黔张常铁路驼马店隧道突涌水系统辨识

罗文艺

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

随着我国铁路开发战略的纵深推进，大量在建或规划的铁路隧道[1-3]不可避免地穿越岩溶山区。据不完全统计，国内外隧道日涌水量超过1万m3的大型涌突水事件中，70%都发生在岩溶隧道中。渝怀铁路圆梁山隧道[4-5]灰岩段施工发生严重涌水突泥事故，突水量达6 900 m3/h，总突泥量高达2 070 m3；宜万铁路马鹿箐隧道[6-7]施工发生特大突水灾害，最大涌水量达30万m3/h，野三关隧道[8-9]发生大型突水、突泥事故，最大涌水量达30万m3/h，涌泥及块石量约5.35万m3。由于岩溶发育的特殊性、复杂性，岩溶隧道施工极易发生突涌水灾害，给隧道施工带来极大影响。通过对隧道突涌水类型及突涌水系统辨识[10-11]方法和技术等研究，对驼马店隧道DK48+918涌水点进行了突涌水的系统辨识，其成果为该涌水点施工措施的防治提供了重要的水文地质依据，对类似岩溶山区隧道勘察设计及施工突涌水灾害的防治也具有重要的参考意义。

1 地质概况

驼马店隧道为黔张常铁路重要隧道工程，位于湖北恩施州咸丰县土落坪村，属亚热带潮湿湿润型气候，年平均降雨量1 500 mm，年最大降雨量2 251.3 mm。隧道地处鄂西南构造侵蚀、溶蚀中低山区，受溶蚀、侵蚀、剥蚀构造影响，岩溶地貌形态复杂多变。隧址区地面高程800～900 m，山体呈孤峰状，坡顶基岩大面积裸露，多呈溶牙状。隧道出口外侧为土乐坪大型溶蚀洼地，属典型溶丘洼地地貌。洞身出露地层岩性为寒武系中统光竹岭组、茅口组灰岩，地下水类型主要为岩溶裂隙水。隧道区隶属华夏和新华夏构造体系，大地构造单元属扬子地台，二级构造单元属鄂黔台褶带，咸丰斜歪背斜东南翼，整个隧道为单斜地层，断裂构造不发育，大地构造单元分区详见图1。

图1 黔张常铁路大地构造单元分区

2 岩溶隧道突涌水类型

根据隧道突涌水形式、涌水量、压力大小及涌水特征，将岩溶隧道涌水类型分为渗(滴)水型，高、低压涌水型和高、低压突水型5种类型，见表1。从表1可以看出，岩溶隧道突涌水与隧址区岩溶发育情况，隧道与岩溶地下水系统的空间结构等密切相关。

3 岩溶隧道突涌水辨识方法

3.1 岩溶发育情况辨识及方法

根据勘察设计阶段的不同分为宏观和微观两个识别尺度。宏观尺度主要通过遥感、多光谱、高光谱技术识别岩溶地貌、地层岩性、地质构造、巨型溶蚀裂隙、暗河及管道流等。查明隧道岩溶发育情况及程度、岩溶地下水系统空间格局、隔水层与含水层的总体分布特征，区域地下水的补、径、排规律等。微观尺度主要为1∶1万或更大比例尺的区域岩溶水文地质调查，包括地质及地貌测量法等。

3.2 岩溶水系统特征辨识及方法

岩溶水系统[13-16]特征的识别包括岩溶水系统结构(单支状、树枝状等)、含水介质类型及组成(溶蚀裂隙、岩溶管道及各自比重)、岩溶水系统边界的确定、岩溶管道及与隧道的空间分布关系、水文地质参数的确定等。系统识别遵循室内分析与野外调查、地下探测与地表调查、定性分析与定量评价相结合。充分利用遥感、水文地质调查、物探、钻探、试验及水文监测等手段，尽量获取岩溶水系统结构特征、降雨-流量等关键信息，辨识的主要方法如下。

表1 岩溶隧道涌水类型

(1)地下水示踪试验

在区域岩溶水文地质调查的基础上，针对岩溶地下水系统补、径、排特征开展地下水示踪试验[17-18]，查明岩溶管道的空间分布、涌水来源、岩溶水系统边界等。通过地下水示踪试验所揭示的水文地质信息，研究岩溶管道发育规律、地下廊道系统结构特征等，进而分析隧道与岩溶管道的空间关系。

