马鞍山隧道暗河成因及涌水量预测

重庆市市政设计研究院，重庆 400000

马鞍山隧道为钟多镇至渤海快速通道的控制性节点工程，属于分离式双向特长隧道，全长4844m，最大埋深为555m，设计底板标高为587～621m。隧道右线开挖至YK2+520处发现地下暗河，暗河断面高3～7m、宽2～4m，1—2月份枯水期水深为0.10～0.30m，流量为20～50m3/d，暗河距离隧道底板19m左右，进入雨季后暗河出现涌突水将破坏隧道底板，影响道路安全。

1 暗河形成的工程地质条件

马鞍山隧道起点位于酉阳向斜东翼近核部，隧道沿向斜的东翼展布，山脉走向与构造线方向基本一致，呈东高西低趋势。隧道起点位于洞底坝附近，高程约为650m。隧道靠近终点处地势最高，地面高程为1000～1100m，最大高程约为1190m。隧道出口位于本水溪深切沟谷西侧、悬崖峭壁底部，地面高程约为592m。本水溪沟谷底部地面高程约为490m，沟底宽约为40m，有常年流水。

隧道穿越段位于垄基槽谷中山区，为中低山地貌区，高程多为600～1000m，山顶高程为1000～1100m。地表多为溶蚀峰丛及洼地，峰丛高度为30～50m，峰丛之间多为溶蚀洼地或沟槽。

隧道穿越段地面最高点为上吴家盖，高程为1190m，最低点为隧道出口处本水溪沟谷底部，高程约为490m。隧道穿越带地面高差达710m，隧道最大埋深约为555m，位于K4+220附近。

地层岩性为寒武系中统平井组和高台组的白云质灰岩、灰质白云岩、泥质白云岩。隧道位于酉阳向斜的东翼，桐麻岭背斜的西翼，岩层产状为265°～290°∠5°～20°，隧道走向垂直于岩层倾向。沿隧道走向，该区域分布大量横断层（平移断层），断层的走向垂直于背斜的轴向与暗河的走向基本一致。区内岩溶发育，地下水丰富，主要地下水类型为碳酸盐岩岩溶水。

2 可溶性碳酸盐岩类岩溶化特征及岩溶发育规律

（1）岩溶的分布与规模。根据地面调查，在隧道揭示的暗河区域，分布有9处大型岩溶漏斗、溶蚀洼地和小型溶洞，面积为8×18～45×120m2，与暗河的水平距离为0～95m，竖向距离为0～416m。暗河与地表的岩溶漏斗连通性好，并与多处溶洞贯通。暗河底板标高603.62m，主要位于第二岩溶期第二亚期发育的夷平面。

（2）岩溶发育的阶段性。区内岩溶发育有明显的多层性，每一溶洞层、暗河在一定标高内的分布均代表一个地壳的相对稳定时期，并可与各级夷平面相对比。各期岩溶发育层与夷平面对比关系见表1。

表1 隧址区岩溶发育的分层性

3 岩溶地下水发育分布规律

（1）岩溶发育及岩溶水与岩性的关系。岩性是岩溶发育的先决条件，岩溶水的分布与地层岩性密切相关。灰岩富水性最好，灰岩及白云质灰岩地表及地下岩溶均很发育，溶丘、洼地、峰丛、溶沟、溶槽等地表岩溶形态极为强烈，暗河及溶洞也最为发育，且规模较大，白云岩地表岩溶不太发育，溶洞与暗河虽有规模较大者，但数量不多，往往在构造的控制下才易产生。

（2）岩溶水富集与地质构造的关系。工程区穿越酉阳向斜和桐麻岭背斜两大构造。向斜宽缓、背斜紧凑。向斜区断层、节理不发育，岩体相对较完整，背斜因受到强烈挤压作用，而使大型节理和断层发育，桐麻岭背斜在靠近背斜轴的两翼分别发育了坝竹陀和龙潭平移断层，在轴部及两翼大型节理密集，一般发育2～3组节理，以276°∠61°～290°∠82°和116°∠76°～123°∠83°两组节理为主，其次为187°∠81°～217°∠88°的节理。断层和大型节理为岩溶的发育和地下水运移提供了空间。

