阻水富水构造山区岩溶隧道施工特大型涌水问题分析.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：彭宇筭（），男，工程师，硕士。阻水富水构造山区岩溶隧道施工特大型涌水问题分析彭宇筭曹俊李春峰曾耀（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 ）摘要基于某山区高速公路岩溶隧道 处施工特大型涌水病害，通过系统调查隧址区工程地质条件、岩溶发育特征、水文地质特征，分析评价隧道地下暗河发育、阻水富水构造及施工涌水病害等水文地质问题，同时采取大气降雨入渗系数法及比拟法等预测隧道涌水量达 万，为隧道涌水处治设计及类似工程灾害防治提供借鉴依据。关键词岩溶隧道阻水富水构造地下暗河突水突泥中图分类号 近年来，随着国家西部大开发战略实施，大规模公路等大型基础设施建设为岩溶隧道突水突泥问题防治积累了大量经验。李术才等结合大量隧道突水灾害实例，对突水突泥致灾构造进行分类，并探究了主要孕灾模式及典型地质判识标志。冯雪冬等分析归纳了突涌水机理与灾害发生条件，并对突水机理研究困难及未来研究方向进行分析。肖喜等通过岩溶隧道涌突水破坏模式分类，提出不同力学破坏模式下防突厚度计算方法。林永生等以德江隧道工程为例，分段分析评价深埋隧道岩溶水文地质条件并预测其涌水量。田忠等以鄂西南岩溶发育区的利万高速公路及张南高速公路项目为例，采用超前地质预报技术结合风险评估理论为岩溶隧道水害防治提出风险分级对策。当前，岩溶地区隧道突水突泥灾害机理及触发条件，突水突泥灾害力学分析模型、灾害发生判断指标是主要研究难点，如何有效解决突泥突水灾害，确保隧道施工及运营安全稳定是修建隧道的技术难题，亦是岩溶地区工程地质研究重要课题 。为深入研究岩溶隧道水害的地质因素判别标识，本文基于某山区岩溶隧道特大型突涌水问题（最高时可达约 万（），立足于岩溶发育特征、水文地质分析评价及涌水量预测等，为隧道涌水处治设计及类似工程灾害防治提供借鉴依据。工程概况及地质背景 隧道施工涌水概况隧道位于我国西南部山区，设计条分离式单行直线隧道，左线与右线洞长均为 ，最大埋深约 。隧道先期于枯季施工，基本无水，右洞施工至 突然发生裂隙涌水涌泥，流量约，继续开挖至 遇及裂隙破碎带，此处未发现明显溶腔，出水点位于掌子面左侧，随着出水点转移排出，因枯季涌水量未见异常。但进入雨季后，其涌水量明显增大，并在后才恢复常态，特别是遇见强降雨天气（降雨量达 ），次日破碎带涌水量实测激增至 ，合计 ，附带有泥砂、卵石，造成隧道作业面淹没，涌水灾害现场照片见图。图隧道涌水淹没现场 地形地貌隧道地处云贵高原东部斜坡，山势绵延，山高坡陡，沟谷深切，属于溶蚀、侵蚀低中山地貌。其内中部山体纵向延伸，高大雄壮、挺拔，并且山顶舒缓，近于台地，较外围突出，隧道穿越中部耸立山体。山地大体平行排列，展布方向与构造线基本一致。区内地貌主要分为岩溶地貌、河流侵蚀剥蚀地貌种类型。地层岩性项目区为单斜构造，隧道主要穿越地层包括下统永宁镇组第一段（狔 狀）灰岩间夹泥灰岩，下统夜郎组（狔）交互出现的中厚层灰岩和泥岩，二迭系上统长兴组和大隆组（犮犱）薄层状泥质粉砂岩。岩性以灰岩可溶性岩石为主，泥岩、泥质粉砂岩次之，隧道地质断面图见图。图隧道右洞地质断面图隧址区岩溶发育特征隧址区内发育岩溶洼地共个、落水洞共 个、漏斗（深坑）个，主要发育于永宁镇组第一段（狔 狀）与夜郎组（狔）灰岩地层，其具体分布位置见图。漏斗（深坑）洞口直径 ，可见深 。暗河管道主要是岩溶横向串通发展产物，区内中部山地斜坡为长顺且较厚狔 狀夹层灰岩（两侧泥岩），地表多个岩溶漏斗（深坑）、落水洞、溶洞成列展布，沿途时常见泄漏水（龙潭）及暗河出口出现，同时隧道施工涌水见泥砂、卵石，由此判定山体内有暗河管道存在。暗河管道为单支状，发源较远，顺应山势及岩层走向一直延伸，大致与施工隧道于涌水强烈的 附近交汇，管道位置低于隧道，管道长约 ，水量较大。图隧道水文地质平面图在隧道工作可溶岩区 调查范围内，发育有 处各种形态的岩溶，地表岩溶发育密度为 个，且常有裂隙性泉水出露。