华蓥山隧道底板涌水原因探讨

李汶洋

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

华蓥山隧道底板涌水原因探讨

李汶洋

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

华蓥山隧道埋深较大，开挖后出现底板涌水，且长时间不衰减，以致影响施工和地下水平衡。通过对地表水和洞口流量的监测、隧道开挖地质分析和底板地质探测，分析华蓥山隧道底板涌水原因，得出如下结果：隧道埋深较大，存在广泛的补给源，与地表水有一定的水力联系；隧道地质差，开挖后，隧道底板的厚度不足以抵挡地下水压力；围岩差，存在明显的裂隙或管涌通道，涌水源通过裂隙通道与其他地方水源贯通。

隧道涌水；破碎带围岩；地下水；水文监测；超前预报；F1断层

随着西部经济的快速发展，高速公路进入全新的发展时期，各种长大隧道层出不穷。由于地质复杂，隧道修建时常常遇到各种地质问题，其中涌水是地质灾害的一种。由于施工过程中地下水排放，地表水受到一定影响。地下水的持续排放会带走管道中的填充物，从而形成连通的地下水管道。隧道建成通车后，地表水的恢复，连通管道的存在，致使隧道修建过程中地下水未处理好的地方产生隧道病害，通车运营后将影响隧道质量，会导致时常维修，不仅影响交通，而且还带来安全隐患[1-4]。

隧道涌水会对2方面造成影响：1) 环境；2) 工程。环境影响：由于隧道开挖涌水破坏了地下水平衡，且在短时间内无法恢复，从而导致该地区地下水流失严重，破坏生态系统。工程影响：施工过程中隧道无法正常施工，隧道竣工后，因水引起各种隧道病害[1-4]。

国内对隧道涌水的研究，秉承“以堵为主，限量排放”的治水原则。王纯详等[5]利用仿真模拟手段，考虑降雨补给、真实三维地形、隧道埋深及时空开挖对隧道涌水及地下水环境的影响，指出涌水的影响范围与隧道埋深和该地区地形地貌、地质条件有很大关系，认为前期地勘的准确性对隧道施工及预防涌水有很大关系。韩行端等[6]根据水质及水流特征，将涌水与岩溶之间的关系分为地下河系统和岩溶泉系统，同时将岩溶进行分带，且总结出岩溶隧道涌水及其专家评判系统，以预测和判断涌水情况。刘人泰[7]研究了新型注浆材料——水泥基速凝浆液，并对其堵水的扩散机理及对动水的效果进行了分析。张成平等[8]研究了高水压限量排放下注浆圈合理参数的选取。

总之，隧道涌水产生的环境及隧道结构影响短时间内无法判断，因此，本文借鉴以前的研究成果，根据华蓥山隧道地质特征，对该隧道的涌水原因进行分析和探讨。

1 工程水文地质

1.1 工程概况

华蓥山隧道为南充—大竹—梁平(川渝界)高速公路上的一座特长隧道。该隧道穿越华蓥山山脉，长8 159.5 m(平均)。洞身主要穿过华蓥山背斜和大峡口断裂，隧道内存在断层破碎带、软弱围岩、岩溶及岩溶水等不良地质和特殊地质。 隧道采用上下台阶法施工，局部采用预留核心土法施工。

1.2 涌水概况

华蓥山隧道进口右洞上台阶开挖至桩号K107+556时，上台阶底板未出现明显涌水。随着掌子面推进，到桩号K107+558时，施工放炮扰动，在K107+556上台阶底板靠左侧桩号开始涌水。经现场确认，存在明显的管道涌水，且随着时间增加，涌水变清澈，水量逐步变大，最终涌水量约4万m3/d。从隧道开挖、掌子面围岩及超前地质预报结果分析，隧道正在穿越角砾岩破碎层(含石膏)。

隧道继续开挖至K107+556～K107+610段时，陆续出现了多个涌水点，最终涌水量约8万m3/d。华蓥山隧道底板典型涌水点如图1所示。

图1 华蓥山隧道典型底板涌水

1.3 工程地质

华蓥山隧道线路穿越底层分别为侏罗系中下统自流井J1-2、珍珠冲组J1Z泥岩、页岩夹砂岩；三叠系上统须家河组砂岩、泥岩夹煤层；三叠系中下统的雷口坡组和嘉陵江组灰岩、白云灰岩等，局部夹盐溶角砾岩和石膏层。洞身主要穿过华蓥山背斜和大峡口断裂，隧道内存在断层破碎带、软弱围岩、岩溶及岩溶水等不良地质和特殊地质。原施工图中，该段地质为钙质泥岩、泥质灰岩夹白云岩等，局部含石膏及盐溶角砾岩，地表岩层产状为N47°E/44°NW。钻探揭示断层及附近岩芯破碎，挤压揉皱现象严重，褶皱带内岩石挤压强烈，次级背向斜发育。发生底板涌水段，隧道的平均埋深超过200 m。华蓥山隧道的特殊地质断层与隧道的位置关系如图2所示。

