重庆中梁山隧道群涌突水时空特征分析

李 近,曹 聪,许 模,范 泽 英,夏 强

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059; 2.重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队,重庆 401147; 3.重庆市地下水资源利用与环境保护实验室,重庆 401147)

0 引 言

在重庆都市经济圈的5 473 km2范围内,已建隧道50余条,据不完全统计,未来10 a内将达到上百条。重庆独特的隔档式构造条件,造成隧道工程施工过程中常常发生涌突水、地表水体流失、岩溶塌陷等地质灾害。渝怀线铁路歌乐山隧道在施工中遇到岩溶水灾害,初期采取以排为主的治理措施,造成地表10座水库和100多个水塘水位降低,附近6万多居民和200多家企业单位的生产、生活用水受到不同程度的影响[1]。中梁山长江与嘉陵江之间隧道工程密集,50 km长的山体分布了近20条隧道,水文地质问题较为突出,研究程度也较高。鉴于襄渝铁路中梁山隧道在其修建过程中出现泉水漏失、岩溶塌陷等诸多问题,付开隆通过分析区域水文地质条件,采用比拟法等多种方法对遂渝高速中梁山隧道进行了涌水量预测[2]。渝武高速北碚隧道修建过程中,大量的岩溶溶隙水与裂隙水涌入隧道,导致7.2 km2的水源枯竭[3]。龙奎采用一种非稳定涌水量的解析解公式,分段计算歇马隧道开挖过程的涌水量[4]。Chen等以华岩隧道为例建立数值模型,指出地层岩性与水文地质特征是隧道涌水影响环境的决定条件,并将水位漏斗变化分为先垂向至最大深度、后水平向达最远距离及最终水位全面恢复3个阶段[5]。

然而,现有研究多针对单个隧道工程,以区域为研究对象的系统总结尚不多见。范明东等通过分析多条隧道涌水量实测数据,认为隧道涌水影响因素主要为隧道所穿可溶岩长度、隧道竣工年限及地层倾角[6]。钟玲敏等分析了中梁山南段多条隧道涌水情况及涌水对水文地质条件的影响,以此验证深部岩溶的发育特征[7]。本文将系统梳理重庆中梁山嘉陵江-长江两江间隧道涌突水的时间与空间特征,为隔档式构造区相似水文地质条件下的隧道工程建设提供涌突水预测、水灾害防治等方面的理论依据。

1 水文地质条件与隧道工程

研究区为南北长约50 km、东西平均宽约6 km的狭长区域。区内气候属于亚热带季风性湿润气候,多年平均气温18 ℃,多年平均降雨量1 000～1 300 mm,多年平均日照时长1 100～1 400 h,多年平均相对湿度70%～80%。

区内主要控制性构造为观音峡紧窄背斜,背斜轴线大体沿南北向延伸。南北两段核部地层为三叠系飞仙关组(T1f)泥岩夹灰岩地层,下部长兴组(P2c)灰岩与其整合接触,中段核部地层为嘉陵江组(T1j)灰岩地层;两翼地层分别为嘉陵江组(T1j)和雷口坡组(T2l)灰岩地层、须家河组(T3xj)砂岩地层、自流井组(J1-2z)页岩泥岩地层以及沙溪庙组(J2s)泥岩砂岩地层。整体西翼地层较陡倾,局部地层有倒转现象;东翼相对较缓。区内断层主要为西翼的白庙子断层,属压扭性断层,主要发育于T1j地层,走向与背斜轴线基本一致(见图1[8])。

区内岩溶发育,主要岩溶地层为T2l、T1j、T1f3和T1f1,整体分为东西两个岩溶槽谷,槽谷内岩溶洼地、溶洞、落水洞、地下暗河等为主要岩溶现象。溶洞、落水洞沿可溶岩地层呈带状分布,总体上表现为南北段分布密集,中段相对较少,且东槽谷岩溶发育程度高于西槽谷。岩溶洼地主要发育于东槽谷,总面积约为5.5 km2,约占T2l与T1j地层总面积的16%。地下暗河的发育也与背斜轴线的走向基本一致。

