陳紫云，陳敏，代紹述，藍(lán)香源，楊善元，胡聰

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610017；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局909水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，江油 621701；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

西南某山區(qū)高速公路巖溶隧道的涌水災(zāi)害危險(xiǎn)性研究

陳紫云1，2，陳敏3，代紹述2，藍(lán)香源2，楊善元2，胡聰4

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610017；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局909水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，江油 621701；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

西南某山區(qū)高速公路越嶺巖溶隧道所處區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，全段不僅存在通過巖溶進(jìn)行地下水近、遠(yuǎn)程補(bǔ)給而發(fā)生涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)，而且勘察發(fā)現(xiàn)進(jìn)口段存在巖溶管道與臨近龍湖存在水力聯(lián)系，存在湖水倒灌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文以隧道近場(chǎng)區(qū)地質(zhì)建造和構(gòu)造改造格架為分析物質(zhì)基礎(chǔ)，以地質(zhì)作用過程機(jī)制為分析方法，通過調(diào)查、物探及鉆探等手段基本查明隧址區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上建立水文地質(zhì)原型，對(duì)地下水、地表水的補(bǔ)徑排關(guān)系和滲流場(chǎng)特征，及巖溶空間展布特征展開分析研究，定性到半定量地進(jìn)行了隧道涌水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估，并以評(píng)價(jià)成果為依據(jù)對(duì)原隧道平縱布置進(jìn)行了調(diào)整，以進(jìn)一步降低建設(shè)和運(yùn)營期間的涌水突泥危險(xiǎn)性。

隧道；巖溶；涌水；危害

1 巖溶隧道涌水災(zāi)害研究現(xiàn)狀

關(guān)于隧道涌水量專題的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論研究已有半個(gè)多世紀(jì)歷史，總結(jié)了大量的理論方法與經(jīng)驗(yàn)公式，但不同的方法或公式預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大，相比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也有較大誤差[1-2]。近年來，施工中也多用物探方法預(yù)測(cè)涌水，如采用地質(zhì)雷達(dá)、TSP，但物探法存在多解性[3]。因此，涌水預(yù)測(cè)的根本還是應(yīng)該建立在地質(zhì)條件的探查，以及在地質(zhì)過程機(jī)制分析基礎(chǔ)上的研究，輔以物探、數(shù)值模擬等工具性分析、評(píng)價(jià)。

1.1 隧道涌水災(zāi)害及危害

山嶺長隧道建設(shè)中，受隧址區(qū)地質(zhì)條件的控制，涌水形成的災(zāi)害一直以來就是施工建設(shè)及運(yùn)營中高度關(guān)注的議題[4-5]。從揭穿涌突水源及地下水的儲(chǔ)水構(gòu)造類型，涌水可分5類：地表或地下水體、含水巖層、斷層破碎帶、巖溶管道和其它構(gòu)造破碎帶[6]。持續(xù)不斷的涌水對(duì)建設(shè)及運(yùn)營帶來不利，極大地增加了施工和運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。若隧道聯(lián)通地下巖溶管道或是揭露巖溶區(qū)導(dǎo)水?dāng)鄬?，將可能帶來?yán)重的突水事故或形成極大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，特別是在隧道埋深大的情況下揭穿這些透水層引發(fā)涌水突泥災(zāi)害可致更加嚴(yán)重后果。例如[7-9]，寒嶺界深埋隧道，揭穿導(dǎo)水?dāng)鄬油话l(fā)涌水突泥，黃色的水?dāng)y帶泥沙軟泥瀑布狀噴涌而出，持續(xù)3月余，總涌水量達(dá)300 000 m3，修復(fù)時(shí)清除淤泥約6 850 m3，清理泥結(jié)碎石坍碴量約3 000 m3；華鎣山隧道施工中揭穿巖溶洞穴，多次發(fā)生涌水涌砂，其中最大涌突水達(dá)14 400 m3/h，施工難度極大；宜萬鐵路隧道自開建起相繼發(fā)生了多次巖溶突水災(zāi)難，馬鹿箐隧道暗河突水曾造成11人死亡，野三關(guān)隧道發(fā)生巖溶突水事故，造成52人被淹、10人失蹤；G213五指山隧道貫通后發(fā)生涌水，總量達(dá)90 000 m3/d，持續(xù)時(shí)間4個(gè)月；襄渝鐵路大巴山隧道出現(xiàn)灰?guī)r含水層溶洞涌水突泥，最大涌水量為150 000 m3/d，施工中斷3個(gè)月；等等。

