鄒遠華 王 朋 周 航 宋 章 徐正宣

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著我國鐵路交通網絡建設重心的逐步西移，涌現(xiàn)出一大批復雜艱險山區(qū)鐵路，這些鐵路區(qū)域地質構造作用強烈，水文地質條件異常復雜，隧道突涌水成為山區(qū)鐵路隧道勘察設計和施工中最具危害性的地質災害之一[1-2]。據施工現(xiàn)場統(tǒng)計，因隧道突涌水災害造成的重大安全事故高達80%，這不僅會給隧道施工帶來困難，造成嚴重的工期延誤和經濟損失，甚至會誘發(fā)水資源枯竭、引起地表塌陷等環(huán)境地質災害，造成人員傷亡，威脅到社會穩(wěn)定與經濟發(fā)展[3-4]。例如，渝懷鐵路圓梁山隧道在施工中發(fā)生70余次突涌水事故，突水量達 6 900 m3/h，造成9人傷亡及嚴重的工期延誤[5]；宜萬鐵路野三關隧道多次發(fā)生大型突涌水事故，隧道最大涌水量達30萬m3/h，造成10人死亡[6]。因此，進行深埋隧道水文地質特征及突涌水危險性評價研究，對復雜山區(qū)鐵路前期勘察選線設計、后期施工及支護結構設計都具有非常重要的工程實際意義。

藏東南某隧道位于昌都—思茅地塊中部，主要發(fā)育母諾向斜、王卡鄉(xiāng)背斜及沿母諾向斜核部附近發(fā)育的妥壩斷裂帶，區(qū)內構造作用強烈。王卡鄉(xiāng)背斜核部出露三疊系波里拉組灰?guī)r，地表常見溶洞、溶腔等大型巖溶形態(tài)。隧道南側的灰?guī)r出露區(qū)有大量溫泉出露，顯示王卡鄉(xiāng)背斜內波里拉組碳酸鹽巖地層賦存有較為豐富的深循環(huán)地下水，可能造成嚴重的涌突水災害。因此，本文立足于我國復雜山區(qū)隧道建設，以藏東南某隧道為工程依托，通過研究分析隧道地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質特征等，分析巖溶發(fā)育程度和巖溶發(fā)育規(guī)律，根據巖溶水補徑排條件，進行水文地質單位劃分。在此基礎上，開展隧道突涌水危險性綜合評價，以期為類似工程地質條件下的深埋長大隧道突涌水防治提供科學依據。

1 隧道工程地質概況

本文研究的鐵路東起于成都鐵路樞紐，西至拉薩市，途經四川省雅安市、瀘定縣、康定市，西藏自治區(qū)昌都市、波密市、林芝市，初步規(guī)劃線路全長 1 567 km[7-8]。研究隧道位于青藏高原東南方，進口位于擴達鄉(xiāng)鄉(xiāng)府北側卡曲右岸半山坡上，向西穿越母諾山南側，出口位于王卡鄉(xiāng)鄉(xiāng)府南側史曲右岸。

1.1 地形地貌

此隧道位于青藏高原東部山原區(qū)的橫斷山脈北端中西部，隧道全長 20 247 m，最大埋深約 1 113 m，屬于典型深埋長大隧道。區(qū)域地形地貌受區(qū)內地層及構造控制，具有構造剝蝕地貌的顯著特征。工程區(qū)主要為斜坡溝谷地形，地形起伏落差較大，隧道地面標高 3 655～5 045 m，最大相對高差 1 390 m，自然坡度一般10°～65°，局部為陡壁，為典型高山峽谷地貌特征的藏東南谷地。

1.2 地層巖性

隧道地質縱斷面如圖1所示，工程區(qū)巖性復雜，地層單元屬唐古拉橫斷山地層區(qū)昌都分區(qū)，主要包括古生界和中生界地層。其中泥盆系、石炭系及下二疊統(tǒng)以碳酸鹽巖為主；上二疊統(tǒng)以砂巖、含有機質的泥頁巖和煤層為主；上二疊統(tǒng)底部及下三疊統(tǒng)以基性-酸性火山巖為主，夾少量砂頁巖；上三疊統(tǒng)至侏羅系主要以砂泥巖夾灰?guī)r為主；上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)為質地較純的灰?guī)r、 白云巖，是工程區(qū)主要的地下水賦存地層。

圖1 藏東南某隧道地質縱斷面圖

1.3 地質構造

隧道位于昌都地塊中部，東、西兩側分別為金沙江和瀾滄江結合帶，受印支期東、西兩側雙向俯沖擠壓，昌都地塊內部自侏羅紀起便形成狹長的近南北向中-新生代的沉積盆地。后經持續(xù)擠壓，沉積盆地產生大量的對沖(和背沖)斷裂組合及褶皺，沉積盆地下部老地層抬升剝蝕出露，塑造了工程區(qū)區(qū)域構造及地層展布格局。隧道工程區(qū)穿越多條斷層破碎帶，區(qū)域地質構造作用強烈。

