安六铁路岩脚隧道岩溶水分析及整治方案研究

2019-11-19周关学

四川建筑 2019年5期

周关学，李峰，曾诚

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

隧道涌水是隧道施工中，围岩含水层的地下水在水头压力和其他压力综合作用下，克服了隔水层、断层以及裂隙等阻力，以突然方式从隧道洞室周边涌入坑道内的工程地质现象，隧道涌水中常携带大量泥沙及卵石层，隧道涌水是岩溶地区常见的地质灾害[1]。岩溶隧道的涌水主要与地下岩溶管道及岩溶水发育程度密切相关，还突出表现为受地层岩性、地质构造和地貌的控制，背斜轴部岩溶发育，两翼深切沟谷内由可溶岩与非可溶岩的接触带有岩溶管道水的露头及暗河出口，溶洞、地下暗河、岩溶大泉发育[2]。地质勘查要充分分析水文地质条件，采用多种方法准确预测隧道涌水量，线路选线应避开岩溶水富集地带，可尽量拔高线路标高，隧道纵坡设计呈人字坡。

1 工程地质水文地质概况

1.1 工程概况

安六铁路东接沪昆客运专线安顺西站，向西经六盘水市的六枝特区，于六盘水枢纽水城站接轨后利用既有沪昆铁路至六盘水站，运营长度124.65km，设计速度250km/h，是六盘水市至贵阳市的快速通道。岩脚隧道全长2 407m，进口以i=16.000‰上坡，出口以i=-3.000‰下坡，隧道最大埋深约220m。岩脚隧道纵断面见图1。

图1 岩脚隧道纵断面

1.2 工程地质特征

1.2.1 地层岩性

本隧道穿过三叠系(T)和二叠系(P)地层，进口段为大隆组(P2d)、长兴组(P2c)和龙潭组(P2l)等含煤地层，出口段为大冶组(T1d)、夜郎组(T1y)、永宁镇组(T1yn)的碳酸盐地层(图1)。

1.2.2 地质构造

大地构造属于扬子地台之滇黔鄂台褶皱带，处于南丹-紫云-水城断裂带上。岩脚隧道位于大煤山背斜南翼和六枝向斜北翼，岩层产状N25 °～45 °W/25 °～35 °SW,两组张性节理N10 °～50 °E/90 °和N50 °～65 °W/90 °在一定的岩溶化作用形成岩溶裂隙及岩溶管道，其中N10 °～50 °E/90 °控制地下水流向。

1.3 水文地质特征

1.3.1 区域水文地质条件

测区位于长江水系与珠江水系的分水岭地带，南北两侧分属不同的水文地质单元，地下水分水岭与地表水分水岭基本一致[3]。在分水岭北部, 地下水流向北及北东方向，排向乌江；南部，地下水流向南及南东方向,排向北盘江。隧道进口属于长江流域乌江水系，出口属于珠江流域北盘江水系。

1.3.2 岩溶水的补给、径流、排泄

地下水类型为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水，岩溶水丰富。大煤山背斜轴部为中低山，两翼为低洼溶蚀槽谷，地下水由轴部向两翼分流，形成较为完整的补给、径流、排泄空间分布。背斜轴部为煤系地层的地下水补给区，地表水主要靠大气降雨补给，地表沟水在可溶岩与非可溶岩分界线形成断头沟、落水洞[2]，地表水以洼地、落水洞、溶腔、裂隙汇入岩层，补给地下形成地下水；背斜两翼碳酸盐地层为地下水径流区，在新构造应力场作用下，张性节理裂隙处于拉张状态，对地下水储存和运移创造了有利条件，地下水在深部岩溶水以网络状岩溶裂隙管道、暗河等运移，背斜两侧深切沟谷内由可溶岩与非可溶岩地层的接触地带有岩溶管道水露头及暗河出口，溶洞、地下暗河、岩溶大泉发育，隧道区岩溶水补给、径流、排泄与隧道关系见图2。

图2 隧道区岩溶水补给、径流、排泄与隧道关系

2 施工揭示溶洞及水害特征

2016年11月12日～2016年12月3日，隧道出口工区于DK32+396～DK32+343段揭示溶洞，溶洞出现涌水，涌水成瀑布形，水质浑浊，掺杂黑色淤泥夹砂卵石，隧道掌子面揭示溶洞及出水点见图3。