1.2 隧道的涌水預(yù)測(cè)及研究方法

涌水預(yù)測(cè)的研究方法綜合起來分為定性和定量。定性研究指以水文地質(zhì)調(diào)查方法為主的地質(zhì)分析[12]，包括水文地質(zhì)遙感、物探(如導(dǎo)電性EH4、波速及放射性、TSP等)、水文地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔水文地質(zhì)調(diào)查(水力試驗(yàn)、物理井探與水位長期觀測(cè))、水文地質(zhì)試驗(yàn)(如抽水、注水、封塞、地下水流速測(cè)定等)、水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)調(diào)查(如雨量站、水壓計(jì)和量水堰等)等；定量研究是在定性分析建立的水文地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合其它分析技術(shù)，如理論解析、水文地質(zhì)模擬或數(shù)值分析等，將調(diào)查所得到的單點(diǎn)及線狀資料延伸至平面，甚或進(jìn)一步擴(kuò)充至地下三維空間情形，以分析區(qū)域地下水文變化情形。定性和定量相輔相成，不可分割。涌水預(yù)測(cè)計(jì)算方法主要有水均衡法、解析法(地下水動(dòng)力學(xué)法)、經(jīng)驗(yàn)公式法、水文地質(zhì)比擬法、降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、數(shù)值分析法以及非線性理論方法等[1-2]。巖溶隧道涌水預(yù)測(cè)常用非均質(zhì)的紊流方法(涌水影響因素、預(yù)測(cè)方法及危害)進(jìn)行分析，并根據(jù)不同邊界條件進(jìn)行選擇。

1.3 巖溶隧道的涌水危險(xiǎn)性研究及評(píng)價(jià)方法

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖溶隧道突涌水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)開展了大量研究。韓行瑞[13-14]認(rèn)為，巖溶隧道涌水是隧道與巖溶水系統(tǒng)在四維時(shí)空交匯的結(jié)果，基于巖溶水文地質(zhì)學(xué)提出了“隧道巖溶涌水專家評(píng)判系統(tǒng)”，分析了隧道巖溶涌水的機(jī)制并構(gòu)建了評(píng)判模型；張慶松等[15]進(jìn)行了高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道的突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論和方法研究，建立了突水風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法和災(zāi)害四色預(yù)警機(jī)制；杜毓超，等[16]以“巖溶隧道涌水專家評(píng)判系統(tǒng)”為依據(jù)，采用層次分析技術(shù)評(píng)判了不同巖溶水文地質(zhì)條件下隧道涌水的風(fēng)險(xiǎn)性；匡星等[17]建立了巖溶隧道施工期突涌水地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)突水、涌泥災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)；毛邦燕，等[18]通過對(duì)巖溶突水、突泥機(jī)制的深入研究，提出了定性與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的“隧道突水、突泥危險(xiǎn)性分級(jí)體系”；李利平，等[19]基于涌突水典型影響因素建立了巖溶隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)模糊層次評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行了勘察和設(shè)計(jì)兩個(gè)階段的突涌水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)和施工動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)；許振浩，等[20]基于層次分析法研究了巖溶隧道突水、突泥控制因素與因素權(quán)值，提出了巖溶隧道突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)三階段評(píng)估與控制方法；等等。

1.4 前人研究成果的指導(dǎo)意義

災(zāi)害防治的目的并非杜絕災(zāi)害事件的發(fā)生，而是保障避免受災(zāi)或控制災(zāi)害的危害性。顯然，在巖溶區(qū)越嶺隧道選線設(shè)計(jì)中已充分展露了避險(xiǎn)意識(shí)，如線路選擇在巖溶負(fù)地形之間，地下分水嶺附近、線路高程避免位于巖溶水位以下、對(duì)處于水平徑流帶及深部緩流帶中的隧道采用人字坡、平行導(dǎo)坑設(shè)在地下水上游一側(cè)、河谷地區(qū)線路選擇繞避谷坡上巖溶負(fù)地形和無水溶洞群等。但不可回避的是，長大隧道不可避免地要穿越多個(gè)不同的水文地質(zhì)單元，在巖溶水環(huán)境和隧道工程活動(dòng)相互作用、相互影響下，涌突水災(zāi)害的發(fā)生具有必然性。所以，需要對(duì)巖溶隧道涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)性展開評(píng)價(jià)研究，即評(píng)價(jià)隧道在特定時(shí)間和范圍內(nèi)災(zāi)害發(fā)生的可能性及危險(xiǎn)程度[9]?？傮w來看，雖然評(píng)價(jià)和研究方法眾多，然而每種理論都有其局限性，例如，風(fēng)險(xiǎn)層次遞推模型構(gòu)造得是否合理、準(zhǔn)確是層次分析法分析能否成功的關(guān)鍵，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法，因?yàn)殡`屬函數(shù)的確定具有一定的隨意性，會(huì)出現(xiàn)分類不清及結(jié)果不合理的情況[21]，等等。所以，實(shí)事求是地開展扎實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)研究，選擇和應(yīng)用適合工程的、合理的理論或方法，才是正確認(rèn)知巖溶隧道涌突水及其危險(xiǎn)性的根本。

2 西南某山區(qū)高速公路巖溶隧道的場(chǎng)地特征

2.1 區(qū)域自然地理?xiàng)l件

因地質(zhì)歷史上構(gòu)造作用強(qiáng)烈，區(qū)域上以侵蝕-堆積、侵蝕-構(gòu)造和侵蝕-溶蝕地貌為主，各種地貌類型相互作用，混雜分布，使得總體地形地貌分布、組合顯得較為復(fù)雜，相對(duì)高差數(shù)十至數(shù)百米，極不均勻。隧址區(qū)處于龍河、大河及支溝圍切孤立地塊，屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕的中等切割中山地貌。近場(chǎng)區(qū)最高點(diǎn)海拔約1 610 m，總體向北傾斜，坡度15°～25°，最低點(diǎn)龍湖，海拔約800 m，相對(duì)高差810 m。擬建越嶺隧道穿越山體海拔高程最高點(diǎn)約1 100 m、最低點(diǎn)約762 m，相對(duì)高差338 m。