中梁山观音峡背斜因其独特地质条件形成了“一山三岭夹两槽”特殊景观,本质上是可溶岩与非可溶岩因空间位置的不同而产生相互作用的结果。T1f地层的T1f2与T1f4为非可溶岩,作为相对隔水层阻碍了T1f1与T1f3中的岩溶水向两侧流动,同时出露于地表的灰岩被风化侵蚀,岩溶较不发育的地层逐渐成为山岭;处于两翼的T2l和T1j地层被两侧的T3xj和T1f4所阻隔,形成东西两个岩溶槽谷,地下水在此汇集并沿地层南北向流动。区内地下水主要补给来源为大气降雨补给,地下水排泄主要以岩溶泉点及地下暗河等形式为主,受工程建设影响,区内诸多岩溶泉点被疏干(见图1)。

自1968年襄渝铁路北碚隧道修建至今,中梁山已建隧道17条,包括公路隧道、铁路隧道和城市地下轨道隧道等,隧道建设历程及最大涌水情况如图2所示[2,6,8-28],隧道长度多为3 500～4 500 m,最长为5 155 m 的兰渝铁路新龙凤隧道,最短为仅727 m的歌乐山公路隧道,进出口平均高程处于245～350 m之间。自2000年以后,该区隧道建设密集开展。

注:纵轴隧道编号自上而下对应从北向南的空间位置。图2 中梁山两江段隧道建设历程Fig.2 Construction process of tunnels in segment of Zhongliang Mountain between Yangtze River and Jialing River

2 涌突水时间特征及与降雨相关性分析

岩溶区地下水与大气降雨之间的水力联系较为密切。本文中梁山两江之间的岩溶含水层为相对独立的水文地质单元,大气降雨为浅层地下水的最主要补给,对隧道涌突水产生了直接影响。1980年7月30～31日,中梁山最大降雨量达148 mm,随后襄渝铁路中梁山隧道发生了5万m3/d的特大涌突水事件[2];2007年7月16日,施家梁隧道在多日暴雨后,涌水量达20万m3/d[10]。研究区部分隧道的涌水量与降雨量时序如图3所示,襄渝铁路隧道、遂渝高速隧道以及轨道6号线隧道涌水与降雨联系密切,涌水曲线随降雨变化而变化的趋势明显,后文将进一步从施工期总涌水量与月均涌水量两个方面论述其与降雨的相关性。

注:(a)～(d)中的涌水量监测数据为月监测值,其余涌水量均为逐日监测;所有降雨量均为逐日数据,来源于中国气象数据网沙坪坝站点(站号57516)。图3 隧道涌水量与降雨量时序图Fig.3 Time series diagram of tunnel water inflow and rainfall

图3所涉及隧道的涌水量统计特征盒须图如图4所示,其中涌水量数据为各隧道东口与西口、南线与北线之和。按涌水量大小分(a)、(b)两组,其中(a)组中隧道涌水量值整体较小,可见涌水量均值最小为渝怀歌乐山隧道,为2 448 m3/d;而(b)组中双碑隧道均值最大,为14 796 m3/d。隧道涌水量整体均值为6 446 m3/d,其中歇马隧道和襄渝铁路隧道(成渝开挖期)涌水量的均值与中位数相差较大,前者反映出数据呈左偏态分布,其涌水量大值较多,后者则是右偏态分布,小值占优;其他隧道整体均值与中位数相差较小,呈近似对称分布。此外,明显可见襄渝铁路隧道(成渝开挖期)异常值偏多,反映出其在一段时间内存在较大涌水段。

注:②-⑧指在⑧隧道修建期对②隧道进行监测,以此类推。图4 隧道涌水量盒须图Fig.4 Box and whisker diagram of tunnel water inflow

图5为各隧道施工期的平均涌水量与总降雨量的线性拟合,排除双碑隧道后的拟合结果较好,相关系数R2接近0.7,表现出较明显的线性趋势,即降雨量越大,涌水量越大,反映出宏观上隧道涌水受降雨影响显著的特点。双碑隧道未参与拟合,其涌水量最大但施工期总降雨量不大,主要因为该隧道涌水受构造作用影响较大,后文将对此做进一步分析。

图5 隧道开挖期平均涌水量与总降雨量散点图Fig.5 Scatter plot of average water inflow and total rainfall during tunnel excavation

