岩溶深长隧道水文地质调查分析与涌水量预测方法研究

黎德波LI De-bo

（广西水文地质工程地质勘察院，柳州 545006）

0 引言

我国不仅是隧道数量最多、长度最大的国家，同时也是水文地质最复杂的国度，因为地质条件非常复杂，所以在岩溶发育区进行隧道施工，很容易受到突泥、突水等自然灾害的威胁，导致严重的人员伤亡事故和重大经济损失，尤其是岩溶深长隧道，一方面是因为岩溶地质复杂，另一方面还在于岩溶隧道勘察、评估涌水方法缺乏科学性，所以很难精准判别灾害性涌水，最终引发隧道施工安全事故[1]。本文通过综合分析某段岩溶隧道水文地质情况，预测评估隧道涌突水量，有效遏制地质灾害，只有保证隧道安全施工，才能实现岩溶深长隧道的成功通行。

1 工程概况

某隧道为分离式隧道，隧道设计长度为5000m，最大埋深300m。在充分收集前人工作成果的基础上，首先在线路经过区开展1∶50000 水、工、环调查，基本查明隧道区水文地质条件、地下河分布特征；在线路两侧2km 范围内段开展1∶10000 水文地质工程地质调查，为隧道设计施工择提供水文地质参数及科学依据。开展1∶50000 水工环调查，主要工作内容是：①基本查明沿线岩溶地下水的补给、径流、排泄条件及各灰岩地层的富水情况，重点在于沿线岩溶地下水的垂直分带、水力坡度、地下分水岭的确定等；②基本查明岩溶分布特征（与地层、地质构造、地形地貌关系），基本查明沿线所经各地下河的分布及其与线路的关系，查明各个地下河的补迳排特征；开展1∶10000 隧道选线工程地质调查，主要工作内容是：①初步查明隧道区工程条件；②分析评价拟选隧道线隧道工程施工、运行对周围地质环境条件的影响程度。

2 工程地质条件

某隧道位于调查区为峰从谷地、陡坡中低山边缘缓坡丘陵，根据区内地层岩性的分布特征，结合地质构造，和岩组组合条件的不同，调查区可分为：侵蚀-溶蚀类型的岩溶峰丛谷地和构造-侵蚀的陡坡中低山两种地貌。隧址区位于向斜东翼，发育F1 逆断层，断裂走向北西-南东，倾向西，倾角69~82°，局部切割泥盆系地层，断裂影响带宽约60～120m 不等。与设计线路近平行排布，断层带局部挤压破碎现象，胶结一般。地质构造条件复杂为中等，属抗震重点工程，可按7 度采取抗震措施，区域地质背景属中等。隧址区属构造-剥蚀的中低山边缘丘陵地貌，西侧为侵蚀-溶蚀类型的峰丛谷地，相对高差一般大于200m，地面坡度一般大于25°，地形复杂，切割强烈影响，沟谷发育，西侧岩溶区发育2 条地下河，岩溶中等～强发育。据现场踏勘，确定1∶50000 水、工、环调查范围：线路两侧2km 范围及沿线所经各地下河流域。

3 岩溶发育特征

3.1 岩溶形态特征

该隧道所在区域属于侵蚀-溶蚀类型的岩溶峰丛谷地和构造-侵蚀的陡坡中低山两种地貌，由于地质构造部位、形迹及组合特征不同，岩溶化强度、程度与富水性有着明显的差异性。如穿岩地下河，顺层切割岩层面的裂隙发育，而白家界地下河顺层发育。岩溶发育与岩溶分布具有突出的方向性和分带性，岩溶个体形态特征为沿着断裂构造发育的地下河型的洞穴。溶丘洼地、丘从洼地以及峰从洼地位置分布溶缝与岩溶管道[2]。

3.2 岩溶发育规律

通过实地调查发现，隧道西部岩溶峰丛谷地，岩溶水水量中等，地下水向西径流排泄。峰丛间洼地、消水洞相间出现，以及洼地中消水洞串珠状发育。洼地、谷地轴向发育，向西部江河倾斜，洼地底标高400～208m，从隧道区含水层结构看，隧道位于F1 断层下盘，泥盆系中统应堂组砂岩、泥岩弱含水层阻隔岩性接触带附近的高位洼地导水补给。