隧址區(qū)域上屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨熱同季。多年平均氣溫17.3℃；最熱7月的平均26.0℃，最冷1月平均7.3℃；極端氣溫最高38.1℃，最低-3.3℃。多年平均降水量1 335.5 mm，集中在6～8月，占全年降水量59%；極端降水量年最大1 948.8 mm，年最小913.1 mm；月均最大321.7 mm(8月)，月均最小13.6 mm(12月)。近場(chǎng)區(qū)因地形地貌條件復(fù)雜多變，兼受環(huán)周山脈阻擋，使得氣候類型多樣，但總體受東南季風(fēng)的控制，氣候垂直分布明顯，隧址區(qū)顯得平均氣溫較低、陰濕多霧、降水豐沛，年均溫10.9℃～15.3℃，1月均溫5℃～0℃，7月均溫18℃～24℃；年雨霧日300 d左右，主要?dú)庀鬄?zāi)害有雷暴、暴雨、陰雨、低溫等。

隧址區(qū)域上屬長江水系，干流全長1 070 km，流域面積9.2×104km2，比降大，水流急，多年平均流量1 407 m3/s，最大洪水流量10 400 m3/s，最小枯水流量320 m3/s。近場(chǎng)區(qū)地表水系為大河、龍河及支溝，補(bǔ)給源主要為大氣降水。擬建隧道穿越大渡河水文地質(zhì)單元的龍河和大河兩個(gè)次級(jí)單元，且隧道穿越的山嶺為兩個(gè)次級(jí)單元的分水嶺。

2.2 巖土體性質(zhì)及其組合

隧址區(qū)出露易溶的白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖、砂質(zhì)白云巖及砂泥巖夾層等，溶蝕性差異較大，巖溶洼地、漏斗弱發(fā)育，落水洞、溶孔、溶溝、溶槽較發(fā)育，存在明顯空間差異，規(guī)模較小。由于構(gòu)造擠壓作用，近場(chǎng)區(qū)地層呈現(xiàn)高度的走向一致性：NW-SE，從而使得隧道穿越了大量地層，走向與構(gòu)造線和地層走向大致正交。由東至西由三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)的灰質(zhì)頁巖、粉砂巖、長石石英砂巖、砂質(zhì)頁巖、粉砂巖(多個(gè)沉積旋回，含有煤層)，三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)淺海至濱海的膏溶角礫巖、綠豆巖、石灰?guī)r及白云巖、鈣質(zhì)頁巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾瘤狀石灰?guī)r及角礫狀灰?guī)r、白云巖組成(表1)。

表1 近場(chǎng)區(qū)地層簡(jiǎn)表

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震地質(zhì)

近場(chǎng)區(qū)地層近單斜，產(chǎn)狀約300°～330°∠17°～30°，最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，方向近東西向，發(fā)育與之匹配的裂隙系統(tǒng)。地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域上主要成生于喜山期，構(gòu)造線展布具一定的方向性，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)特征明顯，且具斷塊運(yùn)動(dòng)特征；區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，構(gòu)造形跡以南北向?yàn)橹鳎睎|向、北西向和東西向次之。褶皺特征向斜開闊、背斜狹窄，斷層斷距一般較大，部分?jǐn)鄬忧腥牖?，并存在多期活?dòng)特征。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為明顯，反映強(qiáng)烈，以間歇性垂直抬升運(yùn)動(dòng)為主，小地震活動(dòng)較頻繁。區(qū)內(nèi)階地較發(fā)育，龍鎮(zhèn)至大河鎮(zhèn)之間保存較全，多為地殼上升、河流下切形成的堆積階地，主要發(fā)育三級(jí)，保留最完整的是Ⅰ級(jí)階地和Ⅲ級(jí)階地，尤以Ⅲ級(jí)階地分布最廣，形成河流兩岸高臺(tái)地居民聚居區(qū)。隨著地殼的抬升，河谷下切，因兩岸斜坡高陡，形成滑坡，堵塞龍河堰塞形成龍湖；地殼再次抬升，大坪山形成，之后地殼處于相對(duì)停歇期，緩慢地上升形成斜坡，在大坪山至太平村一帶形成傾斜型夷平面，形成了現(xiàn)今大體構(gòu)造格架，見圖1。

圖1 隧道近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造綱要簡(jiǎn)圖

(1) 磅磅背斜(11)

為軸面西傾斜歪背斜，軸向近南北，長約9 km，核部較寬緩，最老地層為三疊系飛仙關(guān)組，兩翼地層為三疊系嘉陵江組～三疊系須家河組，西翼傾角較緩(10°～30°)，東翼傾角較陡(20°～50°)。

(2) 碧山向斜(10)

軸向近南北，長約8 km，核部寬緩，最新地層為三疊系須家河組，兩翼較對(duì)稱，為三疊系雷口坡組，西翼傾角15°～40°，東翼傾角10°～30°，整體向北傾伏，向南仰起并收斂。