2.1 隧道月均涌水量与降雨相关性

较大时间尺度下的数据分析能够减小特殊值的影响,更好地反映数据整体变化情况。以隧道月均涌水量与月总降雨量绘制时序图(见图6),明显可见图6(b),(c),(e)隧道涌水与降雨之间相关性较好,图6(e)还表现出较明显的滞后性特征。此外,随着隧道工程的推进,部分隧道涌水量最终趋于相对稳定的状态,隧道涌水受降雨影响较小,如图6(b),(c),(f)～(i)所示。

图6 隧道月均涌水量与月总降雨量时序图Fig.6 Time series diagram of monthly average water inflow and monthly total rainfall in the tunnel

以隧道月均涌水量与月总降雨量绘制散点图并进行线性拟合(见图7),拟合结果总体上较好地反映了隧道涌水随降雨量增大而增大的特征。线性拟合的斜率能够体现隧道涌水对降雨的响应速率。按时间顺序来看,早期(2004～2007年)修建的遂渝高速隧道、襄渝铁路隧道斜率最大,对降雨响应较快,后期(2012～2017年)修建的轨道6号线隧道、歇马隧道等斜率偏小,对降雨的响应较慢。此外,针对同一条隧道,襄渝铁路隧道与遂渝高速隧道在早期(2004～2007年)的拟合曲线斜率也大于后期(2012～2014年)。分析此原因可能与地下水位下降有关,即早期水位较高时,含水层饱水,隧道涌突水对降雨的响应较为迅速;而随着隧道持续疏排山体中地下水,地下水位整体下降,故后期的隧道涌水对降雨的响应速度变缓。

图7 中梁山部分隧道月均涌水量与月总降雨量散点图Fig.7 Scatter diagram of monthly average water inflow and monthly total rainfall in some tunnels in Zhongliangshan

2.2 涌水对降雨的敏感性分类

依据隧道涌水的涌水量(Q)与时间(T)的关系曲线及降雨量时序曲线特征,并结合涌水来源以及渗流通道的连通性,可对隧道涌水类型进行划分[29]。依据图6各隧道Q-T曲线特征,对其涌水类型进行分类。

(1) 降雨补给型。隧道涌水来源以降雨为主,其渗流通道连通性较差,隧道涌水对降雨表现为明显的滞后性,曲线整体随降雨表现为缓涨、缓降的趋势。将轨道6号线隧道划分为此类型(图6(e))。

(2) 地下水补给型。隧道涌水来源以含水层为主,隧道开挖揭露含水层,涌水曲线变化较大,当含水层能够持续补给时,涌水量趋于稳定状态,曲线整体形态与降雨相关性差。将渝怀歌乐山隧道(图6(a))、成渝客运专线隧道(图6(f))、襄渝铁路中梁山隧道(成渝开挖期,图6(g))、遂渝高速中梁山隧道(成渝开挖期,图6(h))、歇马隧道(图6(i))划分为此类型。

(3) 混合补给型。隧道涌水来源为含水层及大气降雨,涌水曲线特征受二者共同控制,含水层水量较小时,涌水随降雨发生变化,并表现出一定的滞后性;含水层水量较大时,受降雨影响变小,当含水层补给充足时,隧道涌水趋于稳定状态,补给缺乏时,涌水则逐渐下降。将襄渝铁路中梁山隧道(遂渝开挖期,图6(b))、遂渝高速中梁山隧道(图6(c))、双碑隧道(图6(d))划分为此类型。

3 涌突水空间特征

区域水文地质条件是隧道涌突水发生的前提,涌突水随地层岩性、地质构造等条件的空间差异而表现出不同的特征。吴明亮等依据隔档式构造区岩溶地下水的水平分带及垂直分带特征将隧道涌突水划分为8种类型[30]。本文主要对地层岩性、地质构造、隧道埋深等进行分析,总结中梁山各隧道涌突水的空间特征。

3.1 地层岩性及岩溶发育

整理现有隧道涌突水的长期观测资料,统计了不同隧道在各个地层中的单位长度涌水量及各地层单位长度涌水量所占比重(见图8)。

图8 中梁山地层单位长度涌水量Fig.8 Water inflow per unit length of Zhongliang Mountain strata

3.1.1可溶岩与非可溶岩

图8(a)中的歇马隧道与双碑隧道及图8(b)均反映出隧道涌水在可溶岩中与在非可溶岩地层中的差异,可溶岩地层单位长度涌水量占比可达到91%,远大于非可溶岩地层。在可溶岩与非可溶岩接触界限附近,岩溶发育程度高,地层富水性较好,极易引发涌突水事件。歇马隧道在开挖至T3xj与T2l界限处时,隧道涌水产生突增现象;施家梁隧道则因界限附近岩溶发育,浅表发育的落水洞连通岩溶管道,与地表水力联系密切,因而在降雨后发生涌突水事件。

