周 泉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

1 工程概況

化馬隧道位于甘肅省隴南市宕昌縣境內(nèi)，為一座雙線隧道，隧道全長12 580 m。進(jìn)口端DK301+384—DK303+424段穿越二疊系灰?guī)r地層，設(shè)計(jì)為12.8‰的單面下坡。

隧道范圍內(nèi)主要有2條平行線路走向的河流，分別位于隧道西側(cè)約1.5 km距離的小岷江及東側(cè)約11 km距離的角弓溝。

化馬隧道進(jìn)口端施工至DK302+926時(shí)，掌子面圍巖為二疊系灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，超長炮眼探測時(shí)，出現(xiàn)水流噴射距離瞬間達(dá)到25 m左右的高壓涌水。

2 補(bǔ)充勘察及成果分析［1］

長大深埋巖溶隧道地質(zhì)勘察工作雖有初測、定測及補(bǔ)充定測三個(gè)階段，也采用了物探、鉆探及大量的地質(zhì)調(diào)查等手段，但由于地下巖溶分布特征的復(fù)雜性、多變性、不確定性及前期勘察手段的局限性，仍難以保證勘察成果滿足施工需要。作為前期勘察延續(xù)的配合施工階段，具有針對性強(qiáng)、手段多樣、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，應(yīng)做為巖溶隧道勘察的重要階段［2］。

為了掌握本次涌水的性質(zhì)，補(bǔ)給、徑流和排泄條件及地下水空間分布特征，進(jìn)行了航片判釋、大范圍的補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查、水量和水壓監(jiān)測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及水文地質(zhì)分析評價(jià)等工作，為涌水處理方案提供了充分依據(jù)。

2.1 航片判釋

根據(jù)航片判釋(圖1)，二疊系灰?guī)r南北兩側(cè)發(fā)育有F4，f36兩條斷層，山梁頂部發(fā)育溶蝕洼地群，地表植被不發(fā)育。小岷江左岸發(fā)育泉水(化馬神泉)，根據(jù)巖性及隧道與地下水補(bǔ)給、排泄的位置關(guān)系，初步確定地下水類型為巖溶水，需進(jìn)一步查明巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征。

圖1 航片判釋圖

2.2 地質(zhì)調(diào)查

DK302+926出現(xiàn)涌水的地層為二疊系灰?guī)r，出露范圍較寬，存在溶蝕洼地群，地表植被不發(fā)育，且灰?guī)r與大里程方向的石炭系灰?guī)r呈斷層接觸。為此對二疊系灰?guī)r巖溶現(xiàn)象進(jìn)行了補(bǔ)充調(diào)查，對地下巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件進(jìn)行了深入分析研究。

2.2.1 溶蝕洼地調(diào)查

對線路左側(cè)4.5～7.0 km處的分水嶺附近溶蝕洼地進(jìn)行調(diào)查，溶蝕洼地總面積約12 km2，發(fā)育有溶蝕漏斗，整體形態(tài)呈零散及串珠狀分布，呈SN～N45°E方向線狀排列，主要受巖層及主構(gòu)造線走向控制，洼地分布高程在3 012～3 187 m。

2.2.2 角弓溝河谷調(diào)查

角弓溝溝心高程約1 900 m，溝內(nèi)水量較大，在二疊系灰?guī)r出露段巖溶現(xiàn)象十分明顯，泉水發(fā)育，同時(shí)在角弓溝右岸化馬隧道側(cè)，有沿層理發(fā)育的伏流入口。

2.2.3 化馬神泉調(diào)查

小岷江河谷化馬神泉位于線路右側(cè)垂直距離約1 500 m處，高程1 310 m，一般流量8 000 m3/d(枯)～40 000 m3/d(豐)?；R神泉附近沿河谷河床以上50～200 m沿層理零星見有洞徑＜2 m的干溶洞。分析認(rèn)為化馬神泉為溶蝕洼地地下水集中排泄點(diǎn)。

對掌子面涌水及化馬神泉采樣，進(jìn)行了水質(zhì)分析化驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)分析化驗(yàn)指標(biāo)對照 mg/L

表1的水質(zhì)分析結(jié)果顯示，隧道水與化馬神泉地下水中代表石灰?guī)r的主要離子Ca2+和HCO－3的濃度十分接近。因此從水質(zhì)分析結(jié)果來看，隧道水與化馬神泉水有明顯的相關(guān)性，可知隧道涌水襲奪泉水而來且連通性好［3］。

從地面補(bǔ)充調(diào)查分析，二疊系灰?guī)r地下水以大氣降水通過洼地補(bǔ)給，巖溶水系統(tǒng)走向與構(gòu)造線走向基本一致，在小岷江以泉水形式排泄(圖2，圖3)。