1.4 水文地質特征

隧道工程區(qū)各地表徑流均屬瀾滄江水系，地表水系較為發(fā)育。隧道前段的向斜地貌區(qū)，勇曲次級支流主要沿構造線發(fā)育，而在隧道后段的背斜地貌區(qū)，史曲次級支流多橫穿構造線發(fā)育。隧道工程區(qū)地下水類型較為齊全，根據工程區(qū)水文地質條件，以及賦存運移地下水的巖石類型、地下水動力特征以及儲水空間類型，可將工程區(qū)地下水分第四系松散土類孔隙水、碎屑巖的基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水3個類型。結合區(qū)域地質資料、各含水介質的巖性特征及地下水賦存條件可知，第四系松散土層主要為弱富水性，泥頁巖夾砂巖、砂巖夾頁巖和砂、泥巖互層等碎屑巖主要為弱富水性和中等富水性，灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖屬強富水性。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶發(fā)育程度

隧道出口端及其北側有條帶狀或島狀出露有上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)碳酸鹽巖，質地較純。在 3 700～3 900 m高程段，灰?guī)r條帶多被史曲、勇曲及其各級支流切割，常見規(guī)模不等的地下巖溶形態(tài)發(fā)育，如溶洞、溶腔及顯著溶蝕張開的溶隙等。綜合分析可知，較具規(guī)模的地下巖溶形態(tài)多分布在隧道北側，一般高于河水面(河水面高程約 3 780 m)，無水或少量滲水，如圖2(a)所示；在隧道南側的勇曲河谷多與河面齊平(高程約 3 689 m)，可見水流，如圖2(b) 所示。

圖2 藏東南某隧道巖溶發(fā)育程度圖

結合現(xiàn)場地質調查，波里拉組(T3b)灰?guī)r段多為強富水性，循環(huán)深度及徑流量大，隧道涌突水風險高；察朗噶組(J1ch)和甲丕拉組(T3j)為弱-中等富水性，地下水在其砂巖段內進行較深的循環(huán)，但徑流強度較小，局部可能賦存承壓水；阿堵拉組(T3a)、奪蓋拉組(T3d)和土脫組(J2t)為弱富水性，以表層風化卸荷帶內的表層徑流為主，循環(huán)深度淺，對隧道影響較小。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

隧道出口端所處的王卡鄉(xiāng)背斜兩翼(或核部)出露有上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)較純的灰?guī)r、白云巖。受背斜樞紐起伏影響，該可溶巖段在工程區(qū)姆多隆以北呈環(huán)形條帶狀分布，在姆多隆以南的工程區(qū)呈不連續(xù)島狀出露，多數被上覆阿堵拉組碎屑巖地層覆蓋。根據現(xiàn)場調查，4 300 m以上高程段，寒凍風化作用強烈，地表巖溶跡象不明顯；3 900～4 300 m高程段，多順層發(fā)育溶蝕裂隙，巖溶不發(fā)育；3 700～3 900 m高程段，地表發(fā)育石芽、溶溝，地下發(fā)育較大規(guī)模的溶洞和溶腔等，巖溶較發(fā)育；3 700 m高程以下段，巖溶發(fā)育相對較弱，多以(溶蝕)裂隙及小溶孔為主，但其中賦存較為豐富的地下水。這些較大規(guī)模溶洞、溶腔的發(fā)育多受構造及岸坡卸荷作用控制，在隧道北側的東榮學南、北兩岸分別發(fā)育沿王卡鄉(xiāng)背斜核部縱張裂隙及岸坡卸荷帶發(fā)育的大型溶洞、溶腔，分布高程約 3 750～3 760 m之間。

3 巖溶水系統(tǒng)

3.1 地下水類型及其含水巖組特征

表1 隧道含水巖組特征統(tǒng)計結果表

3.2 巖溶水補徑排條件

隧道工程區(qū)的深層徑流主要發(fā)育于波里拉組灰?guī)r條帶內，受王卡鄉(xiāng)背斜構造形變及地形切割影響，背斜北段波里拉組灰?guī)r條帶呈環(huán)狀條帶分布，向南因背斜樞紐起伏多次被阿堵拉組覆蓋。據調查、測流分析，該灰?guī)r條帶內地下水主要排泄點有羅江溫泉、娘曲溫泉及勇曲灰?guī)r段右岸的泄流排泄，根據徑流總量及匯水面積的匹配關系推測，該深層徑流系統(tǒng)的補給范圍可達東榮學以北的波里拉組環(huán)形條帶展布區(qū)。地下水在背斜北段的波里拉組灰?guī)r出露區(qū)接受補給后，順灰?guī)r條帶向深部、向南部徑流，穿過東榮學、姆多隆(地表無泉點出露)及上覆的阿堵拉組直至羅江村及娘曲村附近排泄，由于在徑流過程中受地溫加熱，泉水溫度較高，羅江溫泉水溫24°，娘曲溫泉水溫32°，并在背斜南段灰?guī)r出露區(qū)繼續(xù)接受補給，向南穿過阿堵拉組，在宗多村一帶以線狀泄流形式排泄于勇曲。

