成渝高速公路復(fù)線巴岳山隧道涌水量預(yù)測

姚德華

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

成渝高速公路復(fù)線巴岳山隧道涌水量預(yù)測

姚德華

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

巴岳山隧道是成渝高速公路復(fù)線 (重慶境)重要控制性工程。根據(jù)該隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察成果，分析評價其水文地質(zhì)條件，采用大氣降雨法、地下逕流模數(shù)法、泉流量匯總法、地下水動力學(xué)法等多種方法預(yù)測隧道涌水量，并在此基礎(chǔ)上，對隧道涌、突水進(jìn)行評價，隧道穿越三疊系須家河組地層段，地下水主要沿裂隙、孔隙發(fā)育段及砂巖與頁巖、煤層的接觸帶滲入隧道，有淋雨狀及涌流狀出水;穿越強(qiáng)巖溶發(fā)育地段可能發(fā)生突發(fā)性突水、突泥。另外隧道掘進(jìn)中遭遇老煤窯采空區(qū)可能會發(fā)生突水。提出了強(qiáng)巖溶發(fā)育段應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)測預(yù)報地質(zhì)工作，采取以堵為主的防治方案;老煤窯采空區(qū)采取探、放水結(jié)合的措施。

成渝高速復(fù)線;巴岳山隧道;水文地質(zhì);涌水量

0 引言

據(jù)中國30余座巖溶長隧道的統(tǒng)計，約40% 發(fā)生過1×104m3/d以上的大型涌突水，其中約30% 發(fā)生過5.0×104m3/d以上的重大型涌突水，約20% 發(fā)生過10.0×104m3/d以上的特大型涌突水，如：襄渝鐵路大巴山隧道、廣安—重慶高速公路華鎣山隧道、渝懷鐵路圓梁山隧道、渝懷鐵路武隆隧道、中梁山隧道等均發(fā)生特大巖溶涌水，均對施工造成極大影響［1－4］。因此，隧道涌水是隧道建設(shè)中備受關(guān)注的問題之一。較為準(zhǔn)確地預(yù)測隧道涌水量的大小，是隧道排水設(shè)計的主要依據(jù)，同時，也對隧道施工制定合理的防排水措施相當(dāng)重要。

1 工程概況

巴岳山隧道是成渝高速公路復(fù)線(重慶境)重要控制性工點(diǎn)之一。隧道為單向行駛的分離式雙洞公路隧道，兩洞軸線相距18.8～44.6 m，設(shè)計隧道建筑限界為寬16.25 m，高8.20 m。隧道左洞起點(diǎn)樁號為K32+065，終點(diǎn)樁號為K35+335，長3 270 m;右洞起點(diǎn)樁號為 YK32+066.15，終點(diǎn)樁號為 YK35+368.15，長3 302 m，為公路特長隧道。隧道雙洞縱斷面設(shè)計為人字坡。隧道最大埋深約230 m。

2 隧道工程自然地理條件

成渝高速路復(fù)線巴岳山隧道橫穿重慶陷褶束華鎣山穹褶束之西山背斜形成的背斜山，隧址區(qū)地形、地貌受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的控制明顯，具有構(gòu)造剝蝕—溶蝕的顯著特征，山脈走向與構(gòu)造線方向一致，形成“一槽兩嶺”的特點(diǎn)，具典型的川東平行嶺谷景觀。

隧址區(qū)屬亞熱帶溫濕氣候區(qū)，濕度大，冬冷夏熱，降雨豐富，夏季多暴雨，年平均降水量1 094.88 mm，降水多集中在5～9月，占全年總降水量的64.6%，月最大降水量321.3 mm、最小降水量2.4 mm，極端日最大降雨量220.4 mm。

3 隧道工程地質(zhì)概況

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)所在區(qū)域構(gòu)造上位于重慶陷褶束之華鎣山穹褶束西山背斜。該背斜全長約52 km，寬4～5 km。背斜內(nèi)出露的最老地層為三疊系嘉陵江組石灰?guī)r，兩翼依次為三疊系須家河組、侏羅系自流井組、沙溪廟組地層。地層走向為N20°E～N50°E。背斜軸走向總體NNE，南段略呈“弓”形彎曲，詳見圖1。

3.2 地層巖性

隧址區(qū)分布地層主要為第四系填土層、殘坡積層、三疊系上統(tǒng)須家河組和下統(tǒng)嘉陵江組，涉及巖性及分布如下：

第四系填土、殘坡積層主要分布在隧道出口外斜坡底部沖溝內(nèi)和槽谷底部(K33+700～K33+937)及隧道進(jìn)、出口斜坡上，主要以粉質(zhì)粘土為主。

三疊系上統(tǒng)須家河組為含煤巖系，巖性為灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖、褐黃色泥巖與灰色砂巖，按沉積旋回及巖性組合特征，分為六個巖性段，總厚度400～600 m，與下伏地層呈平行不整合接觸，分布于背斜兩翼(隧道里程K32+070～K33+200、K34+250～K35+300)。其中第一段為灰黑色，薄層—中厚層狀泥巖，局部為厚層狀泥巖，夾有薄層狀細(xì)砂巖和煤線，為相對隔水層;第三段為薄—中厚層狀泥巖與粉砂巖互層，局部夾炭質(zhì)泥巖及薄煤層，煤層厚 0.15 ～0.35 m，該段是區(qū)域內(nèi)主采煤層;第五段中厚層狀長石石英砂巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖夾煤層及煤線，煤層厚0.10 ～0.30 m;第二、四、六段為淺灰色厚層—塊狀中—細(xì)粒長石石英砂巖，夾巖屑石英砂巖，局部夾有薄層黃灰、灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖。