(3) 澁水?dāng)鄬?23)

位于隧道進(jìn)口東側(cè)約200～300 m，走向近南北，被龍湖斷層錯(cuò)為兩段，南段斷面西傾，為西盤上升東盤下降逆斷層，斷距約50 m；北段延伸情況不明。

(4) 龍湖斷層(26)

位于隧道進(jìn)口北東約1 000～1 200 m，走向東西向，延伸長度約5 km，幾乎全被第四系掩蓋，斷面性質(zhì)不明，從龍湖形態(tài)分析，應(yīng)為平移正斷層。

(5) 朱山斷層(25)

為逆斷層，位于隧道出口以北250～300 m，走向北東向，延伸長度約1.2 km，斷面傾向北西，傾角約25°～30°，北西盤上升并伴有牽引現(xiàn)象，破碎帶寬約1 m，斷失地層厚度約40 m。

(6) 灌頂斷層(24)

逆斷層，位于隧道出口北西1 000～1 100 m，走向近南北，延伸約7 km，斷面傾西，傾角約48°，破碎帶寬約5 m，角礫巖發(fā)育，一般3～5 cm大小，呈次棱角狀，斷距約400 m。

2.4 區(qū)域水文地質(zhì)條件

(1) 松散堆積層孔隙水

賦存于殘坡積含礫粉質(zhì)黏土、碎礫石層中，接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，向坡下溝谷及下臥層分散排泄。

(2) 基巖裂隙水

賦存于基巖裂隙中，接受大氣降水的補(bǔ)給，向坡下溝谷內(nèi)排泄并匯入龍湖及大河中；隧道洞身段非可溶巖巖石裂隙發(fā)育，具有一定的透水能力，但因含水層與透水性更強(qiáng)的可溶巖地層互層產(chǎn)出，因此賦存條件一般，含水量一般。

(3) 巖溶水

為場(chǎng)地主要的地下水賦存地質(zhì)體，擬建隧道穿越三疊系雷口坡組可溶性地層，層內(nèi)的巖溶水主要賦存于灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等可溶巖溶洞、暗河、溶蝕管(通)道、溶腔、溶蝕溝槽、溶蝕孔洞及溶蝕裂隙中，受大氣降水、上覆含水層地下水及遠(yuǎn)地巖溶水的補(bǔ)給。巖溶水類型還可以細(xì)分為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和碳酸鹽巖、碎屑巖互層裂隙溶洞水兩類，前者主要接受大氣降雨的貫入式補(bǔ)給，地下水陡漲陡落，消退迅速，不易儲(chǔ)存，故常表現(xiàn)為干溶洞；后者主要接受大氣降雨、溪溝水的補(bǔ)給，沿裂隙、溶隙徑流，于龍河岸、大河岸等地勢(shì)低洼處以下降泉的形式排泄。

2.5 建設(shè)場(chǎng)地條件對(duì)隧道涌水的控制分析

近場(chǎng)區(qū)發(fā)育的斷裂構(gòu)造如澁水?dāng)鄬?、龍湖斷層、朱山斷層、灌頂斷層幾乎成為研究地塊的構(gòu)造切割邊界。隧址區(qū)北部的龍湖，正常蓄水位在800～801 m，而隧道底板高程部分低于龍湖正常蓄水位，隧道經(jīng)過區(qū)域僅澁水?dāng)鄬涌赡艹蔀閷?dǎo)水?dāng)嗔?，且根?jù)水文調(diào)查和物探成果(圖2)，地下分布一巖溶管道，疑沿澁水?dāng)嗔训哪称扑閹д共?，極有可能造成湖水倒灌，具有發(fā)生大規(guī)模涌突水的危險(xiǎn)性。地表巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，主要表現(xiàn)為落水洞、巖溶漏斗、巖溶洼地、巖溶泉等，在暴雨季節(jié)，地表分布的干溶洞將大量成為深部巖溶管道的補(bǔ)給通道，在隧道雨季施工過程中，可能出現(xiàn)短時(shí)間的涌水量增加，以及存在降雨滯后性，與降雨量和降雨時(shí)間之間形成較為良好的線性相關(guān)關(guān)系。另外，因?yàn)樗碇穮^(qū)雷口坡組可溶巖的潮坪相建造原因，普遍存在質(zhì)地不純，溶蝕性和相對(duì)隔水性差異化顯著，控制了巖溶發(fā)育強(qiáng)度，且其空間非均質(zhì)性使得巖溶以順層發(fā)育為主，順垂直層面以張裂隙徑流為主。同時(shí)，因受非可溶巖的阻隔，在可溶巖和非可溶巖的接觸帶常有落水洞的發(fā)育分布，隧道施工過程中存在出現(xiàn)少量層間涌水的可能。