测区共统计钻孔 个，其中个位于可溶岩区，根据钻孔揭示，岩芯表面多见溶孔、溶隙，且有钻孔揭露串珠状溶洞，钻孔遇洞率 ，线岩溶率小于，综合确定项目区岩溶发育程度为强发育。由于岩溶发育不均匀性，项目区部分地段岩溶极强发育。各地层根据岩溶发育密度及定性特征，其岩溶发育程度评价见表。彭宇筭等：阻水富水构造山区岩溶隧道施工特大型涌水问题分析 年第期表岩溶发育程度评价表地层代号调查面积 地表岩溶数量个地表岩溶发育密度（个）定性特征岩溶发育程度狔 常有裂隙性泉水出露强狔 狀 岩溶形态以较大规模漏斗、落水洞为主，存在暗河管道，有大量岩溶水涌出，溶洞间管道连通性强极强隧道水文地质分析 场区水文地质特征分析工作区主要为连贯的山地，延伸较远。通常，山地地表水、地下水均向两侧河谷径流、排泄，但区内山势走向顺应岩层展布，受岩层组合及岩溶发育特征的影响，地下水主要于山地中间汇集并顺层运移，形成区内特有的“阻水富水”构造，场区地下水径流存在地段性的差异，隧址区地下水径流不受地表分水岭控制。地下暗河、地下水富集带中部山地南西侧斜坡，广布狔 狀灰岩，其下存在深限同层泥岩，上面有底托狔泥岩，地下水赋存于夹持的灰岩地层中，灰岩空穴程度高，不仅地表洼地、落水洞、深坑等垂直岩溶发育，而且纵向延伸远，含水较丰富，有暗河管道出现，同时，由于渗流通道较狭窄，地下水易大量积水雍高，流量和水位变化剧烈，季节性交替极显著。山地顶上为台状地形，狔灰岩、泥岩和粉砂岩交相出现，灰岩多具一定厚度，含水性较好，其中以狔、狔、狔段灰岩表现明显、突出，形成地下水富集带，两侧泥岩、粉砂岩围隔作用好，地下水不断挤入抬升，基本顺岩层走向纵向“隔槽式”径流排泄，多呈带状和高出地表的高位产出。隧道开挖揭露地下水情况分析隧道区地表仅有少量小水塘分布，地下水主要为雨源性水。特大型涌水现象的产生与纵贯狔 狀灰岩含水性好、分布不均一相适应，即为地下水伴同地表洼地、落水洞和深坑，选择性贯穿汇聚，除集中以管道流形式通过，还大幅升高从上面破碎带逾越，暗河管道位置低于隧道，隧道施工大量涌水应为雨季暗河水暴涨上升所引起，隧道施工涌出含泥砂、卵石水可能属于此。涌水突泥发生后，通过对附近地表水进行监测，发现未有改变，观测只有下游处龙潭水有所减小，交替循环自成一系。涌水突泥变化均发生在降雨之后，对降雨响应非常敏感。此外，隧道右洞施工涌水泄流后，左洞进、出口开挖水量大为减弱，因此，右洞对上游坡体内水具有拦截作用。涌水与降雨关系分析根据收集隧道区涌水时期降雨资料，结合施工单位对隧道出水点涌水量监测情况，隧道涌水量受 降 雨 影 响 显 著，滞 后 时 间 约 为。隧 道 涌水量监测与降雨关系见图。图隧道 涌水与降雨关系图结合降雨与涌水关系散点图，日降雨量在 以下时，隧道涌水量多在 万 万，月 日出现 万，是由于月 日与 日出现连续降雨，降雨量分别为 和 。日降雨量为 ，涌水量为万万（月 日），日降雨量大于，涌 水 量 可 达 约 万（降 雨 量 ）。通过无量纲化比较，涌水量与当日降雨量呈正相关关系，比例为 ，当出现连续降雨或极端暴雨情况下，其比例越大。隧道涌水量预测及防治建议 涌水量计算方法及依据隧址区内大气降雨是地下水的主要补给来源，鉴于隧道施工已部分开挖，其涌水情况与降雨关系较为清楚，为此分别采用比拟法、大气降雨法和径流模数法分段对隧道涌水量进行估算。比拟法是通过收集实际隧道涌水量与降雨资料，根据同一时间涌水量与降雨关系对隧道暴雨涌水量进 年第期彭宇筭等：阻水富水构造山区岩溶隧道施工特大型涌水问题分析行估算，计算方法如式（）。犡：犙犡 ：犙涌水 （）式中：犡为某时段隧道通过含水体地段的实际涌水量，；犙为某时段隧道区域降雨量，；犡 为隧道所在地区历年最大降雨量，；犙涌水 为隧道通过含 水体 地 段 的最 大涌 水 量，。段此段包括永宁镇组第一段灰岩与泥岩，已完成施工，因此采用比拟法。基于地下水侧向补给范围大的特点，根据特大涌水当日最大降雨量、实测涌水 量 及 收 集 项 目 区 日 最 大 降 雨 量（）。预测最大日降雨量产生涌水量为 。段此段包括未施工的永宁镇组第一段灰岩、夜郎组第六段至第一段泥岩与灰岩，因此采用大气降水入渗法、径流模数法对比计算各段涌水量，计算结果见表。