圖2 地質(zhì)調(diào)查成果平面示意

圖3 地下水徑流剖面示意

2.3 水量、水壓監(jiān)測

DK302+926發(fā)生突涌水后，對涌水量進(jìn)行了監(jiān)測，涌水量保持在(1.5～7.0)×104m3/d，總體特征是隨開挖進(jìn)度、大氣降水變化而變化，并表現(xiàn)出靜儲量變化對涌水量影響極大(圖4)。

圖4 涌水量觀測曲線

對已封閉的超前鉆孔水壓進(jìn)行了觀測和量測，2011年1月5日初始超前鉆孔實(shí)測水壓在2.0 MPa左右，至2011年9月水壓無變化。根據(jù)水量水壓觀測分析，地下水連通性較好，補(bǔ)給來源豐富。

2.4 掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［4-5］

突涌水以來，為查明掌子面前方、隧道周邊，特別是頂?shù)装鍘r溶發(fā)育狀況［6］，按照長短結(jié)合，以短為主的原則，先后進(jìn)行了TSP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)及電法超前預(yù)報(bào)及超前探孔工作。

2.4.1 物探預(yù)報(bào)［7］

探地雷達(dá)、紅外探水及電法在此隧道實(shí)際利用價(jià)值不大，探地雷達(dá)受掌子面平整度影響，紅外探水受洞內(nèi)其他因素干擾，電法受水泵漏電影響。TSP方法數(shù)據(jù)可靠、結(jié)論準(zhǔn)確，故質(zhì)量較高，預(yù)報(bào)長度104 m，含4個(gè)物性分帶。分析結(jié)論如下(圖5):①存在強(qiáng)反射界面，推斷局部節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖含水;②強(qiáng)反射界面密集分布，推斷節(jié)理裂隙發(fā)育，為主要賦水段;③沒有明顯的反射界面存在，圍巖動(dòng)力學(xué)參數(shù)基本在該類巖石的正常波動(dòng)范圍之內(nèi)，推斷巖體完整性相對較好，圍巖含水量相對降低;④圍巖波速值出現(xiàn)明顯的降低，泊松比增大，動(dòng)態(tài)楊氏模量明顯降低，推斷為破碎帶的可能性較大，有富水或發(fā)育巖溶的可能性。

圖5 預(yù)報(bào)位置及推斷結(jié)果示意

掌子面前方物性分帶的主要特征為:總體上各帶與隧道軸線呈大角度斜交，各分帶邊界在右邊墻先于左邊墻出現(xiàn);反射界面主要發(fā)育在測試斷面下部(測試斷面距隧道底面高度1 m左右)，傾向與目前掌子面附近圍巖基本一致。

2.4.2 超前水平鉆孔

為查明掌子面前方工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征并達(dá)到釋能降壓［8］的目的，在掌子面布置了超前水平鉆孔。通過超前探孔判斷前方巖溶水突涌水界面不規(guī)則，且水壓高，說明前方儲水體具有連貫性好、補(bǔ)給穩(wěn)定的特點(diǎn)。

3 涌水原因分析

3.1 巖性及構(gòu)造因素

二疊系灰?guī)r為碳酸鹽巖石，構(gòu)成了巖溶形成的內(nèi)在因素和物質(zhì)基礎(chǔ)。該套灰?guī)r地層兩側(cè)發(fā)育斷層，為相對隔水帶，即形成了封閉的可溶巖儲水體，嚴(yán)格地控制了巖溶的發(fā)育和空間分布格局，地下水徑流通道與巖層走向、構(gòu)造線方向一致。

本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以差異升降為主要特征，第四紀(jì)以來受喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)的影響，該區(qū)卷入青藏高原總體隆升，使山地高程達(dá)3 700 m以上。其它地區(qū)以升降運(yùn)動(dòng)為主，形成高山、深谷的特殊地貌。水文網(wǎng)深切，小岷江階地高程可達(dá)200 m，導(dǎo)致地下巖溶水流通管道空間位置、水頭差變化，隧道正處于現(xiàn)今巖溶通道的水平徑流帶內(nèi)，且水壓高。

3.2 自然條件

隧道所屬區(qū)為溫帶半濕潤氣候與高寒濕潤氣候的過渡帶上，最高氣溫35℃，最低氣溫－16.9℃，年平均降水量583.9 mm，年平均蒸發(fā)量1 234.1 mm。地表植被不發(fā)育，致使地下水碳酸鹽濃度較高，水流循環(huán)速度快，有機(jī)酸含量等適合形成中等發(fā)育的巖溶裂隙及小管道［9］類型的巖溶。

3.3 良好的補(bǔ)徑排條件

雞公坪溶蝕洼地群面積達(dá)12 km2，且溶蝕漏斗發(fā)育，有利于地表水匯集、下滲;地下水以巖溶裂隙水、小管道水形式徑流，連通性好;該巖溶水以泉水的形式排泄，水量大，隨季節(jié)變化大。

