岩溶区某拟建隧道的地下水灾害评价

2019-10-25路晓光王庆林张肆红

陕西水利 2019年9期

路晓光，王庆林，张肆红

（1.重庆市地质矿产勘查开发局川东南地质大队，重庆400038；2.云南建投博昕工程建设中心试验有限公司，云南昆明650217）

0 引言

在我国，岩溶是一种分布较广的不良地质，占国土面积的1/3以上[1]，已成为岩溶地区地下工程建设面临的主要地质问题。随着我国交通事业的发展，在岩溶地区进行了大量隧道工程建设，在施工时遭遇了各种岩溶地质灾害的侵扰，给国民生命财产安全造成了严重威胁。据统计，我国80%的岩溶隧道施工时遭遇过水害，至今仍有30%的隧道处于地下水的威胁中[2]。我国已建长隧道（长度大于3 km）中，41.27%在修建过程中遭到了地下水的危害，产生了隧道涌突水、岩溶塌陷等地下水环境问题[3]。因此，岩溶地区隧址区水文地质条件调查和地下水灾害评价具有重要的意义。本文基于重庆市某地区岩溶区隧道工程背景，研究该区域岩溶发育特征及其影响因素，探讨区域水文地质条件并进行地下水灾害评价。

1 工程及隧址区概况

1.1 工程概况

为缓解重庆市黔江区老城区交通压力，加快城镇化建设进程，拟修建桐坪隧道。拟建隧道设计起点位处于黔江区城南街道南沟社区南青路，设计终点位于黔江区正阳街道桐坪村正舟路，连接桐坪路，为城市主干路，设计速度为50 km/h，标准路幅宽度为26.5/14.25 m（单洞），双向四车道，道路左线长3350.881 m，右线长3342.725 m。其中左线隧道设计范围为ZK0+170～ZK3+300，隧道长3130 m，右线隧道设计范围为YK0+200～YK3+295，隧道长3095 m。道路最小圆曲线半径为1300 m，最大纵坡为2.8%。

1.2 隧址区构造

黔江区地处四川盆地盆周山地区域，地质构造复杂，属新华夏构造体系，北北东方向展布褶皱及伴生断裂明显。褶皱有咸丰背斜、濯河坝—大集场向斜、筲箕滩背斜、桑柘坪向斜、郁山背斜、普子向斜、马槽坝向斜、老厂坪背斜、金铃坝背斜和石柱向斜。断层有马喇湖—咸丰正断层、龙潭坝正断层、大水坪正断层、郁山正断层、龙咀河正断层、马武正断层、三岔溪正断层。出露岩层以元古界震旦系白云岩为基底，到白垩系为止，接受了厚达数千米的巨厚沉积岩系的淀积。隧址区出露的地层从老到新主要为志留系上统罗惹坪组～三叠系下统嘉陵江组的一套碳酸盐岩类及碎屑岩类地层，岩性主要以可溶性碳酸盐为主。

隧址区在地质构造上位于濯河坝～大集场紧束向斜的北西翼，以及濯河坝向斜与次级构造黔江向、背斜的共同转折部位，出口处位于肖箕滩断裂带的影响带，受褶邹构造和断层构造的影响，岩层大多单斜陡立，层间错动局部很发育。岩层产状在碳酸岩分布区一般为98°～130°∠56°～82°，在碎屑分布区一般为90°～122°∠29°～56°，往进洞口方向渐转变为302°～310°∠8°～28°。

1.3 岩溶发育的形态

隧址及邻近区域可溶岩由三叠系下统嘉陵江组（T1j）、三叠系下统大冶组（T1d）、二叠系上统、下统地层、以及泥盆系水车坪组（D3s）泥质灰岩、砂岩组成。其中三叠系下统嘉陵江组（T1j）二、四段含较多的盐溶角砾岩、膏盐角砾岩，极易被溶蚀，同时受区域沉积环境影响，出露于所有岩层表面，是调查区内岩溶化最高的可溶岩。嘉陵江组（T1j）一、三段与二叠系灰岩质纯、单层厚度大，为岩溶次发育层位。而三叠系下统大冶组灰岩单层厚度较薄，夹较多泥质夹层与白云岩，岩溶相对中等发育。区域上表现为以垂直分布为主的间歇性上升，受长期溶蚀和侵蚀作用，形成了较为丰富的地表、地下岩溶形态。主要有溶沟、溶槽、落水洞、溶洞、岩溶洼地、暗河，其中比较大的岩溶洼地有8个，落水洞10个，溶洞1个，以及暗河1条（见图 1）。

图1 隧址区典型岩溶形态

2 岩溶发育规律

2.1 岩溶发育的呈层性

调查区的主要岩溶形态是在区域间歇性抬升运动和岩溶发育的产物。特别是第四系以来由于地壳处于间歇性上升，使槽谷不断发育分化，不同形态类型的差异日益显著，相互高差日益增大。地壳抬升时期，岩溶水以竖向的溶蚀、侵蚀作用为主，地表向垂直方向发展，从而在可溶岩分布区域地面形成竖向的岩溶形态，主要表现为漏斗、落水洞及天窗等。地壳相对稳定时期，岩溶水以侧向溶蚀、侵蚀作用为主，地表向夷平方向发展，形成各级剥夷面，在可溶岩分布区域形成水平洞隙，主要表现为溶洞和暗河管道。

