滇西公路特长隧道越岭方案水文地质比选分析

2020-07-13袁荷娟李窈靓

建材发展导向 2020年6期

袁荷娟李窈靓宋平

（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南昆明 650200）

老营特长隧道位于滇西保山市境内，是保山至泸水高速公路的重大控制工程。老营隧道穿越横断山脉南端的保山坝“西山梁子”，为超特长隧道。隧址区地质构造复杂，穿越多条区域性断裂。隧址区周边分布有多个饮用水源取水口，影响居民人口众多，环境影响较敏感。老营隧址路线方案根据技术经济的合理性以及水源保护区分布情况，隧道穿越是否对该地区地下水环境产生大的影响，是否导致与地下水有关的环境地质问题，是隧道设计施工以及运营管理不可避免的问题。在认识老营隧址区水文地质条件基础上，对越岭段拟选3 种方案（K、K1、K2）进行水文地质比选，分析隧道施工可能存在涌突水风险，同时预测工程建设可能产生的地下水环境影响，评价其影响程度和范围及其可能导致的地下水环境变化趋势。

1 隧址区水文地质特征概要

老营隧址区越岭段K、K1、K2 线方案均穿越较多断裂构造（大风口压扭性断裂、红木岭干张扭性断裂、阿石寨断裂、票柴坝断裂和岩箐断裂），断裂构造影响较大；穿越围岩有砂岩、粉砂岩、页岩、灰岩、泥灰岩、白云岩、钙质泥岩等。受断裂构造影响，岩体破碎，稳定性差，主要地质灾害及施工风险有高地应力、高压涌突水、断层破碎带及岩溶等。三个方案工程地质条件基本相当。

老营隧址区地下水水系统，根据岩性、构造以及区域分水岭特征进行水系统划分，重点对隧道穿越区不同水文地质单元进行分析，可分为浅表松散岩类孔隙水含水带、浅层碎屑岩类裂隙孔隙水含水带及深部岩溶承压水含水带。浅层地下水含水带主要受地表分水岭以及风化裂隙发育深度控制，具有潜水含水层特征，一般30～50m，这种类型的含水系统主要分布于隧道进出口段以及地表浅部循环带。深部岩溶承压水含水带主要受断裂带以及岩性分布控制，这种类型的含水带区内零星分布，岩溶不甚发育。

同样，隧址区地下水流动系统包括浅循环和深循环流动系统。研究区域的水系统分为3 个大区，9 个亚区，每个区的浅部循环模式基本相同，地下水都是接受大气降水以及冰雪融水补给后沿浅部风化裂隙向深切河谷以及溪流排泄，在特殊的地层以及构造区浅循环不发育。深循环的主要控制因素为构造，断裂带中泥岩、泥质粉砂岩灰岩互层，岩溶弱发育，地下水具有局部承压性，隧道穿越该带埋深较大，裂隙不发育，因而与浅部地下水系统水力联系不密切。隧道施工建设中，大泉流量以及沟水的减少将不同程度的出现，但不会产生地面陷落沉降等现象。

隧道进出口段，位于地下水浅层含水带，隧道施工可能疏干一定范围内的地下水，影响范围相对较小。在断裂带或者灰岩分布的区域，属于深部岩溶承压水含水带，虽然施工可能造成一定范围内潜水位下降，加大表层地下水与深层地下水之间的联系，但是深部岩溶区域受非可溶岩限制，且越岭带埋深较大，超过1000m 以上，影响也相对较小。在隧址区其它地下水深循环带的碎屑岩类，地下水含水性较差，隧道施工对地下水循环影响较小。可见，老营隧道施工对隧址区地下水系统有一定的影响。

图1 隧址区水文地质简图

2 隧道方案水文地质比选

2.1 隧道涌水风险影响宽带

地下水动力学法又称解析法，是根据地下水动力学原理，用数学解析的方法对给定边界值和初值条件下的地下水运动建立解析式，而达到预测隧道影响范围的目的。本次计算采用公式如下.

式中：R—影响半径，m；H—潜水含水层厚度，m；K—含水层渗透系数，m/d；W—降水补给强度，m/d；μ—重力给水度，无量纲；t—排水时间，d。本次计算排水时间（t）预计隧道开工到施工完成约5 年（1825 天）。

表1 预测K 线施工涌水的影响半径

限于篇幅，以K 线影响范围列表说明，K 线隧道穿越含水层厚度较大的∈3b 地层，预测影响范围较大，为1155m；穿越O2-3地层，预测影响范围中等，为581～716m。

由于3 种拟选方案，总体位于相同水文地质单元，预测影响半径并无数量级差异，在此基础上考虑影响面积，以隧道穿越不同富水性岩层组的里程长度为计，如图2 所示。

图2 不同隧道方案影响面积累计

2.2 预测隧道施工涌水量

隧道涌水量除受水文地质条件控制外，具有季节性变化大的特点。因此预测隧道涌水量时，分别计算正常涌水量与雨季最大涌水量值。涌水量预测可适性，主要取决于对隧道充水条件的充分分析及计算参数和计算方法的合理选用。隧道处于分水岭交界处，隧道涌水的主要来源为影响半径内的地下水，在此处假设影响范围内地下水为互相流通，计算影响半径为最大影响半径，即1155m 范围内,同时对隧道涌水量进行分段评价。限于篇幅，以图3 汇总说明。

