃双液注浆等施工措施。对于沟底集中漏失的地段，可采用埋地渠道或引水管道跨越。通过以上综合措施治理减小水资源流失，最大限度地恢复地下水位和保护生态环境，从根本上解决当地村民和厂矿企业生产生活用水问题，同时减小地下水对隧道施工和铁路运行的影响，避免留下“后遗症”。

五、结语

地下水漏失是隧道工程施工中的普遍现象，是隧道工程的第一顽疾，通常有“十隧九漏”之说。总的来说，隧道等地下工程治水应贯彻以防为主的方针，重视预防，事前的预测预报工作是治水能够成功与否的关键，应在“治本”上下功夫，影响区范围内地下水补给、迳流、排泄自然系统平衡破坏之前进行预处理，才能达到预期效果，一旦水自然循环平衡系统遭受破坏，治理的效果将是事倍功半。本区属丘陵山地，地质条件复杂，地质构造发育，是工程地质、水文地质最复杂的地区之一，隧道工程施工由于水的因素引发的地质灾害时有发生，隧道建设如何有效进行水患防治，打造绿色工程、环保工程是隧道工程建设的重要课题。一方面可确保工程建设安全和运营安全；另一方面可避免工程性水资源大量流失，沿线村庄、厂矿生产生活不因工程建设产生重大影响，保障人民安居乐业，创建生态文明、环境友好型社会。本文通过对裂隙型隧洞水患进行调查，提供一种治理方法的新思路，对类似工程水害治理、防灾减灾有一定借鉴作用。

参考文献：

（1）《1/20万上杭幅区域水文地质普查报告》.

（2）根据中华人民共和国行业标准《铁路隧道设计规范》TB10003-2001.

（3）《铁路隧道施工规范》TB10204-2002 .