成昆铁路小相岭隧道岩溶突水原因研究

2022-11-09杨超

四川建筑 2022年5期

杨超

(成贵铁路有限责任公司，四川成都 610031)

1 工程概况

小相岭隧道位于四川省凉山彝族自治州喜德县冕山镇，是成昆铁路峨眉至米易段铁路横穿山脊的一单洞双线隧道，线路全长21.785km，贯通平导21 579m，分进口工区、一号斜井工区、二号斜井工区、出口工区组织施工。隧址属横断山中高山地貌，地形起伏较大，地面高程1 850～3 220m，隧道最大埋深约1 350m，自然坡度5°～35°不等。2018年9月24日，平导掌子面里程施工至PDK360+785时，掌子面左侧边墙、左侧底部及掌子面右下部等3处，分别出现喷射状的股状水流出，水质浑浊，并夹带褐黄色泥砂，具有一定的承压性。经现场测算，流量约12 000m3/d，后期该3处涌水量进一步增大，2018年10月7日达到250 000m3/d左右，截至2020年12月31日，最大涌水量约达490 000m3/d，隧道内平均日涌水量约为150 000m3/d，累计涌水量约1.23亿m3，体量约达10个西湖蓄水量[1]，见图1、图2。

图1 隧道内积水

图2 斜井洞口排水

2 地质环境条件

2.1 地形地貌

研究区处康藏高原东缘，为横断山脉的一部分，属于大凉山系。主要山脉河流均近南北向相间展布，地势北高南低，岭谷高差悬殊，区内最高处为小相岭，海拔最高为4 707m，最低处为礼州下游，海拔1 530m。在小相岭北端及两侧3 000m以上普遍发育冰川地形，尤其是在4 000m左右以上的峰脊，普遍为冰蚀明显的角峰、鳍脊，地形陡峻，岩石裸露，并伴有冰斗、冰谷及冰蚀湖[2]。

区内河流分属金沙江水系和岷江支流—大渡河水系。由于断裂的控制，主要河流多呈南北向，支沟、沟谷为羽毛状。其中，安宁河是雅砻江下游左岸重要的一级支流，金沙江二级支流，发源于凉山彝族自治州冕宁县北部东小相岭的菩萨岗和阳落雪山，在研究区内其主要支流为孙水河(图3)。

图3 研究区地形地貌及水系遥感

2.2 气象水文

研究区纬度较低，但因受地形控制，气候独特。雨、旱两季分明，有大陆性气候特色。冬寒夏凉，雨量充沛集中，年降水量一般都高于1 000mm。每年10月—次年5月为旱季，气候爽朗，蒸发量大；6-9月为雨季，月降水量150～250mm。

2.3 区域地质概况

测区位于米市向斜的SW翼，区域上地层发育较为完整，仅缺失石炭系地层，总厚22 000～29 000m。下元古界变质岩体系为一套浅变质复理式、类复理式碎屑岩、碳酸盐岩建造；震旦系至三叠系中下统为一套海相层，间夹火山岩及火山碎屑岩；三叠系上统、侏罗、白垩系为一套路相地层。测区位于川滇南北向构造带北段，主要构造形迹隶属川滇经向构造体系。地史上长期以东西向挤压应力为主，产生有大量的南北向压性、近南北向压扭性断裂和褶皱，伴有少量低序次的东西向张性断裂、近东西向张扭性断裂、北东及北西向扭性断裂,主要断裂为位于工作区西侧的安宁河断裂带，为一系列高角度压性冲断裂，根据工程地质调查可知，区内共调绘各类断层14条，线路穿越的断层有10条[3]。

3 岩溶水文地质条件

研究区内岩溶地层展布集中于越西县中所一带，向南至喜德县冕山镇呈条带状出露，地层年代以震旦系灯影组为主。岩溶地层底板为震旦系观音崖组砂岩、页岩，上覆地层为三叠系白果湾组砂岩，接触关系为角度不整合接触。受早期的溶蚀作用影响，在白果湾组地层沉积以前，灯影组岩溶地层已形成岩溶峰丛，白果湾地层沉积后，二者呈角度不整合接触，上覆白果湾组砂岩厚度不均。在长期的东西向挤压应力作用下，整个冕宁至越西地区形成复式褶皱，而研究区内的岩溶地层主要展布于一宽缓向斜的北西翼靠近轴部一带。受特定地质构造及地形地貌等条件控制，研究区内地下岩溶发育程度极高，靠近侵蚀基准面附近暗河管道发育，且沟通一些落水洞，部分地表水体对暗河起着补给作用使得地下水富集。研究区岩溶地层展布见图4。

图4 研究区岩溶地层平面

3.1 补给

研究区内主要补给来源为大气降水以及雪线以上的冰蚀湖水、雪水补给。海拔较高地区，大气降雨蒸发影响较弱，绝大部分降雨形成坡面汇流沿东西向沟谷径流进入落水洞，灌入补给地下水。灯影组与白果湾组地层受角度不整合接触关系影响，上覆白果湾组砂岩裂隙水通过垂向裂隙入渗补给灰岩地层。