2.2 岩溶发育的顺层性

通过对调查区的调查，控制本区的岩溶发育的主要因素是南西北东走向的地质构造，以及这种构造条件下的岩性条带状展布。调查区地层呈层状，局部含隔水层相间产出，相邻地层岩体岩溶化特征、规律存在差异，从平面图上看，区内岩溶漏斗、落水洞串珠状延伸方向与岩层走向方向基本相同，暗河发育方向亦与岩层走向基本相同。

2.3 岩溶发育的不均匀性

受诸多因素控制，岩溶在岩体内的发育是不均匀的，甚至是极不均匀的，即岩溶化程度是不同的。也就是说，在有利的部位可形成规模较大的地下廓道式洞穴，在不利的部位仅有溶隙或小溶孔发育。

2.4 岩溶发育的垂直分带性

由于本区地壳呈大面积间歇性上升，使得岩溶发育的速率小于地壳上升的速度。这就造成岩溶发育随深度的增加而减弱的大格局。在近地表地带，岩溶水交替循环剧烈，岩溶十分发育，岩溶洞隙规模大、数量多。而在地下深处，地下水交替运动十分缓慢，仅发育一些溶孔和小溶隙。故形成了岩溶发育的垂直分带特征。

2.5 岩溶发育的向深性

岩溶发育的“向深性”就是岩溶作用急剧向地球深处发育的特性。这是裸露型岩溶岩石地区岩溶发育的主要特性之一。在新构造运动作用下，地壳呈大面积间隙性上升之中，侵蚀基准面和溶蚀基准面则随之急剧下切，形成高山峡谷岩溶地貌。地下水为适应不断下降的排泄基准面，随之向深处径流，包气带也随之不断加厚。表现在中高山嵌岩溶洼地、洼地底部套生着漏斗，漏斗底部又发育着深达数十米至几十米的落水洞，落水洞末端又与地下河相连。区内落水洞、漏水洞分别深达几十米，就是这一特性的典型，说明了岩溶发育的继承性和向深性特点。同时，部分地下河或岩溶泉的洞穴管道为适应不同时期的侵蚀基准面而导致洞穴的多层性。也是岩溶发育向深性的真实反映。垂向洞隙的向深发育，是造成区内地下水深埋的根本原因。

2.6 岩溶发育的多系统性

区域上，碳酸盐岩地层在时空分布上的不一致性，造成岩溶发育的多系统性。区内岩溶主要位于二叠系中统与下统这两大套碳酸盐岩地层中，三叠系下统大冶组（T1d）、志留系（S）、泥盆系（D）夹较多泥质物形成不透水层而形成可溶岩相对分隔状态。

3 区域水文地质条件

隧址及邻近区因岩溶作用形成较多的落水洞、洼地、槽谷，并有地下暗河分布，桐坪隧道可溶分布段无大的地表水体分布，降水主要沿裂隙、落水洞、漏斗等汇入岩溶管道及暗河排泄。区内有暗河出口、泉点及煤矿共计18处，调查期间，出口、泉点的流量在0.1 L/s～35 L/s之间。

区内地下水类型为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、可溶性岩类溶洞溶隙水。其中调查区以可溶性岩类溶洞溶隙水为主。栖霞组、茅口组及大冶组地层的石灰岩、白云质灰岩、白云岩，为该区主要岩溶含水岩组。该组岩溶发育强烈，其中暗河、溶洞强烈发育。该含水岩组地下水含量丰富，对隧道影响及危害程度大，为强富水区。在施工过程中存在涌水、突泥和塌方的可能。

农业生产受自然环境影响较大，只有实际种植才能真正反映出种植技术的作用。首先，为了提高小麦抗逆稳产高品质栽培技术的知名度，和江苏省农委作栽站合作，在江苏省粮食高产创建工程中进行示范推广。其次，和江苏省农垦局达成合作，充分发挥农垦局下属农场稻麦生产现代化的优势条件，展示小麦增产抗倒伏新技术，起到了示范效应。再次，适应当下农村新型种粮主体调整的现状，探索在种粮大户、家庭农场和合作社等3者之间开展新技术培训和示范推广的新模式、新途径，进行了一些试验。

根据采取的水样水质试验分析结果，按环境类型评价，该区为Ⅱ类环境SO42-、Mg2+、总矿化度对混凝土结构均有微腐蚀性；按地层渗透性评价，在B类条件下对混凝土结构有微腐蚀性（pH值为微腐蚀性，侵蚀性CO2为微腐蚀性）。