表分段涌水量预测隧道分段地层大气降水入渗法径流模数法 狔 狀灰岩 狔泥岩 狔灰岩 狔泥岩 狔灰岩 狔泥岩 狔灰岩 由表可知，采用径流模数法获得预测涌水量较小，主要原因为种方法理论模型存在差异，平均地下径流模数取值较难代表岩溶强发育地区在丰水期暴雨等极端条件下的集中涌水量，基于隧道在丰水季节施工，选取大气降雨入渗法计算结果作为隧道涌水防治设计依据，本段隧道开挖后实测涌水量与预测涌水量基本一致。隧道涌水处治建议措施隧道计算最大涌水量合计为 。针对 段涌水问题，建议根据 涌水情况在隧道右侧设置泄水洞，泄水洞进口位置宜在隧道设计标高以下，将各出水点涌水引入泄水洞，泄水洞出口宜设置于右洞出口右侧外，可根据地形条件合理优化隧洞长度。针对 段涌水问题，由于 未 施 工 洞 身 段（狔）涌 水 量 估 算 约 为 ，且水头较高，水压较大，存在高压涌水风险，建议做好超前地质预报、地表泉点监测及应急措施。结论）项目区地表岩溶形态主要为岩溶洼地、落水洞、漏斗（深坑），沿岩层走向呈串珠状分布；地下岩溶形态主要为溶洞及暗河管道，其中暗河管道顺应山势及岩层走向一直延伸，大致与施工隧道于涌水强烈的 附近交汇，由于渗流通道较狭窄，雨季地下水易大量积水雍高，是造成特大型涌水灾害的原因。）区内地下水补给范围广，由于区内可溶岩与非可溶岩相间分布，地下水赋存于夹持的灰岩地层中，形成阻水富水构造，渗流蓄积和升高能力强，地下水主要顺岩层走向纵向运移，通过愈加扩充溢出成为地下水富集带和地下暗河。）预测隧道最大涌水量为 万，建议隧道右侧设置泄水洞，泄水洞底面高程宜位于隧道底面设计标高以下，将各出水点涌水引入泄水洞。泄水洞出口设置可根据地形条件合理优化隧洞长度。）洞身段（狔）涌水量估算约为 万，隧道开挖造成高压涌水、地下水位下降可能性大，建议做好超前地质预报、地表泉点监测及应急措施。参考文献李术才，潘东东，许振浩，等隧道突水突泥致灾构造分类，地质判识，孕灾模式与典型案例分析岩石力学与工程学报，（）：冯雪冬，周小龙，胡亚晴岩溶地区隧道突涌水机理的研究进展武汉工程大学学报，（）：，肖喜，赵晓彦，张巨峰，等岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究工程地质学报，（）：林永生，杜毓超，朱丹尼，等贵州省德江隧道岩溶水文地质特征及涌水量预测水利水电技术，（）：田忠，陈禹成，赵远庆，等岩溶发育区隧道超前地质预报管理及风险评估 研究交 通科 技，（）：（下转第 页）彭宇筭等：阻水富水构造山区岩溶隧道施工特大型涌水问题分析 年第期犛 犪 狋 犻 狊 犳 犪 犮 狋 犻 狅 狀犈 狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲犛 犲 狋 狋 犻 狀 犵狅 犳犌 狌 犻 犱 犲犛 犻 犵 狀 狊犪 狋犈 狓 狆 狉 犲 狊 狊 狑 犪 狔犈 狓 犻 狋 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犅 犪 狔 犲 狊 犻 犪 狀犖 犲 狋 狑 狅 狉 犽 狊犣 犈犖犌犓 犲，犜 犐 犃犖犣 犺 狌 犪 狀 犵，犇 犐 犖犌犖 犪 犻 犽 犪 狀，犔 犝犣 犺 犪 狅 狔 狅 狌（，；，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；（上接第 页）刘荣鑫，陈鹏，于玮晓富水围岩山岭隧道防排水技术研究交通科技，（）：朱启荣，陈柳柳，尧林复杂隧道含水系统涌水量预测分析及处治研究交通科技，（）：田娇，杨洪，苟德明，等富水岩溶隧道围岩软化效应分析及整治措施研究交通科技，（）：犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犈 狓 狋 狉 犪 犾 犪 狉 犵 犲犌 狌 狊 犺 犻 狀 犵犠 犪 狋 犲 狉犘 狉 狅 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