研究区位于岷江水系大渡河支流与雅砻江水系安宁河支流的地表分水岭一带，岩溶地层集中出露地区属岷江水系，而深沟以南受山脊线控制，岩溶条带出露地区属雅砻江流域。岷江流域内，受东侧越西河控制，大气降水在海拔较高一带多以坡面汇流形成地表水流，在自西向东径流过程中以灌入的形式通过落水洞进入地下，补给地下水，落水洞高程2 000～2 600m。落水洞集中发育高程以下地区，大气降水则主要通过岩溶地区垂向发育的溶隙、溶孔，入渗补给地下水。分水岭以南岩溶条带出露地区，大气降水以通过溶隙、溶孔补给为主，可能存在小型冲沟汇水灌入补给地下水，同时由于上覆白果湾组砂岩呈宝塔状超覆残留于灰岩之上，二者水力联系较广，所短暂赋存的地下水通过自身相当发育的垂直裂隙渗补于灰岩。

小相岭一带由于冰斗出口存在冰坎或后期崩塌堵塞，常形成冰蚀湖，当地称“海子”。研究区内存在多个冰蚀湖，一般呈椭圆状，面积在0.2km2内，最大的红海，长800m，宽250m，水深估计10～20m。这些冰蚀湖湖水以及融化的雪水也通过近东西向深切沟谷进入落水洞而补给地下水。

3.2 径流

研究区内岩溶地下水主要受局部排泄基准面越西河和喜德河控制，形成2个径流通道。北部岷江水系大渡河流域靠近越西县中所一带，地形高差相对较大，靠近“红海”冰蚀湖的山脊线至越西坝子约17km的距离内由高约4 300m低至1 710m；而向南沿山脊线至喜德河一带沿岩溶条带长约21km，由高到低为4 300～1 780m。受构造影响，北部地区更靠近向斜轴部，在岩溶地层倾东条件下，倾角于高处较大达到40°，低处较小约10°，一直延伸至局部排泄基准面；而向南的岩溶条带于山脊西侧沿走向展布，倾角较大约30～40°。综合以上因素，研究区形成向东径流的优势通道和向南径流的次级通道。

3.3 排泄

研究区北部的优势径流通道地下水以暗河出口的形式集中排泄于越西县中所镇(图5)，流量巨大，丰季可达约17m3/s，即使是枯季也能保持3m3/s的流量，而部分沟谷切割形成岩溶泉辅助排泄，流量约7L/s；南部次级通道亦于喜德河右岸以暗河出口形式排泄(图6)，流量变化为0.5～1.8m3/s，其径流过程中受则莫沟切割，部分地下水通过水平溶洞排泄至则莫沟(图7)，流量0～400L/s，小相岭隧道2号斜井平导涌水发生后，该水平溶洞断流。同时于岩溶条带所处山体东侧白果湾组砂岩内亦有部分小型泉点于隧道涌水发生后断流(图8)。

图5 北部越西县中所暗河出口

图6 南部喜德暗河出口

图7 则莫沟出水溶洞

3.4 典型岩溶水系统

研究区内灯影组厚295～737m，虽质地不纯，但补给面宽，岩石破碎(面裂隙率2.23%～7.49%)，落水洞、溶洞、溶槽等相对较多。受构造部位、地形及水动力条件控制，发育向东和向南径流的2个岩溶水系统。其补给源以海拔相对较高地区大气降水汇流后的灌入式补给为主。同时也有冰蚀湖和降水入渗补给作为补充，局部地区的白果湾组砂岩裂隙水亦可通过垂向裂隙渗补灰岩地下水。而地层产状、构造部位以及水动力条件的差异使得岩溶管道的发育划分为2个方向的通道，最终出露于不同地区。其模式近乎于供水“水塔”，由高处向2个低处分流，一个为优势管道，流量较大，即水观音岩溶系统；另一个为次级通道，流量相对较小，即喜德岩溶系统，见图9。

图8 原砂岩裂隙泉点

根据隧道涌水位置，本次研究重点为喜德岩溶水系统，集中排泄点位于喜德县城以西约5.5km“虹鳟鱼庄”门口处，其出口高程约1 800m，目前由于地面硬化已无法见其原始出口形态，流量0.33～1.88m3/s。根据1∶20万水文地质报告[4]，该排泄点为路径发育较短的小型暗河出口(喜德暗河)。

在喜德岩溶水系统接近排泄端(喜德暗河)时，由于丰水期地下水位雍高，暗河出口排泄量有限，在则莫沟转弯切割岩溶地层的部位发育水平溶洞，地下水部分由此排出。枯季地下水位下降后略低于则莫沟地表水，则该处水平溶洞断流。通过现场对工作区南侧喜德暗河出口流量进行实测后发现，在隧道平导掌子面(标高1 868.5m)发生涌突水后，暗河出口(标高1 800m)的水量并未受到影响，说明隧道涌水的地下水主要为雨季过后地下水位雍高的岩溶地下水，见图10。

图9 区域岩溶系统

图10 喜德岩溶系统

4 水化学特征

由现场对地下水取样进行送检分析，得到的分析结果见表1。由表1中S01、S02、S04水样指标可以看出，则莫沟内地表水体的钙离子(Ca2+)、重碳酸根离子(HCO3-)、总硬度及矿化度相对明显较低，而S03为暗河管道地下水，其水化学特征指示出较典型的岩溶地层水岩作用结果——钙离子(Ca2+)、重碳酸根离子(HCO3-)含量对比地表水体明显较高[5]。

对比分析隧洞涌水指标，其主要指标含量均略低于S03暗河管道地下水，而明显高于则莫沟内地表水体，故2号斜井涌水的水化学类型与虹鳟鱼庄处所出露的暗河地下水更为接近。