(2)地球物理、钻孔探测

通过音频大地电磁法[19-20]和高密度电法等地球物理探测手段，初步查明隧址区垂向岩溶发育情况及岩溶水动力分带特征等，对物探揭示异常区，布设验证性钻孔查明岩溶发育情况、溶腔充填情况、围岩含水介质类型等。

(3)高分辨率水文监测

根据区域地形地貌、岩溶地下水系统结构特征，建立降雨量站，岩溶地下水出露点(暗河、岩溶泉)流量、深孔水位监测点，获得隧址区降雨量、洞身水压力，地下水出露点流量等长序列、高分辨率水文地质数据。通过对不同期降雨监测数据统计分析，研究降雨动态过程特征，分析不同降雨强度、不同雨型下岩溶水系统对降雨的反馈过程。根据降雨-流量监测数据，绘制岩溶地下水水文过程曲线，研究岩溶水系统对降雨的响应规律、滞后及延迟效应等。根据岩溶水系统流量滞后降雨的时间，确定各子系统地下水流速，定性分析子系统到出口之间的岩溶发育程度。根据岩溶水系统流量衰减曲线，分析含水介质的退水规律，识别含水介质类型及组成等。

4 驼马店隧道突涌水系统辨识

4.1 涌水情况简介

驼马店隧道位于恩施咸丰县土落坪溶蚀洼地西侧，隧道全长1 014 m，洞身属溶丘洼地地貌，为单面坡傍山隧道。DK48+918段下台阶右侧施工加深炮孔时，有水从炮孔中冒出。2016年5～7月，强降雨后，DK48+918隧底附近发生多处涌水，涌水点冒水高度达50～65 cm，淹没填充面5～60 cm。实测洞口出水量为3.7万m3/d，涌水给隧道施工造成了重大影响，洞内及隧道出口涌水情况见图2。

图2 DK48+918洞内外涌水情况

4.2 系统辨识方法和技术4.2.1 物探、钻探

为查明该涌水点隧底岩溶发育情况，采用地质雷达对DK48+896～DK48+944段进行扫底探测，物探揭示DK48+900～DK48+944段深度0～20 m节理裂隙发育，岩体较破碎。根据开挖揭示及地质雷达探测异常，于DK48+915～DK48+939段布置43个竖向探孔。钻探揭示DK48+915～DK48+924段(高程804.5 m)以下2～7 m溶腔、溶隙发育，溶隙最大宽约0.2 m，溶腔最大宽约2.5 m，DK48+924～DK48+939段隧底无异常。同时，在DK48+918断面布置2孔15 m取芯钻验证溶腔充填情况，揭示溶腔无充填。为进一步探明溶腔范围内隧道结构外空腔发育情况，在DK48+915、DK48+918、DK48+921断面处布置了12个径向探孔，探孔揭示结构外5 m岩体较完整，未揭示岩溶发育。DK48+918涌水点钻孔平面位置及横断面特征见图3。

图3 DK48+918涌水点平面、横断面

4.2.2 地下水示踪试验

出现涌水后，对隧道进行了补充水文地质调查，调查发现洞身北侧及东北侧分布有较多串珠状漏斗和小型溶蚀洼地。洼地及漏斗消水口附近分布有树枝、树叶和稻谷壳等，同时发现有少量青蛙出没。根据施工揭示及涌水点的长期监测资料揭示，洞内雨季涌水出现有树叶、稻谷壳及青蛙等。树叶、稻谷壳和青蛙为天然的示踪剂，有力证明涌水点的补给来源于洞身东北侧溶蚀洼地和漏斗地表汇水。

4.2.3 高分辨率水文监测

黔张常铁路将水文监测技术作为一道工序纳入到超前地质预报中，2015年在距离隧址区5 km的青岗堡水库建立了降雨量动态监测站。选取2016年6月21日、6月22日、6月24日3次典型涌水进行降雨-流量相关分析，其降雨量监测数据见图4。