图3 隧道掌子面揭示溶洞及出水点平面示意

2.1 DK32+396 3#出水点揭示溶洞

隧道出口工区施工至DK32+396，在掌子面线路中线轨面以上约5.5m处裂隙有水涌出，涌水呈黄色、浑浊状，掺杂泥沙，涌水量为1 312m3/d，涌出泥砂100m3/d。

2.2 DK32+379 4#出水点揭示溶洞

隧道出口工区施工至DK32+379，在掌子面线路左侧轨面以上约5.5m处有一溶洞，溶洞高约1.5m，宽约1m，溶洞有水涌出，涌水量为1 400m3/d，涌出泥砂约120m3/d。

2.3 DK32+360 2#出水点揭示溶洞

隧道出口工区施工至DK32+360，在掌子面线路左侧轨面以上约5m有一溶洞，溶洞高约1.5m，宽约1.5m，斜向上发育，溶洞有水涌出，涌水浑浊状，掺杂黑色淤泥夹卵石，卵石磨圆度好,石质较杂以砂岩为主，涌水量约1 800m3/d，涌出泥砂约180m3/d。

2.4 DK32+353 6#出水点揭示溶洞

隧道出口工区施工至DK32+353，在掌子面出现4个溶洞，溶洞位置见图4。1#、2#位于线路左侧轨面以上约5m，3#溶洞位于掌子面中线轨面以上约6m位置，4#溶洞位于掌子面右侧轨面以上约4m位置， 2#、4#溶洞分别有水涌出，涌水浑浊状，掺杂泥卵石，经现场测出2#溶洞涌水量约2 300m3/d, 4#溶洞涌水量约500m3/d，2#、4#溶洞涌泥砂量约380m3/d。

图4 DK32+353掌子面溶洞位置

2.5 DK32+346 5#出水点揭示溶洞

隧道出口工区施工至DK32+346，在掌子面出现2个溶洞，溶洞位置见图5。1#溶洞位于掌子面线路右侧上台阶中部，为出水暗河通道，环向宽度约2.5m，纵向长度约3m,可见深度约30m，并向右上方发育，溶洞有水涌出，成瀑布形，水质浑浊，掺杂黑色淤泥夹砂卵石，卵石磨圆度好，石质为砂岩，卵石直径为5～10cm，涌水量约4 200m3/d，涌泥砂量为300m3/d；2#溶洞位于掌子面线路左侧上台阶底部，为原暗河出水通道，现无水涌出，无来水通道，已转向线右侧溶洞涌出，环向宽度4～5m，纵向4～5m，可见深度约10m。2016年12月4日核查后，1#溶洞在DK32+343发现在拱顶连通，边墙处向外宽度约7m，溶洞顶与拱顶高差约13.5m。

经过长期观测，DK32+396～DK32+343段拱顶揭示的多个溶洞，最终出水点位置为：1#溶洞出水点里程为DK32+343线路右侧拱脚处；2#溶洞出水点里程为DK32+360线路左侧拱脚处。

图5 DK32+346掌子面溶洞位置

3 岩溶水分析及隧道涌水量计算

3.1 岩溶水分析

经水文地质分析：2018年6月9日，于DK31+936右侧158m暗河入口处投入谷壳介质和海绵颗粒介质进行连通试验，经几小时后于DK32+343线路右侧拱脚涌水处出现投入的谷壳介质和海绵颗粒介质，DK32+396～DK32+343段隧道揭示溶洞涌出砂卵石层与烂泥箐至黑晒暗河上游明流段沟底的砂卵石层粒径及成分一致，分析隧道揭穿了烂泥箐至黑晒暗河。