3.1.2东翼与西翼

研究区南北两端隧道西翼地层单位长度涌水量大于东翼,见图8(a),以歇马隧道最为明显,其西翼T2l+T1j地层单位长度涌水量为12.2 m3/(d·m),东翼T2l+T1j地层仅4.9 m3/(d·m);靠近中部的渝怀歌乐山隧道和双碑隧道则有差别,其T1f地层为东翼大于西翼,T2l+T1j地层则是西翼大于东翼,其中双碑隧道西翼与东翼T2l+T1j地层的单位长度涌水量差值可达32.4 m3/(d·m)。从东西翼单位长度涌水量占比来看,西翼总体占比为67.72%(见图8(b)),也大于东翼。整体而言,各个隧道西翼的涌水量大于东翼。

3.2 地质构造

3.2.1地层产状

观音峡背斜西翼地层倾角65°～80°,部分区域近似直立状,东翼地层倾角40°～60°,总体上西翼较东翼更加陡倾(见图1中各剖面图),范明东等依据隧道竣工后实测涌水量值与地层倾角做线性拟合,结果表明二者呈正相关性,且拟合度较高。前述西翼地层单位长度涌水量总体大于东翼的特征,主要与地层产状直接相关,即直立地层更利于地下水的顺层下渗,由此进一步推测:与东翼岩溶地层相比,西翼岩溶地层深部的岩溶现象更为发育。

3.2.2背斜纵向构造特征

前人对中梁山观音峡背斜地质构造的认识,通常只关注横向(东西向)所表现的背斜形态,而忽略了沿背斜轴线的纵向构造特征及其影响。自南北向来看(见图9),褶皱特征也较为明显,中梁镇、金刚村一带为向斜核部,T2l+T1j地层在此出露但厚度不大;由此往南北方向,地势渐高,而较老的T1f地层广泛出露,天池村、永宁寺村分别为南北背斜的核部。基于此构造特征,推测天池村-新店村、永宁寺村-龙车村一带应分别为南北的地下水分水岭,此范围内的地下水有向中部金刚村一带汇集的构造优势。双碑隧道的涌水量为研究区最大,且受降雨影响较小,即反映了此构造特征。

图9 中梁山沿观音峡背斜轴线纵向剖面Fig.9 Longitudinal section of Zhongliang Mountain along the Guanyinxia anticline axis

在成渝客运专线隧道施工期间,襄渝铁路隧道的平均涌水量为9 834 m3/d,大于其北侧的遂渝大学城隧道及成渝客运专线隧道,反映出新店村至金刚村地下水自南向北流动的特点。这一特点还可据同一隧道的南线与北线的涌水量差异来佐证(见图10)。成渝客运专线隧道无论东段或西段,以及邻近的遂渝大学城隧道,均是南线涌水量大于北线,这表明了地下水在地层向北倾斜的构造作用下向北流动的特点。此外,中梁山北端龙车村附近的歇马隧道平均涌水量为4 559 m3/d,大于北侧轨道6号线隧道的2 705 m3/d,可初步判断地下水流的方向为自南向北,与此处地层向北倾斜的构造特征一致。

图10 成渝客运专线隧道与遂渝高速隧道涌水量盒须图Fig.10 Box diagram of water inflow in the Cheng-Yu Passenger Dedicated Line Tunnel and Sui-Yu Expressway Tunnel

3.2.3断 层

西翼白庙子断层的发育也是重要影响因素,白庙子断层属压扭性断层,其性质可作为相对隔水层,虽不如拉张性断层那样使断层周围导水性增大,但因其隔水作用,易使可溶岩地层一侧储水量变大,当突然揭穿断层时,易发生涌突水事件。以轨道1号线隧道为例,隧道出口段施工至断层附近时,隧道多处出现股状涌水现象,其原因为施工揭穿断层破碎带,使本身导水性较差的破碎带导水性增大,形成导水通道并连通含水层引发涌突水[1]。