圖2 物探(AMT)揭露的隧道縱斷面水文地質(zhì)條件

3 隧道影響區(qū)的地下滲流場(chǎng)特征分析

3.1 建造和構(gòu)造改造決定滲流場(chǎng)的總體格架

隧道近場(chǎng)區(qū)地層由三疊系上統(tǒng)垮洪洞組、須家河組、三疊系中統(tǒng)雷口坡組組成，屬于陸相→濱海、淺海相(下統(tǒng))、瀉湖相(中統(tǒng))、濱海沼澤相→河流相(上統(tǒng))這個(gè)完整的沉積旋回的部分片段?？傮w而言，隧址區(qū)易溶性的碳酸鹽巖主要由三疊系雷口坡組地層組成，為潮坪相碎屑巖復(fù)理石建造，總厚度241～466 m，通常在巖組之間或巖組之內(nèi)，皆具有碳酸鹽巖與泥質(zhì)白云巖、含鈣質(zhì)泥巖層相間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而使得巖溶發(fā)育受到了一定的限制。在雷口坡組之上覆須家河組和垮洪洞組，以及下伏飛仙關(guān)組具有典型砂泥巖復(fù)理石建造特征，且須家河組地層含煤線，上下地層是區(qū)域內(nèi)的相對(duì)隔水層(圖3)。

圖3 易溶巖層及巖溶的分布情況

在三疊系的構(gòu)造改造中，在近東西向主壓應(yīng)力作用下形成了系列的南北向復(fù)式褶曲構(gòu)造及其相關(guān)斷裂，并多有向北寬緩傾伏、向南收斂仰起的特征，褶曲構(gòu)造的巖性為雷口坡組易溶性巖層和須家河組、飛仙關(guān)組相對(duì)隔水層間隔產(chǎn)出，并在場(chǎng)區(qū)北側(cè)傾伏區(qū)形成了平移錯(cuò)斷，隔斷了北部與場(chǎng)區(qū)的構(gòu)造和水力聯(lián)系。該區(qū)總體構(gòu)造格架使得總體地勢(shì)上南高北低，巖性組合上從東向西易溶巖層和隔水層交替產(chǎn)出，控制了近場(chǎng)區(qū)滲流場(chǎng)發(fā)育水平特征：相對(duì)最低溶蝕夷平面為龍湖，南側(cè)隧址區(qū)自南向北可能形成多個(gè)近似平行的獨(dú)立巖溶通道，且?guī)r溶發(fā)育具有成層性，通道之間通過擠壓構(gòu)造破碎帶溶蝕貫通形成水力聯(lián)系。

由地層建造和構(gòu)造分析，以及鉆探揭露，近場(chǎng)區(qū)滲流場(chǎng)總體具有如下特征：在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，擬建隧道址區(qū)以整體區(qū)域性間歇性抬升為主；故地殼平穩(wěn)期地表表現(xiàn)為緩坡平臺(tái)地形，地下巖溶表現(xiàn)為水平循環(huán)帶，如水平溶洞、暗河等；地殼抬升期地表則表現(xiàn)為陡坡，地下巖溶以垂直巖溶為主，如巖溶漏斗、落水洞等；往往在兩級(jí)水平溶洞之間由豎向巖溶連接，地下水也隨之向低一級(jí)水平巖溶循環(huán)、運(yùn)移；巖溶夷平面與最低侵蝕基準(zhǔn)面之間具有為傾斜巖溶特征，溶洞的傾角與坡面傾角近乎一致，深部垂直巖溶不發(fā)育。

3.2 巖溶管道的空間特征

巖溶作用的發(fā)生、發(fā)展和巖溶地貌是受巖石可溶性、透水性、水的溶蝕力和水動(dòng)力條件等各種因素綜合作用的結(jié)果，并受系列自然因素的影響和制約。隧道近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，由于各種影響因素是相互聯(lián)系、相互包含的，最終通過不同環(huán)境下的巖石可溶性、地下滲流場(chǎng)和地下水溶蝕力的結(jié)合，表現(xiàn)為一定的巖溶形式和發(fā)育程度，三者不同的結(jié)合與匹配則表現(xiàn)為不同的巖溶現(xiàn)象：順著巖層面和陡傾節(jié)理裂隙面形成了溶洞、溶孔、溶腔或暗河管道，有的呈直線型，有的追蹤層面和陡傾裂隙發(fā)育形成折線形，地表洼地、漏斗、落水洞走向與地下巖溶密切相關(guān)。

區(qū)內(nèi)巖溶空間發(fā)育具有較強(qiáng)的規(guī)律性，巖溶發(fā)育的垂直循環(huán)帶厚度小，巖溶交替循環(huán)帶分布較厚，而水平巖溶及地下水循環(huán)帶則表現(xiàn)在靠近龍湖一側(cè)的一定水平深度內(nèi)，深部滯流帶巖溶不發(fā)育，地下水賦存空間較小。根據(jù)調(diào)查、鉆探、物探成果分析，巖溶管道空間展布如下：

(1) 隧道穿越山嶺的巖溶夷平面

地殼長時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，發(fā)生強(qiáng)烈的水平溶蝕及侵蝕等夷平作用，后期地殼開始緩慢抬升，加之受巖層及構(gòu)造的影響，表層須家河組砂泥巖被侵蝕，導(dǎo)致形成當(dāng)山嶺夷平面為傾斜面。