4 涌水量預(yù)測

4.1 靜儲水估算

隧道涌水主要由動(dòng)儲量和靜儲量組成。巖溶地區(qū)地下水由于存在有溶隙、管道、溶洞等形式的儲存空間，根據(jù)長時(shí)間水量觀測總結(jié)出，巖溶地區(qū)地下水的靜儲量水是隧道涌水的重要組成部分，不可忽視。

根據(jù)涌水特征，DK320+926段靜儲量按影響寬度5 km，靜水頭高度100～300 m，裂隙及巖溶率5% ～10%計(jì)算，靜儲水量＞1 000萬m3。

4.2 動(dòng)儲量預(yù)測

受水壓、影響寬度、巖溶裂隙率控制的靜儲量計(jì)算方法簡單。動(dòng)儲量計(jì)算方法很多，但各種方法都有其適用范圍，存在一定局限性，現(xiàn)簡述如下。

1)枯水期地下水徑流模數(shù)法與水理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算的巖溶隧道枯水期涌水量應(yīng)較接近，但由于未考慮隧道與含水體相對位置關(guān)系，且地表徑流并不能代表地下水排泄量，所以造成較雨季的隧道實(shí)際涌水量明顯偏小。

2)降雨入滲法是水均衡的簡易算法，是非均質(zhì)地層計(jì)算隧道涌水量的最典型、最常用的方法。但往往用匯水面積替代集水面積，入滲系數(shù)受時(shí)間、空間、氣象條件影響較大，故計(jì)算結(jié)果偏差較大。適用于對涌水量做宏觀、概略的預(yù)測。如正確取值則可以準(zhǔn)確計(jì)算隧道涌水量。

3)洼地入滲量法、泉流量匯總法的應(yīng)用條件為封閉洼地內(nèi)大氣降水全部直接進(jìn)入隧道，隧道施工影響范圍所有泉水水量的總和，即為地下水總排泄量，以隧道開挖后將襲奪全部泉水為前提。該方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。

4)水文地質(zhì)比擬法［10］、涌水曲線反饋分析法［11］均需建立在隧道涌水長期觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，如水文地質(zhì)條件相同，涌水規(guī)律總結(jié)準(zhǔn)確，則預(yù)測水量精度高，但工作量大，周期長。

因此，根據(jù)不同的補(bǔ)給條件、邊界條件，應(yīng)選擇正確的計(jì)算方法，準(zhǔn)確預(yù)測涌水量。

可溶巖地層隧道涌水量一般多為非均質(zhì)地層，地下水流動(dòng)多處于紊流狀態(tài)，根據(jù)隧道涌水情況及涌水發(fā)生后進(jìn)行的補(bǔ)充調(diào)查、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等工作綜合分析，宜采用降雨入滲法計(jì)算涌水量。

式中:Q為隧道通過含水體地段的雨季涌水量或設(shè)計(jì)頻率暴雨涌水量，m3/d;α為降雨入滲系數(shù);X為設(shè)計(jì)頻率降雨量，mm;A為隧道集水面積，km2;η為地下水涌入系數(shù)，一般取η=0.2～0.6。

該地區(qū)一次最大降水量59.5 mm，匯水面積8.83 km2，α 取值0.5，計(jì)算補(bǔ)給量為52 539 ～157 617 m3/d。

5 結(jié)語

1)隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會需求的增大，施工技術(shù)水平的提高，大量高等級鐵路得以修建。復(fù)雜地質(zhì)條件下的長大隧道越來越多，同時(shí)帶來了巖溶隧道突水、突泥、淹井等重大地質(zhì)災(zāi)害事故頻發(fā)，對工程造成重大損失，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此，論文以化馬隧道進(jìn)口突涌水為例，介紹了巖溶隧道勘察方法及涌水災(zāi)害形成原因，并對隧道涌水量預(yù)測方法進(jìn)行分析、總結(jié)，對巖溶隧道工程、水文地質(zhì)勘察具有借鑒意義。

2)隧道施工發(fā)生洞內(nèi)突涌水現(xiàn)象，應(yīng)通過地質(zhì)調(diào)查查明其補(bǔ)給及排泄特征，初步判定地下水通道的走向;并輔以洞內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等手段，查明隧道通過段落地下水空間分布特征，正確指導(dǎo)施工方案選擇，避免事故發(fā)生。

3)巖溶隧道涌水量的預(yù)測，因補(bǔ)給條件不同，邊界條件限制，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際會出現(xiàn)較大的偏差，因此定量評價(jià)還有待進(jìn)一步研究。

4)通過涌水成因分析及涌水量的預(yù)測，考慮水壓的高壓力狀態(tài)，最終提出了迂回坑道的處置方案，取得了良好的效果。

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