1）大气降水入渗法

式中：Q—地下水涌水量（m3/a），W—年降水量（m），α—降水入渗系数，F—影响区域面积（m2）。按隧道穿越不同地下水类型分段计算，降水量取1072.9mm，面积为影响范围内各地层面积。

2）地下水径流模数法

式中：Qs—预测隧道正常涌水量（m3/d），86.4—换算系数，M—地下径流模数（L/s·km2），A—隧道通过含水体地段的集水面积（km2）。

根据径流模数法计算，K 线方案正常涌水量为11630m3/d。隧道正常涌水量计算结果两种方法相差不大，同时，大气降水入渗法计算涌水量Q 是年平均量，实际区域降水存在时间与空间的分布不均，降水主要集中在5～10 月份，如果选择雨季施工涌水量比值会更大。

图3 不同隧道方案各段落计算涌水量

2.3 对水源保护区可能影响

北庙水库水源保护区水源主要补给有：东河北庙水库水文单元地表雨水汇集；水文单元上游溪沟和泉点补给；人工引水渠补给。K 线隧道地下水影响区域在北庙水库单元内面积为3.5km2，即北庙水库地下水资源减少量为该面积内隧道涌水量，通过大气降水入渗法计算结果为48.8 万m3/a。该隧道排水出口不在北庙水库单元内，涌水无法正常回排到北庙水库单元内，占北庙水库年均来水量的0.5%，即隧道修建后会导致北庙水库每年的来水量减少约0.50%；

K1 线隧道地下水影响区域在北庙水库单元内面积为0.9km2，对北庙水库地下水资源减少量为12.55 万m3/a，占北庙水库年均来水量的0.13%；K2 线隧道地下水影响区域在北庙水库单元内面积为8.7km2，对北庙水库地下水资源减少量为121.35 万m3/a，占北庙水库年均来水量的1.24%，但K2方案隧道排水出口在北庙水库单元内，涌水可通过一定工程措施正常回排到北庙水库单元内。

总之，老营隧道K、K1 线在北庙水库水源保护区北侧通过，穿越区隧道埋深多在500～1150m，穿越地下水深部循环地带，对浅部地下水系统影响较小，隧道穿越区所属地下水系统的变化对保护区内地下水系统较小。K2 线隧道通过北庙水库水源保护区准保护区，其隧道排水影响水库补给和水质，改变保护区地下水流场，对北庙水库水源保护区地下水环境有一定影响。

2.4 隧道方案水文地质比选

1）碳酸盐岩地层出露情况，碳酸盐岩长度增加隧道水文地质的复杂程度。但三种隧道越岭方案穿过地层基本一致，碳酸盐岩地层出露大致相同。

2）地表水系对隧道影响，老营隧道隧址区地表水系较发育，K1、K2 线进、出口段均有溪沟，K 线出口离最近的溪沟约200m。隧道在部分浅埋段，离地表水较近可能增加地表水转化为地下水影响隧道施工的复杂性。K 线相对于K1、K2 线受地表水影响较小。

3）岩溶及工程涌突水，隧址区岩溶总体不甚发育，从已有钻探资料揭露岩溶发育随深度增加逐步减弱，因此，隧道埋深对岩溶发育有较大影响。从埋深对岩溶发育影响看，K2 线方案岩溶发育相对较强。除K2 线涌水量稍小之外，K和K1 线涌水量基本相当。

4）环境水文地质问题，老营隧道建设可能引起的环境水文地质问题主要是隧道施工排水引起的地下水水位下降，进而对北庙水库水源保护区产生不利影响。K 线、K1 线方案从水源保护区准保护区外围穿过，隧道施工地下水排水对环境影响较小，不会对水源保护区地下水环境产生不可控制的影响，其对北庙水库来水量的影响K1 线相对K 线来说较小。K2 线方案进口至中段穿过准保护区，可能会导致隧道降深影响范围内的地下水位下降、隧道进口地表溪沟的干涸以及水质恶化等问题。

5）老营隧道水文地质综合比选，从地质构造、地层及组合特征、岩溶发育特征、隧道埋深及地下水循环特征、隧道涌突水等水文地质综合比选，K 线地质条件基本与K1、K2 线相当，但K2 线隧道岩溶相对发育、水文地质条件较复杂，且在北庙水库水源保护区准保护区范围内，就水文地质条件比较，K、K1 线较可行，即K 与K1 线方案大致相同。K 线可能减少北庙水库来水量的0.5%，K1 线为0.13%，从对北庙水库的影响来说K 线稍逊于K1 线。