3.3 隧道埋深

埋深是隧道涌水量预测评价中的重要参数,隧道埋深通常反映了隧道上覆含水层的水位高度。对岩溶区隧道而言,埋深往往还反映了岩溶发育程度以及岩体渗透性的大小,因此不同埋深的隧道涌突水表现出较大的差异[31-32]。Holmøy等针对挪威多条隧道的研究表明,隧道涌水量随上覆岩层厚度增大而增大[33]。

图11为隧道在嘉陵江组地层的平均埋深与最大涌水量及单位长度涌水量的关系曲线,隧道平均埋深为242 m,其中轨道6号线隧道平均埋深最大,为339 m,华福隧道最小,仅126 m。可以发现:位于中梁山南段的隧道,如隧道⑦、、⑧、②,其最大涌水量与隧道平均埋深呈正相关关系;处于北段的隧道则呈现负相关的关系,如隧道、⑤、、⑨;对于单位长度涌水量而言,因数据量有限,仅对有长期观测数据的5条隧道进行分析,其结果也表明埋深对涌水量存在正负两种影响。因此,对中梁山区域隧道建设而言,在一定范围内存在一个埋深使得隧道涌水量达到最大。

图11 隧道埋深与涌突水的关系Fig.11 Relationship between tunnel burial depth and water inrush

4 隧道涌水对环境影响评价

隧道排水易引发地下水疏干、地表水疏干、地面塌陷等诸多环境问题,考虑灾害的发育特征、地表水及地下水的疏干情况、工程地质条件等因素,将研究区分为地质环境影响程度严重区(I区)、地质环境影响程度中等区(Ⅱ区)、地质环境影响程度一般区(Ⅲ区)。

根据图12[28],I区总面积83.78 km2,占研究区总面积的37.54%,主要位于岩溶区内受隧道和地下矿山影响强烈的区域,区内井、泉点流量大多完全干涸,仅在雨季有水流出,雨后3～15 d迅速干涸。部分泉点有水流出,但流量衰减严重,地表的水库、池塘和溪沟水量严重衰减,大部分干涸。Ⅱ区总面积33.80 km2,为总面积的15.14%,主要位于须家河地层内受隧道和地下矿山影响中等的区域,区域内泉点和地表水体水量减少过半,连续干旱一段时间以后会造成当地居民饮水困难。Ⅲ区总面积105.60 km2,占总面积的47.32%,主要位于侏罗系地层区域以及受地下空间影响较小的可溶岩区域。区内井、泉等地下水体以及水库、池塘、溪沟等地面水体水量较以往基本无变化或变化很小,对当地人生活生产用水问题影响较小。

图12 环境影响分区[28]Fig.12 Environmental impact zoning

5 结 论

本文基于重庆中梁山两江间1970～2020年隧道工程的涌突水量实测数据,结合研究区水文地质条件、降雨量资料,开展统计分析,系统总结了涌突水量的时间与空间特征,进行了隧道涌水对环境影响评价,主要结论如下:

(1) 时间方面,从年际尺度上,隧道涌水量与降雨量呈明显的线性相关,即涌水量总体随降雨的增大而增大,反映出研究区地下水系统较为开放,主要补给来源为大气降雨补给;隧道月均涌水量与降雨量的相关性分析表明,早期(大致以2010年划分)的隧道涌水对降雨响应更为迅速,后期则变缓,反映出区域地下水位整体下降后,山体深部对降雨响应变缓;依据隧道涌水与降雨时序图的曲线特征,可将隧道涌突水类型分为降雨补给型、地下水补给型和混合补给型。

(2) 空间方面,可溶岩地层为隧道涌突水的主要地层,单位长度涌水量占比达91%;由于背斜西翼地层较东翼陡倾,西翼的涌水量总体约为东翼的2倍;沿观音峡背斜轴线的纵向褶皱显著控制了地下水流方向,山体不同段落隧道平均涌水量南北向上的差异充分反映出这一规律;隧道埋深方面,南段隧道涌水量随埋深增大而增大,北段则相反。

(3) 对研究区进行环境影响评价,将其分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区。Ⅰ区多为可溶岩地层,占比37.54%,影响严重;Ⅱ区多为砂岩地层,占比15.14%,影响相对较轻;Ⅲ区多处于侏罗系地层,占比47.32%,影响程度最小。