4 岩溶水文地质特征

4.1 岩溶含水层

该工程中的隧道区以第四系坡残积层、泥盆系东岗岭组灰岩地层为主要揭露区域，第四系残坡积大多在斜坡地带与洼地分布。①纯碳酸盐含水岩组。纯碳酸盐含水岩组有着非常丰富的含水量，而且溶液发育非常强烈[3]。隧道施工区内以泥盆系东岗岭组为主，并且处在白云质灰岩含水层、灰色白云岩，含水介质以熔岩管道与溶缝为主，隧道共计5000m，处于该层中；②不纯碳酸盐溶洞裂隙含水岩组。本含水岩组存在非常丰富的含水量，而且表现为岩溶强发育。

4.2 岩溶垂向水动力分带

通过调查研究当地水文地质发现，本区域的岩溶垂向动力分带主要包括水平径流带、表层岩溶带、季节变动带以及垂向渗滤带，具体如图1 所示。

图1 某隧道岩溶水动力分带示意图

①垂向渗滤带。地表径流沿着纵向岩溶裂隙、溶缝以及消水洞等持续下渗，垂向渗滤带的岩溶发育程度非常不均匀，而且存在非常大的发育深度变化，通常在20~100m；②表层岩溶带。因为土层比较普遍，所以表层岩溶带的厚度值比较大，周边会有大量的小泉水，大量表层泉分布在隧道的出口位置[4]；③季节变动带。由于受降水的影响，隧道地下水深度呈现季节性变动特征，此为具有非常强岩溶作用的地带，隧道区域的变化带厚度大约在20~30m；④水平径流带。因为隧道选址区域存在非常大的地形高差，且溶蚀切割相对较深，地下水平径流带深度较大，通常在170~200m 以下的位置。

4.3 岩溶水系统特征

该隧道因受岩溶水动力条件、地质地貌构造地层岩性等诸多因素影响，具体划分为三大水系统：穿岩地下水系统、白家界地下水系统、观音地下水系统。①穿岩地下水系统分布于隧道进口区段，发育穿岩地下河，源于穿岩伏流入口，向西径流，枯季流量461.77L/s。地层出露泥盆系东岗岭组上段厚层状灰岩、白云岩，中下游岩溶洼地、溶隙、消水洞等较发育，中上游为岩溶谷地及碎屑岩区地下水补给区，几乎不影响隧道施工。②白家界地下水系统，分布于隧道中部，癞头山至白家界附近，于南部出口，枯季流量9.7L/s。发育泥盆系上统融县组、中统东岗岭组上段灰岩，岩溶洼地、溶隙、消水洞等发育，地下水补给条件好，富水性中等；上游接受中低山冲沟水及基岩裂隙水的侧向补给，于大岩门伏流入口进入地下，补给地下河[5]。③观音地下水系统，分布于隧道南部，附近至南面出口属于该地下水子系统，以次一级地下水分水岭为界，含水岩组为泥盆系中统东岗岭组灰岩、白云岩，含纯碳酸盐岩裂隙溶洞水，富水性中等。地下水类型主要有基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水。碎屑岩区基岩裂隙水多以山脊为界，向两侧沟谷径流排泄，沿隧道直沿线，尚有少量侧向补给岩溶水。岩溶谷地区，降雨通过表层裂隙，洼地（谷地）消水洞渗入补给。