(2) 垂直巖溶發(fā)育的豎向滲流帶

隨著地殼抬升，原水平為主的溶蝕侵蝕作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睅r溶，原相對(duì)平緩的夷平面上地下水沿隔水層頂面、構(gòu)造軸線及裂隙組合線發(fā)生向下侵蝕、溶蝕，形成坡面淺層垂直滲流帶，并因垂直抬升后速度變緩，垂直與水平合力作用下，形成傾斜巖溶管道。

(3) 交替循環(huán)帶

后期地殼抬升速度慢，巖溶的水平與垂直強(qiáng)度基本相當(dāng)、循環(huán)交替，形成與坡面大致平行的巖溶管道，且管道底部巖溶明顯變?nèi)酰憩F(xiàn)為溶洞順層面及追蹤張裂隙發(fā)育，總體向龍湖急劇傾斜，其坡度與坡面傾角近于一致。

(4) 水平徑流帶

隧道進(jìn)口段為與龍湖高程相近的侵蝕基準(zhǔn)面，在800 m、795 m高程段分布水平巖溶，但這些溶洞向山內(nèi)則迅速升高，在山體表部表現(xiàn)出水平徑流帶特征，山體深部則表現(xiàn)為傾斜巖溶管道特征。

(5) 深部滯流帶

位于交替循環(huán)帶以下、水平徑流帶以內(nèi)的區(qū)域，以溶隙為主，且愈往深部巖溶發(fā)育越微弱，含水性也越來越差，沒有大的地下水賦存空間，以裂隙徑流為主。

3.3 地表水和地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系

隧道近場(chǎng)區(qū)地下水接受大氣降水的補(bǔ)給，因巖石溶蝕性差異，補(bǔ)給方式和途徑存在差異(圖4，表2)。

圖4 隧道近場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/p>

(1) 碎屑巖受構(gòu)造影響，總體較為破碎，降雨易沿裂隙入滲、就近補(bǔ)給、就近排泄。

(2) 中部易溶性巖層受斷層及褶皺構(gòu)造影響，縱張裂隙和橫張裂隙發(fā)育，尤其背斜軸部張裂隙集中發(fā)育，形成串珠狀巖溶漏斗及落水洞，創(chuàng)造了良好的匯流條件和入滲通道，形成“落水”貫入式補(bǔ)給特征。

(3) 在可溶巖和相對(duì)隔水層的接觸帶，因儲(chǔ)水及補(bǔ)給空間差異，界線處常形成落水洞，且多呈現(xiàn)貫入式補(bǔ)給特征。

隧址區(qū)被龍河、大河、丁坪溝及南側(cè)斷崖圍切，總體呈現(xiàn)孤立“島狀”地形特征，地形坡度較大，總體向北/北西傾斜，坡面溝壑縱橫，受此影響，徑流具有如下特點(diǎn)：

(1)地表徑流補(bǔ)給面積廣，溝谷縱坡比降大，坡面坡度較大，地表水易迅速匯集，排泄入龍河、大河支流大溝及丁坪溝，降雨來得快、消得快、消得徹底。

(2) 地下徑流水力坡度大，溶洞縱坡降大，地下徑流向北排入龍湖，向東排入丁坪溝，向西排入大河，不利于長期儲(chǔ)存，具有落水洞貫入式補(bǔ)給，迅速從巖溶管道集中排泄，消退較快之特點(diǎn)。

表2 隧道近場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨把a(bǔ)、徑、排關(guān)系

4 隧道的涌水量預(yù)測(cè)與成災(zāi)環(huán)境條件評(píng)價(jià)

4.1 隧道和巖溶管道的空間關(guān)系

擬建隧道設(shè)計(jì)為雙洞雙向，受出口段標(biāo)高和地形控制，隧道縱斷面設(shè)計(jì)為單向坡，因考慮到龍湖水可能倒灌的影響，擬調(diào)整為非對(duì)稱的人字形雙向坡，進(jìn)口標(biāo)高約807 m，凸曲線頂部高程約814 m，出口高程約750 m，左線全長3 197.00 m，右線全長3 170.00 m。

隧道進(jìn)口緊鄰龍湖，高出湖水面約10 m，出口低于湖水面約60 m。在隧道前段(進(jìn)口段約600 m)穿越背斜核部，如圖5。洞底標(biāo)高與水平巖溶管道近乎持平，擬建隧道主要位于地下水的交替循環(huán)帶內(nèi)，受拉張裂隙的作用，以垂直的巖溶裂隙與地表水聯(lián)系；通過背斜核部后，穿越地層轉(zhuǎn)換為單斜產(chǎn)出，傾角約20°～25°，原水平的巖溶管道逐步變化為典型的傾斜的管道。

分段來看，擬建隧道進(jìn)口段約600 m位于交替循環(huán)帶上，中部500 m段位于深部滯流帶內(nèi)；出口段處于交替循環(huán)帶內(nèi)，靠近龍湖的水平徑流帶未及隧道部位。

4.2 隧道開挖與地下徑流的關(guān)系

(1) 隧道走向與巖層走向呈大角度相交，橫穿整個(gè)山嶺，不論是采取單向掘進(jìn)還是雙向掘進(jìn)施工工藝，均將對(duì)各個(gè)水文地質(zhì)單元的地下水進(jìn)行分解。