DK32+396～DK32+343段隧道揭示的溶洞及涌水、涌砂卵石段穿越烂泥箐-黑晒暗河下方约60m，该暗河与线路夹角约36 °，隧道掌子面沿暗河揭示有多个溶洞，溶洞内均出现涌水、涌砂卵石，地下水沿节理N124 °E/90 °岩溶化作用形成的溶洞、岩溶裂隙及岩溶管道径流。该地下暗河入口位于DK31+936右侧158m处的封闭洼地内(编号为1#洼地)，洼地长约210m，宽约140m，暗河入口标高1 481m，暗河入口上游为煤系地层的明流段，明流段地表水沟长约1km，该洼地汇水面积1.17km2，水沟底部可见砂卵层；暗河向南径流，穿越2#封闭洼地，2#洼地位于线路DK32+426左侧131m处，洼地长约250m，宽约100m，洼地底部标高1 439m，该洼地汇水面积0.47km2，暗河继续向南径流，穿越一线洼地后于大用镇黑晒村沟底出露，暗河出口标高1 318m。烂泥箐-黑晒暗河总长度3 295m。

涌水点分析：DK32+343线路右侧拱脚处出现涌水、涌砂卵石，是暗河DK31+936右侧158m的1#封闭洼地汇聚的地表水向南径流于此处形成；DK32+360线路左侧拱脚处出现涌水，是暗河DK32+426左侧131m的2#封闭洼地汇聚的地表水经暗河回流于此处形成。

3.2 隧道涌水量计算

经过分析，选用洼地法及井泉补给法计算隧道涌水量。

3.2.1 洼地法

洼地法计算隧道涌水量公式：

Q=F×X×(1/T)×0.1)×0.6×α(m3/d)

式中：F为洼地地表汇水面积(km2)；X测区日最大降雨量(mm)；T为洼地等效消水天数；α为降雨入渗系数；隧道采用参数及涌水量计算见表1。

表1 洼地法计算隧道涌水量汇总

3.2.2 井泉补给法

经较长时间观测隧道附近井泉点流量汇总来预测隧道涌水量的方法叫井泉补给法。

隧道涌水量计算公式：

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4

Q1为DK32+922右侧418m泉点流量；Q2为DK33+009右侧232m泉点流量；Q3为既有岩脚寨隧道进口暗河口流量；Q4为黑晒村大用镇引用水源井点流量。

岩脚隧道地下水排泄到天生桥至黑晒冲沟内，冲沟内发育4个井泉点，2016年5月10日～2016年7月13日时间段对井泉点进行流量观测，其井泉点流量折线图见图6～图9。经分析：2016年6月28日～6月30日六枝地区天降特大暴雨，各井泉点最大流量为最大值，经统计各井泉点最大流量累计为：

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4

=27648+21168+39657+42163

=130636(m3/d)。

故预测岩脚隧道出口最大涌水量为13.06×104m3/d。

图6 DK32+922右418m泉点流量折线

图7 DK33+009右侧232m泉点流量折线

图8 既有岩脚寨隧道进口暗河流量折线

图9 黑晒村大用镇引用水源井流量折线

4 岩溶水整治方案研究

DK32+396～DK32+343段穿越烂泥箐至黑晒暗河，施工中出现涌水、涌砂卵石，经计算隧道涌水量达13.06×104m3/d，研究小组提出采取截流、引排、疏导等措施[4]，研究泄水洞整治隧道涌水、涌砂卵石方案，通过其泄水降压，对地下水进行充分引排，确保隧道衬砌结构及长期运营的安全。

经分析：泄水洞设置于上游来水侧，岩脚隧道地下水由线路右侧流向左侧，故隧道泄水洞设置于线右来水侧,结合隧道纵坡及人字坡情况，泄水洞顺坡排水，于本隧前进方向右侧距离左中线30m处设置泄水洞，全长824m，岩脚隧道泄水洞平面示意见图10。

图10 岩脚隧道泄水洞平面示意

经分析，DK32+343线路右侧拱脚处出现涌水、涌砂卵石，涌水量达8.71×104m3/d；DK32+360线路左侧拱脚处也出现涌水，涌水量为3.59×104m3/d，为将DK32+343线路右侧拱顶处出水直接引至泄水洞，达到泄水降压的效果，本泄水洞于XDK32+343处设置1#集水廊道引排岩溶水，于集水廊道顶部设2处导流井，将该处出水引排至泄水洞主洞内。为将DK32+360左侧边墙处出水直接引至泄水洞，达到泄水降压的效果，本泄水洞于XDK32+360处设置2#集水廊道下穿正洞至DK32+360左侧边墙出水处，于集水廊道拱顶设置2处导流井直接与岩溶管道联通，达到引排地下水的目的。隧道1#、2#集水廊道平面布置图见图11。