图4 2016年6月21～24日降雨柱状图

图4显示6月21日：降雨从凌晨5时一直持续到上午10时，集中降雨持续达5 h，最大降雨量出现在上午7时，达21.6 mm，累计日降雨量55.3 mm，达暴雨级别。涌水从上午7时开始逐渐增大，8时20分达到最大，实测瞬时涌水量6 000 m3/h。涌水点水深达50 cm，涌水点至洞口填充面水深为5～50 cm，集中涌水持续时间约4 h。6月22日：凌晨4，5时突降小雨，22时降雨量达51.4 mm，集中降雨2 h，累计日降雨量70 mm，达暴雨级别。涌水从上午10时开始多处冒水，24时涌水量达到峰值，实测瞬时涌水量达8 000 m3/h。涌水点水深达60 cm，涌水点至洞口填充面水深为20～60 cm，集中涌水持续时间约5 h。6月24日：降雨从14时一直持续到23时，18时降雨量骤然增加，集中降雨持续约10 h，最大降雨量出现于19时，降雨量达15.5 mm，日累计降雨量61.6 mm，达暴雨级别。涌水从19时30分开始水量逐渐增大，21时15分涌水量达到最大，实测瞬时涌水量10 000 m3/h。涌水点水深达65 cm，涌水点至洞口填充面水深为35～60 cm，涌水持续时间约10 h。

2016年6月27日开始对该涌水点进行动态监测，监测涌水量如图5所示。根据丰水季涌水量监测数据揭示洞内出现峰值涌水一般滞后降雨约2 h，实测最大涌水量为37 325 m3/d，平时若连续晴天，洞内涌水量较小。

图5 DK48+918涌水量曲线

4.3 岩溶发育系统辨识

隧道北侧及东北侧地表为岩溶斜坡槽谷及溶丘洼地，小型洼地及漏斗分布较多，示踪试验揭示洞身东北侧洼地和漏斗与隧道涌水点相通。6～7月为强降雨季节，大气降雨由地表溶蚀洼地、漏斗呈面状入渗及灌入式补给隧址区地下水，洼地和漏斗汇水为隧道涌水的主要来源。涌水点位于寒武系中统茅口组及光竹岭组灰岩岩性接触带附近，接触带岩层产状为N20°E/23°S，岩性接触带及NE向岩层产状有利于地下水的存储和运移，为管道流的形成创造了良好的溶蚀通道。大气降雨沿溶隙及管道径流，排泄于隧址区清水河，隧道施工揭露了该管道流的顶盖，因强降雨导致原有管路排水不畅淤塞引发突涌水。涌水点流量随季节动态变化大，来水快，消水也快。

钻探、物探等岩溶水系统辨识技术揭示DK48+915.5～DK48+920.5段开挖面下2.0～5.0 m为溶腔主通道，水流由线路左侧向右侧径流。从选取的3次典型涌水分析得出最大涌水滞后集中降雨约2 h，涌水点冒水高度最大高于填充面65 cm。根据流量与降雨的响应关系，结合区域多年最大日降雨量P5%(230 mm)，该涌水点预测最大涌水量达5万m3/d，瞬时涌水量可达10 000 m3/h。

5 结论及建议

(1)根据隧道涌水量、压力大小及涌水特征将岩溶隧道突涌水分为渗(滴)水型，高、低涌水型和高、低突水型5种。其中高压突、涌水对隧道施工安全影响最大，勘察设计及施工阶段应对该类型突涌水进行系统、科学辨识。

(2)通过对隧道涌水形式、涌水量、压力大小等涌水特征进行综合分析，岩溶隧道突涌水与隧址区岩溶发育情况、岩溶水系统结构特征密切相关。可采用宏观和微观两个尺度识别岩溶发育情况，水文地质调查、地球物理、钻孔探测、地下水示踪试验、高分辨率水文监测等方法和技术能有效对岩溶水系统结构特征进行系统辨识。

(3)通过3次典型降雨-流量相关性分析，监测降雨量达小时毫米精度，直观准确地揭示了不同降雨量、降雨强度与出水量的响应规律、滞后和延迟效应等，为管道型岩溶突涌水施工处理措施的制定及应急抢险提供了精细的水文地质数据。

(4)突涌水的系统辨识是一种宏观、半定量的评估方法。采用物探、钻探、地下水示踪试验及高分辨率水文监测等技术对驼马店隧道DK48+918突涌水进行了系统辨识，查明了涌水来源、隧道与岩溶管道系统的空间关系，结合高分辨率水文监测数据对涌水量进行了预测计算，系统辨识结论为该涌水点最终采用泄水洞疏导为主的方案提供了重要的水文地质依据。