(2) 隧址區(qū)圍巖的巖性組合差異，決定了巖體的透水性差異(圖5)，當(dāng)揭穿①層相對(duì)隔水層進(jìn)入含水層②時(shí)，涌出的水是含水層②中的地下水；隧洞繼續(xù)掘進(jìn)至相對(duì)隔水層③時(shí)，涌水量迅速減小，進(jìn)入含水層④時(shí)，含水層④中的地下水涌出，這樣周而復(fù)始，將對(duì)各個(gè)水文地質(zhì)單元內(nèi)的計(jì)算涌水量產(chǎn)生分解。

圖5 揭穿含水層的涌水方式示意圖

(3) 雷口坡組(T2l)的泥質(zhì)白云巖、砂質(zhì)白云巖及鈣質(zhì)砂泥巖溶蝕作用微弱，滲透性相對(duì)較差，為相對(duì)隔水層，具有明顯的層間地下水特征，即使在一個(gè)單元內(nèi)，都有可能存在多個(gè)獨(dú)立的含水層，涌水量將分解。

4.3 地表水成為隧道涌水穩(wěn)定補(bǔ)給源的可能性評(píng)價(jià)

在隧道前段，地表發(fā)育系列的串珠狀巖溶漏斗及落水洞(圖6)，同時(shí)受侵蝕溶蝕的綜合影響，形成明顯的“背斜谷”。這種地貌為地下水的匯集、入滲補(bǔ)給創(chuàng)造了良好的匯流條件和入滲通道，以“落水貫入式”補(bǔ)給為特點(diǎn)，補(bǔ)給地下巖溶管道。加之該區(qū)構(gòu)造位置剛好處于磅磅背斜核部(圖7)，巖體縱張裂隙發(fā)育，在驟然降雨或雨季(豐水期)地下水量均可能發(fā)生突變，導(dǎo)致巖溶管道發(fā)生貫通性充水，可致隧道開挖過程中涌水量驟增，甚至可能發(fā)生突水、突泥災(zāi)害。在隧道后段，發(fā)育地形坡度相對(duì)較陡，且在干溝布設(shè)的鉆孔資料顯示，該處地下水位較淺，地表有下降泉出露，說明發(fā)育的巖溶溝谷襲奪了大部分山地的地下水，從而下滲對(duì)地下水補(bǔ)給量較小。因此，隧道掘進(jìn)過程中地表水成為隧道涌水穩(wěn)定補(bǔ)給源的可能性大大降低。

圖6 地表落水洞

圖7 磅磅背斜核部形成的溶蝕背斜谷

4.4 隧道線位調(diào)整與涌水突泥危險(xiǎn)性評(píng)估

擬建隧道斜交切穿磅磅背斜核部巖溶管道，因前后段高程控制，初步設(shè)計(jì)階段隧道設(shè)置為單向坡，但考慮底板高程低于龍湖正常蓄水位，且存在湖水沿巖溶管道倒灌的條件，隧道縱斷面擬調(diào)整為凸型人字坡，提高穿越與龍湖相連的巖溶管道段的隧道底板高程，調(diào)整后為807～814 m。但是，路線調(diào)整并未從根本上解決巖溶隧道的涌水問題，仍需要慎重評(píng)價(jià)。

由近場(chǎng)區(qū)及隧道場(chǎng)地的環(huán)境地質(zhì)條件來分析，隧道遭遇的巖溶工程水文地質(zhì)問題與涌水、突泥存在嚴(yán)格的因果關(guān)系。并且，龍湖水的倒灌可能性與隧道涌水關(guān)聯(lián)度也非常高，因此，這些事件都需要進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)(表3)。

在未考慮龍湖水倒灌的情況下，隧道涌水的主要補(bǔ)給源為大氣降水，雖然關(guān)于涌水量的計(jì)算或評(píng)估方法眾多，這里較為適宜的還是采用降雨入滲估算法，計(jì)算公式如下：

表3 隧道遭遇巖溶工程水文地質(zhì)問題類型及特征

式中，QS為正常涌水量(m3/d)；A為匯水面積(km2)；W為年均降雨量、年最大降雨量(月最大降雨量×12)(mm)；α為降水入滲系數(shù)。

隧道穿越段的匯水面積(A)為其水文地質(zhì)單元面積，降雨入滲系數(shù)值根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)宜取0.05～0.25，多年平均降水量W為1 335.5 mm，月最大降雨量Wmax為321.7 mm，結(jié)果見表4。理論上講，任何獨(dú)立的地下水流場(chǎng)系統(tǒng)均遵循地下水均衡的原理，補(bǔ)給量與排泄量近乎一致，這樣才能維持地下水平衡。而本區(qū)因潮坪相白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r復(fù)理產(chǎn)出且層厚較薄，含少量夾層，巖溶發(fā)育的層間性突出、連續(xù)性差，被頻繁出露的鈣質(zhì)砂泥巖、泥質(zhì)白云巖等分割。故理論上講，巖溶空腔的發(fā)育規(guī)模多數(shù)較小，實(shí)際調(diào)查和勘察也初步證實(shí)，隧道高程以上未揭露儲(chǔ)水構(gòu)造及封閉的地下儲(chǔ)水體囤儲(chǔ)成囊性水體。因此，通過對(duì)比計(jì)算成果和泉水排泄調(diào)查結(jié)果，可以初步得出結(jié)論，大氣降水入滲的部分并沒有全部保留，大部分都已排泄出區(qū)內(nèi)，龍河、龍湖、大河的侵蝕基準(zhǔn)面以下還有隱伏地下水排泄點(diǎn)未能揭露，隱伏的排泄量也無法準(zhǔn)確評(píng)估，但可以確認(rèn)的是實(shí)際涌水量比計(jì)算最大涌水量要小很多，這已經(jīng)可以較好地為涌水預(yù)測(cè)和防治提供指導(dǎo)。