5 深长隧道岩溶涌水分析

5.1 深长隧道岩溶涌水评估

通过分析岩溶垂向枯水期与水动力分带高度发现，该深长隧道区域的岩溶水位多在季节变动带与饱气带分布，具体如表1 所示。分析岩溶水位、水系统以及地质构造，该深长隧道已经具备岩溶涌水条件，具有非常大的涌水概率。其中YK44+100 到YK45+900 段、YK45+900 到YK46+500 段的隧道都在季节变动带，然而，通过分析区域内的水文地质发现，该隧道段在岩溶水系统径流与补给区域，具有非常小的季节性突水发生率[6]。然而，该段必须明确注意溶洞的填充物会有坍塌的危险，尤其是雨水后很容易出现突发泥石流、突水等地质灾害。而K46+500 到YK47+500 段的隧道在饱水带，尤其是YK45+200 到K46+100 段的位置在浅饱水带，呈现构造发育，所以会有遭遇岩溶管道与裂隙状溶洞的可能性，进而引发突水。所以，该段具有较高的大型溶洞揭露率，涌水初期主要来自静储量，水量大、压力高，而且具有非常强的突发性，很容易导致重大安全事故，水压力在后期会随之下降，水流量也会慢慢减小，继而趋于平稳。

表1 某隧道岩溶水位分类

5.2 隧道岩溶涌水量预测

在预测隧道岩溶涌水量环节，考虑到隧道所在位置岩溶发育程度、岩溶水动力分带、岩溶发育特征等，总结出涌水来源多为大气降水通过落水洞、洼地以及漏斗入渗造成，因此预测方法选择洼地渗入法与地下水疏干法。如果隧道位于浅饱水带，水头为50~100m 的高度，发育包括岩溶管道和岩溶裂缝，那么隧道用水量必须考虑到雨期动储量与静储量，具体计算公式为[7]：

①静储量涌水：

以上公式中，QS表示静储量，N 表示涌入系数，μ 表示给水度，H 表示隧道底板以上的含水厚度，FS表示降落区域的汇水面积，TS为疏干时间。

②雨期动储量涌水：

以上公式中，Qf表示静储量，N 表示涌入系数，α 表示入渗系数，A 表示降水量，Ff表示降落区域的汇水面积，Tf表示降水周期。

5.3 涌水量预测结果

分析表1 的计算结果、岩溶水动力分带以及岩溶水系统特征，分析YK44+100 至YK45+900 段、YK5+900 至YK47+500 段，结果如表2 所示。

表2 隧道涌水量预测结果

5.4 隧道施工中突水突泥分析

预测各隧道涌水灾害严重等级与地表环境特征、岩石性质、地质构造、防水措施、气候条件、最大埋深、隧道长度有关，从断层影响破碎带底下穿过的隧道区段，由于断层切割岩层，裂隙发育，岩体破碎，破碎带的张性裂隙及层理面可能形成裂隙水道，雨季可形成较线状、股状的形式或突水突泥，由于雨水注入，有一定威胁，做好超前探放水工作，则不会形成水害。

此外，隧道西部岩溶峰丛谷地，岩溶水水量中等，地下水向西径流排泄。峰丛间洼地、消水洞相间出现，以及洼地中消水洞串珠状发育[8-10]。洼地、谷地轴向发育，向西部倾斜，洼地底标高400～208m，从隧道区含水层结构看，隧道位于F1 断层下盘，泥盆系中统应堂组砂岩、泥岩弱含水层阻隔岩性接触带附近的高位洼地导水补给。通过分析预测突水量和突水实际情况，实际涌水量相对来说比较小，然而，和预测涌水量没有太大的差别，通常突水时间处于雨后的1~2d，可见降水对突水地质灾害产生的影响非常大。实际情况和预测的涌水量基本相符合，可见，预报方法具有合理性。

6 结论

通过以上研究，得出以下结论：①该隧道是比较典型的一种强岩溶隧道。隧道底层属于上泥盆系东岗岭组地表岩溶与石灰质砾岩发育，隧道区分布由漏斗、洼地以及消水洞，大气降水通过漏斗与落水洞直接渗透至地下；②分析岩溶水位、地质构造以及水系统发现，该隧道已经具备岩溶涌水条件，且隧道位于季节变动带和饱水带，所以隧道施工揭露破碎带概率相对较大，尤其是雨水较大时，很容易引发突泥或突水等地质灾害，隧道涌水存在突发性强、压力高以及水量大等特性，很容易引发重大事故；③对比实际和预测的突水量、突水时间，预测的涌水量基本符合实际涌水量，说明预测的涌水量具有合理性。