（3）地貌对岩溶水发育的影响。不同地貌形态及不同的标高岩溶发育规律、程度及地下水富集程度不同。在高一级的夷平面上（1000m以上）岩溶极为发育，特别是垂直形态中落水洞、天窗、漏斗等最为发育，为地下水的补给区，地下水位埋藏深，水点少，流量小。

在两级夷平面的过渡地带（即斜坡地带）岩溶发育程度减弱，在夷平面的底部（如山盆期第二亚期的底部，标高600m左右）暗河溶洞发育，地下水丰富。马鞍山隧道分布的溶洞和暗河分布标高为500～635m。

该区内最低级夷平面是溶洞和暗河最发育的地带，是地下水排放最集中的区域。因此，从标高上看，岩溶化程度与地下水的富集程度呈相反的趋势，即岩溶化从高位置向低位置逐渐减弱，并且由垂直形态向水平形态转化，暗河及大泉出露个数随着标高的降低而增加，且流量显著增大。

不同的地貌形态因补给渗入条件的不同而影响了岩溶的发育及其地下水的富集。在测区内的溶丘洼地、峰丛洼地、峰丛谷地有利于地表水的渗入，而深切峡谷地带、垄岗地带地形陡峭，不利于地表水的渗入，故岩溶发育程度低，富水性亦差。

（4）岩溶水的垂直分带性。由工程区溶洞及大泉分布标高可知，工程区岩溶水的垂向变化大致可分为以下三个带：①垂直循环带（补给通道）：该带垂直岩溶发育，地表形态以岩溶洼地和落水洞为主，接受大气降水的补给，经漏斗、洼地汇集后沿层面向暗河或岩溶管道集中。②水平循环带（排泄通道）：指侵蚀基准面以上含季节变动带的下限，该带岩溶形态以水平管道为主，岩溶水活动强烈，经局部侵蚀基准面排泄，地表形态以大泉和暗河为主，为强透水带。在马鞍山隧道进口段洞底坝一带多以暗河的形式排泄，排泄口高程低于660m。马鞍山隧道出口本水溪一侧多以泉和暗河的形式排泄，排泄口高程略高于沟底高程。③深部循环带：水平循环带以下均属此带，岩溶形态以溶隙、溶孔为主，标高一般在200m以下。垂直循环带（补给通道）和水平循环带（排泄通道）的水力联系。垂直循环带的岩溶水接受地表洼地来水补给成为地下径流，形成暗河和溶洞。

（5）暗河涌水量计算。根据现场调查，暗河枯水季节主要以基岩裂隙水为主，雨季暗河地下水主要由岩溶漏斗和溶洞中的管道状岩溶水补给，因此，采用大气降水渗入量法计算暗河的涌水量与实际情况更吻合。计算公式如下：

式中：Q补为渗入补给量，m3/d；α为入渗系数，取值0.5；A为多年平均降雨量，根据气象资料取值1383.60mm；F为计算块段面积，km2。在1∶50000的水文地质图上量得计算块段面积为40.2km2。

计算结果，大气降水渗入补给总量为6.85万m3/d，该涌水量为平水期涌水量，根据对沿线暗河的调查，雨季暗河的涌水量可以达到平水期的20倍左右，预计涌水量约为137万 m3/d。

2011年10月1日—3日酉阳地区持续降雨，地下暗河于10月2日出现异常涌突水，根据现场的实测资料，涌水量峰值达到每昼夜120万m3/d。

4 治理措施

由于该暗河涌水量巨大，靠隧道修建排水沟已经无法消除水患，因此后来修建了导流洞对暗河地下水进行引流排放，消除了安全隐患。

5 结论

（1）马鞍山隧道暗河于灰岩和白云质灰岩中形成和发育，暗河地表分布大型岩溶洼地和溶蚀漏斗，并与暗河相通。

（2）暗河位于桐麻岭背斜的西翼，该背斜伴生大型断层，断层为平移断层，走向与暗河基本一致，为暗河的发育提供了地下空间。

（3）暗河的标高与地文期第二岩溶期第二亚期山盆期的夷平面标高比较一致，在该标高附近同时发育了特大型溶洞。

（4）暗河的涌水量宜采用大气降水渗入量法进行计算，雨季涌水量与平水期涌水量相差20倍左右。

（5）暗河应采用导流洞进行疏排，隧道内设计的排水沟难以消除隐患。