表4 隧道穿越地段涌水量計(jì)算表

關(guān)于縱坡調(diào)整后是否仍存在襲奪龍湖水形成倒灌的問題，隧道通過磅磅背斜軸部以后，底板高程由814 m逐步下降至出口的750 m左右，最低點(diǎn)低于龍湖正常水位約51 m，具備隧道施工疏干龍湖水的表面地形條件。但結(jié)合地質(zhì)、物探和鉆探成果分析，隧道后段與龍湖漸行漸遠(yuǎn)，之間存在一個(gè)渾厚的山體，平距1 500～3 000 m，且通過枯水季節(jié)對(duì)基巖裂隙水的調(diào)查，它們之間存在地下水分水嶺，主要的含水層為須家河組的砂泥巖，因此基本不具備湖水倒灌的水文地質(zhì)條件。

5 主要結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1) 該巖溶隧道場(chǎng)地條件受建造、構(gòu)造控制，在線位調(diào)整的情況下，施工過程中涌突水風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步降低；但是該擬建隧道可能出現(xiàn)出水點(diǎn)多，以巖溶線狀滲流、裂隙面狀滲流為主，或可存在線狀射流，單點(diǎn)出水量相對(duì)較小，貫入式突水突泥的可能性??；隧道前后段受構(gòu)造影響差異大，巖溶水力聯(lián)系截然不同，進(jìn)口段600 m范圍內(nèi)因受磅磅背斜構(gòu)造影響，尤其背斜近核部，巖體縱張裂隙發(fā)育、巖體破碎、巖溶發(fā)育，在驟然降雨或豐水期施工發(fā)生涌水突泥的可能性非常大；隧道后段底板高程雖低于龍湖，但湖隧之間無巖溶管道貫通，亦無導(dǎo)水?dāng)鄬勇?lián)系，還存在地下分水嶺，缺乏疏干龍湖倒灌的必要水文地質(zhì)條件；因隧道豎曲線的非對(duì)稱分布，雙向掘進(jìn)施工將導(dǎo)致進(jìn)口倒坡段不能自然排水，且存在雨季涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)，而隧道施工又不可能在一個(gè)水文年內(nèi)完成，故該段隧道施工被淹風(fēng)險(xiǎn)極大。

(2) 我國西南山區(qū)巖溶分布廣泛，隨著更多山區(qū)高速公路的建設(shè)，越嶺隧道將面臨復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件，涌水災(zāi)害問題也將變得突出。建立較為準(zhǔn)確的水文地質(zhì)模型，是開展隧道涌水災(zāi)害的前提條件，采用綜合水文地質(zhì)勘查手段配合水文地質(zhì)分析，相互對(duì)比，有的放矢地修訂設(shè)計(jì)方案，將不失為解決這一難題的有力手段。

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THE STUDYOFWATER-GUSHING DISASTER AND RISK IN ONE HIGHWAY TUNNEL OF CHINA WESTERN KARST-MOUNTAINOUS AREA

CHEN Zi-yun1,2, CHEN Min3, DAI Shao-shu2, LAN Xiang-yuan2, YANG Shan-yuan2, HU Cong4

(1.Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059,China; 2.Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu Sichuan 610017,China; 3.No. 909 Hydrogeological and Engineering Geological Party, SBGEEMR，Jiangyou Sichuan 621701,China； 4.Southwest Jiaotong University School of Civil Engineering,Chengdu 610031,China)

Certain mountain area highway the mountains southwest regional geological environment of karst tunnel condition is complex, entire section exists not only through the karst groundwater near, remote supplies and the risk of outburst water mud, but also because of soluble and nearby longhu hydraulic pipe imported segment risk of contact with the water flow backward.Near-zone therefore, based on the tunnel geological formation and structural framework for the analysis of material base, based on geological process mechanism analysis method, through survey, geophysical exploration and drilling, basic examine the environmental geological conditions, based on the hydrological geological prototype, the relationship between groundwater and surface water runoff, and the spatial distribution characteristics of karst research, analysis of the quantitative to qualitative to half tunnel water gushing prediction risk assessment, and based on the evaluation results on the original tunnel longitudinal adjusted, more reduced the construction and operation period of water gushing mud risk.

Tunnel; Karst; water-gushing; Disaster

1006-4362(2017)02-0060-10

2017-01-15 改回日期： 2017-03-20

P642

A

陳紫云(1982- )，男，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事公路巖土工程、地質(zhì)工程方面的生產(chǎn)和科研工作。 E-mail:673529430@qq.com