图2 华蓥山隧道与F1断层关系

华蓥山隧道地下水主要由南往北流，岩溶及岩溶水发育，K106+840～K108+000段最大涌水量约为8.7万m3/d，隧道施工对背斜西翼岩溶地下水影响范围为5.14 km。隧道水域分布直接影响隧道开挖地下水排放的影响范围。华蓥山隧道隧址区域水系如图3所示。

图3 华蓥山隧道隧址区域水系

2 底板探测

为探明地下水的分布情况，对华蓥山隧道底板进行地质雷达探测，其目的是探测底板下方地下水赋存范围、裂隙通道分布范围以及底板下方围岩、空洞等地质情况，为隧道下一步施工提供地质依据，确保地下水能够在短时间内被封堵，减少施工对地下水平衡的影响，保证隧道结构安全。采用纵横交错方式布设底板雷达探线。

探测结果表明，华蓥山隧道K107+600～K107+605、K107+615～K107+625、K107+632～K107+640段上台阶底部5～15 m范围，节理、溶蚀裂隙较发育且富水，K107+615～K107+645间上台阶下部10～15 m推测有一不整合岩性接触面，与水平面交角约30°，接触面下推测为泥灰岩、石膏。本次探测未发现明显溶洞和大溶腔发育(即未发现有因涌水造成的大溶腔形成)。华蓥山隧道K107+598～+645段底板雷达探测典型的波形图如图4所示。

3 涌水补给源分析

3.1 隧道涌水后地表水监测情况

华蓥山隧道地处喀斯特岩溶地区，且涌水前方存在一个F1断层，在隧道底板范围内未发现明显涌水管道，因此只能简单判断为裂隙水。水文监控表明，该处涌水排量已经影响到地表水位，隧道涌水前后隧址区域地表水文监测情况如图5所示。

华蓥山隧道进口地表溪沟监测情况如下：

1) 洞外发生强降雨，各监测点水量增幅较大。隧道发生涌水后，未发现有落水漏斗和泉井干枯现象。不能判定因洞内涌水导致的地表水量下降，但不排除隧道长期排放地下水造成此种现象。

2) 右洞掌子面涌水点距离断层较近，且岩层较为破碎。断层输水造成本次涌水可能性较大。若为断层输水，从断层延伸情况看，联通隧道左右两侧地下水的可能性较大。如果隧道长期排水，则会导致断层连接区域地下水水位线下降，且隧道轴线两侧地表灰岩段的泉井极有可能出现水量减少甚至干枯。华蓥山隧道地表某处监测水流量变化趋势如图6所示。

图5 华蓥山隧道底板涌水前后地表水量变化

图6 华蓥山隧道地表某处地表水流量监控变化

华蓥山隧道地下水的排放过程：1) 开始打破地下水的平衡过程，地表水在短时间内未受到隧道地下水排放的影响；2) 随着地下水的排放，灰岩地区中的裂隙通道逐步贯通，地表水受到明显影响；3) 地下水与地表水存在明显的通道，致使地表水监控范围内地表水明显下降，但未出现大面积缺水现象。

3.2 涌水与地表水关系

对地表水的观测发现，隧道内地下水的排放致使地表水明显变化；但随着地表水的变化，隧道内地下水有略微变化，且随着隧道的开挖，地下水逐渐增加。对隧道洞口水流量的监测表明，隧道开挖使隧道内地下水明显增加，即使地表水存在明显下降时，隧道内的地下水也未明显减小，且降雨后隧道内地下水也未明显增加。华蓥山隧道洞口地下水水量监控变化趋势如图7所示。

图7 华蓥山隧道洞口地下水流量变化

3.3 地下水补给源

隧道内地下水补给源的判断，有利于隧道实施堵水，减少地下水排放对地表水的影响。对华蓥山隧道地表水的监测和洞口水量的监测表明，隧道地下水会影响地表水，其存在一定的连通性，但地下水的补给源广泛不仅是地表水；地下水排放量长期不衰减，涌水点与地下水补给源存在明显裂隙通道。