4 地下水灾害评价

4.1 隧道涌水量评价

隧道的涌水预测是长时间以来困扰生产实践的难题，在岩溶地区尤其如此。对于条件复杂的深埋长隧道涌水量预测准确率低，其原因主要是：（1）岩溶地下水赋存极不均衡，主要呈独立的管道流，无统一的地下水潜水面，所以，很难确定隧道内确切涌水部位及水量的大小；（2）调查区域有限及勘察精度不够，又无动态观测资料及试验资料较少，不能准确地描述地质条件及水动力场特征；（3）合理的计算方法和参数难以确定。

本工程水文地质区为山脊富水带，选用大气降雨入渗系数法、地下径流模数法分别计算拟建隧道穿越可溶岩段及非可溶性地层的地下水涌水量。

4.1.1 大气降水入渗法

大气降水入渗法计算公式见式（1）：

式中：Q为隧道涌水量，m3/d；α为降水入渗系数；W为年平均降雨量，根据气象资料该地区多年平均降雨量1200.3 mm；A为隧道通过含水体地段的集水面积。

根据黔江幅水文地质资料，拟建场地岩性入渗系数α取值：碎屑岩：0.01-0.1；碎屑岩（背斜、向斜）：0.05～0.2；碳酸盐（T1-P2）：0.3～0.8。大气降水渗入法计算隧道涌水量见表1。

表1 涌水量计算表（大气降水入渗法）

需要注意的是，这里计算是常规隧道施工方法(钻爆法)情况下对单洞涌水量的预测。本隧道为双线隧道，所提供的涌水量为两隧洞的总涌水量。若两洞同时施工，单洞涌水量约为总涌水量的二分之一，若不同时施工则其涌水量不能按总涌水量的二分之一考虑。

另外，隧道涌水量计算是假设含水岩层是均质体，但实际上含水岩层极不均一，而且采用了封堵措施后地下水径流将变得更加复杂化，降雨后涌水量大增的情况必须引起高度重视。因此，在施工中遇到突发涌水、大量涌水等特别情况时其设计封堵措施不应受上述计算的限制。

4.1.2 地下径流模数法

地下径流模数法计算公式见式（2）：

式中：Q 为地下径流量，m3/d；M 为地下径流模数，L/（s·km2）；F为含水层出露面积，km2，在1∶10000水文地质图上CAD直接量测。

计算选用地下水径流模数值参考区域水文地质报告(黔江幅)，不同的地层岩性、富水性及岩溶发育程度时枯季径流模数的取值和计算结果见表2。

表2 隧道涌水量预测表（地下径流模数法）

同上，可得则平水期和丰水期涌水量分别为5946.56 m3/d和8919.84 m3/d。

4.1.3 计算结果评述

根据上述计算成果，发现以上两种计算方法所得出的结果相差较大，大气降水入渗法得到的涌水量为地下径流模数法的2.7倍。其原因在于大气降水入渗法给出的是任意条件下进入施工地段的总的可能涌水量，地下水径流模数法则是根据区域水文地质普查报告（黔江幅），不同的地层岩性、富水性及岩溶发育程度选用不同的枯季径流模数值，再根据隧道的汇水面积确定的宏观、概率的隧道涌水量预测值[7]。根据场区的岩溶发育特征和水文地质条件，考虑到隧道施工用水的突发性和不可预测性，建议采用最大涌水量，即全隧道枯期、平水期和丰水期涌水量分别为16069.52 m3/d、32139.04 m3/d和48208.56 m3/d。

4.2 主要环境地质问题

（1）隧道是一种较大规模的地下工程，根据建设设计方案，本隧道工程施工建设横穿区内多个含水层，由于地下水渗流影响，隧道开挖过程中将会有大量地下水涌入，隧道的长期排水将导致地下水位下降，并逐步扩大形成地下水疏干区。

（2）隧道水主要来源于含水层中的疏干水量和地表水的补给，当排泄达到一定的规模时，则会形成地下水降落漏斗，随着漏斗的渗透能力越来越强，促使大量地表水渗入地下，从而导致地表的泉点、水井、水库和堰塘等的干枯，溪沟断流等现象的发生，会严重影响隧道沿线村民的生产生活。

（3）隧道施工过程中产生的大量废水的排放将会对该地区地表水造成污染，其来源为隧道开挖过程中钻渣混合天然涌水形成的泥浆，其次为隧道施工的爆破、施工机械设备的油污渗漏均会对天然涌水的水质造成污染，另外还有施工人员生活产生的垃圾、生活废水及粪便污水等。

（4）隧道在施工中放炮将产生剧烈的震动波，地下震动产生的气压和液压的冲击，破坏性大，可导致深部岩溶管道与浅部岩溶管道联通。另外大量的地下水排泄，使得地下水位迅速下降，浅部的竖向岩溶管道中的土体由于潜蚀作用和真空吸蚀，岩溶洞隙充填物又不断地被地下水带走，其下部形成空洞，土体在重力作用下，地表出现拉裂缝、下沉迹象，最终形成塌陷。

（5）在拟建隧道沿线有已关闭的黔江区龙桥煤矿分布，矿山老采空区开采标高为640 m～830 m，此处隧道设计标高约为577 m。在隧道开挖过程应重点监测，加强预报，防止隧道施工时产生塌陷，避免在隧道开挖时形成突水。