3.3 巖溶水文地質單元劃分

巖溶水文地質單元是根據地層巖性、地質構造、地形地貌、可溶巖與非可溶巖的接觸關系及空間展布特征、氣象和水文等條件的差異性，將工程區(qū)劃分為若干單元。每個單元的地下水類型、賦水特征及運移規(guī)律相同或相似，具備相對獨立的邊界和補給、徑流及排泄條件。根據巖溶水文地質單元劃分依據，結合野外調查情況，將此隧道地下水系統(tǒng)劃分為4個主要水文地質單元，如表2所示。

表2 隧道水文地質單元特征統(tǒng)計表

4 隧道涌突水危險性分析

4.1 隧道突涌水危險性評價

隧道突涌水受多種因素的影響，通過結合鐵路深埋長大隧道地質資料以及前人學者的研究成果[9-10]，選擇巖石的滲透性和力學性質(R1)、地質構造條件(R2)、地表匯水條件(R3)、隧道與地下水位的關系(R4)和冰川補給(R5)5個一級指標構建突涌水危險性評價體系。根據以往地質災害危險性評價的成熟經驗，借鑒目前復雜巖溶隧道的施工技術和被工程界普遍接受的風險接受準則，將非可溶巖隧道涌突水危險性劃分為5個等級(如表3所示)：極高危險(Ⅴ)、高危險(Ⅳ)、中等危險(Ⅲ)、較低危險低(Ⅱ)和低危險(Ⅰ)，分值滿分設置為100分，5個等級所對應的THR分值依次為>77、62～77、38～62、23～38、0～23，分值越高，級別越高，突涌水災害的危險程度越高。

表3 危險等級劃分表

根據隧道所穿越的地層巖性、地質構造及地貌、水系等地質、水文條件，將隧道分為19個區(qū)段進行突涌水危險性評價，結果如表4所示。

表4 隧道突涌水危險性評價結果表

4.2 隧道突涌水風險綜合分析

本文充分考慮隧道工程區(qū)的地質構造、地層特征、巖性、水文分區(qū)特征，并結合隧道涌水量評價以突涌水危險性分區(qū)等級研究，綜合確定隧道工程區(qū)危險性等級劃分長度及占比，如圖3所示。隧道全長 20 247 m，突涌水危險性等級總體以低-較低危險性為主，總長 16 804 m，約占隧道總長的83%；中等危險區(qū)總長 2 119 m，約占隧道總長的10.5%； 高危險段總長670 m，約占隧道總長的3.3%，分布于波里拉組灰?guī)r條帶兩側與碎屑巖的接觸帶附近；極高危險段總長654 m，約占隧道總長的3.2%，分布于波里拉組灰?guī)r中段水平徑流帶內及阿托卡巴斷層處。

圖3 藏東南某隧道危險性等級劃分長度及占比圖

5 結論

本文通過對某鐵路隧道地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質等條件的研究，分析了巖溶發(fā)育程度和巖溶發(fā)育規(guī)律。根據巖溶水補徑排條件，進行了水文地質單元的劃分；并在水文地質分區(qū)的基礎上，進行了隧道涌水量預測和隧道涌突水危險性評價。得出結論如下：

(1)隧道波里拉組(T3b)灰?guī)r段多為強富水性，察朗噶組(J1ch)和甲丕拉組(T3j)為弱-中等富水性，阿堵拉組(T3a)、奪蓋拉組(T3d)和土脫組(J2t)為弱富水性。

(2)隧道巖溶垂向分帶特征較明顯，其中 4 300 m以上高程段，寒凍風化強烈，地表巖溶跡象不明顯；3 900～4 300 m高程段，巖溶弱發(fā)育，多順層發(fā)育溶蝕裂隙；3 700～3 900 m高程段，受控背斜縱張裂隙及河谷岸坡卸荷作用，巖溶較發(fā)育。

(3)隧道全長 20 247 m，低-較低危險性區(qū)長度 16 804 m，約占隧道總長的83%；中等危險區(qū)長度 2 119 m，約占隧道總長的11%；高危險區(qū)長度670 m，約占隧道總長的3%，分布于波里拉組灰?guī)r條帶兩側與碎屑巖的接觸帶附近；極高危險區(qū)長度 654 m，約占隧道總長的3%，分布于波里拉組灰?guī)r中段水平徑流帶內及阿托卡巴斷層處。