4 涌水原因

通过对华蓥山隧道地面的水位监测，以及对K107+540～K107+700段地质开挖现场的分析，并综合隧道洞口排水量的变化，得出该隧道底板涌水原因如下：

1) 区域性F1 逆冲断裂及其影响带是横穿隧道的良好过水通道，地表岩溶地貌特征明显。进口右线涌水段位于F1 断裂下盘的强烈褶皱带，该范围内岩体破碎、裂隙发育。隧道开挖揭示了联通赋存于断裂影响带内的裂隙(溶隙、溶缝)岩溶水的管道导致涌水发生，水文监测资料推测洞内涌水与隧道南侧沿F1 断裂分布的地表水体可能有水力联系，因此洞内涌水可能主要来源于隧道南侧，岩溶地下水补给范围广。

2) 隧道围岩揭露表明，涌水部位为破碎盐溶角砾岩与完整石膏夹层接触带，破碎盐溶角砾岩具有良好的透水条件。隧道开挖改变了地下水的原有运移途径，地下水因重力牵引作用向隧道最薄弱环节(隧底部分的接触带)集中迁移，当其上石膏夹层不足以克服地下水压力时便会发生涌水现象。

3) 进口右线涌水初期为褐黄色带乳白色，而后水质逐渐变清。分析初期颜色浑浊主要是疏导溶隙水时带出了溶隙内的黄泥、砂、过饱和碳酸钙沉淀和破碎带岩屑所致，据此初步排除洞内涌水来自于地下岩溶管道。

4) 华蓥山隧道K107+540～K107+700段地层岩性组成较杂，可溶性不一，因此涌水点分布也表现出间断出露的特点。

5 结论

本文对华蓥山隧道的底板涌水原因进行了分析，得出以下结论：

1) 道路线路规划设计过程中需做好前期地质勘测工作，隧道设计之初尽量避免可能出现的地下水涌水或富水段。因为地下水赋存段对隧道施工及隧道运营安全会带来严重隐患，同时影响地下水的生态平衡。

2) 通常，由于隧道部分段落埋深较大，地表水对隧道的影响存在一定的时间性，因此须及时对涌水进行处理或提早发现涌水并进行前期处理，避免长时间涌水形成漏斗形地下水，避免地下水范围影响扩大。

3) 地下水长时间的排放会导致隧道底板下面存在明显的管涌或裂隙通道，故地下水处治须考虑如何截断通道，恢复地下水平衡循环带。

[1]林传年，李利平，韩行瑞，等.复杂岩溶地区隧道涌水预测方法研究[J].岩土力学与工程学报，2008，27(7)：2469-2476.

[2]赵存明，沈斐敏，唐晓莉.公路隧道施工特大涌水的防治技术探讨[J].中国安全生产科学技术，2008，4(5)：151-154.

[3]赵克东.隧道岩溶及特大涌水治理与施工技术[J].铁道建筑，2009(12)：49-52.

[4]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路隧道设计细则：JTGT D70—2010[S].北京：人民交通出版社，2010.

[5]王纯详，蒋宇静，江崎哲郎，等，复杂条件下长大隧道涌水预测及其对环境影响评价[J].岩土力学与工程学报，2008，27(12)：2411-2417.

[6]韩行瑞.岩溶隧道涌水及其专家评判系统[J].中国岩溶，2004，23(3)：209-218.

[7] 刘人泰.水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D].济南：山东大学，2012.

[8]张成平，张顶立，王梦恕，等.高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究[J].岩石力学与工程学报，2007，27(11)：2270-2276.

Discussion on the Causes of Floor Water Gushing in Huayingshan Tunnel

LI Wenyang

Huayingshan tunnel has a large buried depth,and the bottom water gushing occurs after excavation,and it is not decayed for a long time,which affects the construction and groundwater balance. By monitoring the surface water and tunnel flow,geological analysis of tunnel excavation and geological survey,the author explores the causes of floor water gushing in Huayingshan Tunnel. Results re as followed. Firstly,the buried depth of the tunnel is large and there are abundant recharge water sources,which have certain hydraulic connection with the surface water. Secondly,the tunnel is poor in geology,and the thickness of the tunnel floor is not enough to resist the pressure of groundwater after excavation. Lastly,the surrounding rock is poor,there are obvious cracks or piping channel,gushing water connects with other water sources via cracks and piping channels.

tunnel water gushing; fractured zone surrounding rock; ground water; hydrological monitoring; advance forecast; F1 fault

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.023

四川省交通运输厅科技项目(110109066)

2016-08-29

李汶洋(1987-)，男，四川省遂宁市人，硕士研究生，工程师。

1009-6477(2016)06-0106-04

U459.2

A