三疊系下統(tǒng)嘉陵江組為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，夾頁巖及鹽溶角礫巖構(gòu)成多個沉積旋回，按巖性分四段。在西山背斜軸部槽谷一帶(K33+200～K34+250)出露，隧道洞身段只通過嘉陵江組第三段和第四段，與上覆須家河組地層呈平行不整合接觸。

4 隧道工程水文地質(zhì)特征

4.1 地下水類型及富水性

隧址區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙層間水、碳酸鹽巖巖溶水，其中以碎屑巖孔隙裂隙層間水和碳酸鹽巖巖溶水為主。

(1)松散巖類孔隙水 主要為隧道進(jìn)、出口地帶和溝谷洼地第四系松散堆積土層，富水程度受控于松散堆積物的巖性、分布位置和地形切割破壞條件，富水性差，水量貧乏，受大氣降水影響明顯。松散巖類孔隙水對隧道施工影響小。

(2)碎屑巖孔隙裂隙水 含水巖組為三疊系上統(tǒng)須家河組地層，巖性為厚層砂巖間夾有相對隔水的泥頁巖或煤層，所含地下水為隧址區(qū)主要的地下水之一。本類型地下水以砂巖孔隙裂隙水為主，富水性不均一，由于須家河組含水層內(nèi)存在相對隔水的頁巖、泥巖和煤層，雖經(jīng)后期采煤活動，大部地段隔水層遭受破壞，但局部仍然存在承壓水性質(zhì)。地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給，一部分沿斜坡自流斜地多以濕地的方式排泄，另一部分下滲形成地下水，在煤層采空區(qū)及巷道處排泄，匯集后經(jīng)水泵或水溝排出地表。

圖1 巴岳山隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Regional tectonic map of Bayueshan tunnel

(3)碳酸鹽巖巖溶水 隧址區(qū)嘉陵江組地層多在巖溶槽谷內(nèi)直接出露，直接接受大氣降雨補(bǔ)給，沿背斜軸部縱張裂隙、巖溶洼地、落水洞、溶洞、溶蝕裂隙等向下滲流，形成地下水，地下水淺表在興隆場一帶以泉的形式排出(標(biāo)高340.00 m)后，經(jīng)地表水溝排出槽谷外。沿背斜軸向水力梯度為0.7%，沿隧道軸向水力梯度為4.7%，可見地下水流緩慢。擬建隧道穿越嘉陵江組地層段標(biāo)高為322.19～346.87 m，低于水位50～70 m左右。

4.2 地下水補(bǔ)、逕、排條件

背斜軸部為嘉陵江組地層，地形上呈巖溶槽谷，背斜東、西兩翼和南、北傾沒端均為須家河組地層形成的山嶺，將嘉陵江組地層封閉于巖溶槽谷內(nèi)，槽谷橫寬約1～1.5 km，縱長約 25.5 km，形似一柳葉舟。須家河組一段分布于槽谷邊部，隧道里程K33+142～K33+192、K34+250～K34+337，其中的頁巖為隔水層，將嘉陵江組巖溶水封閉，使之成為一個獨(dú)立、封閉的水文地質(zhì)單元。背斜軸部嘉陵江組灰?guī)r直接出露于巖溶槽谷，該槽谷為地下水補(bǔ)給天窗，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，槽谷兩側(cè)斜坡地帶接受大氣降水補(bǔ)給后，一部分在槽谷兩側(cè)以泉點(diǎn)形式排泄，沿河溝排出槽谷外;另一部分下滲形成地下水，沿巖溶裂隙運(yùn)移。槽谷底部接受大氣降水補(bǔ)給后，直接沿巖溶裂隙、落水洞下滲形成地下水。見圖2。

圖2 隧道軸線水文地質(zhì)斷面示意圖Fig.2 Hydrogeology section of tunnel axis

背斜兩翼須家河組地層形成“屏障式”列峰山嶺，沿巖層走向上未見大溝、大河將須家河組切割，地下水在山嶺和斜坡地帶接受大氣降水補(bǔ)給，一部分沿斜坡自流斜地多以濕地的方式排泄，另一部分下滲形成地下水，在煤層采空區(qū)及巷道處排泄，匯集后經(jīng)水泵或水溝排出地表。

5 隧道工程涌水量預(yù)測

關(guān)于隧道涌水量預(yù)測方法較多，目前常用的只有以下兩種：一種是水均衡法，如地下水逕流模數(shù)法、大氣降雨法和泉流量匯總法等，是指在一定流域或一定區(qū)域內(nèi)，水循環(huán)總量基本保持平衡狀態(tài)，也就是補(bǔ)給與排泄的動態(tài)平衡;另一種主要是利用水力學(xué)、地下水動力學(xué)等方面的理論，根據(jù)隧道不同地質(zhì)模型，通過數(shù)學(xué)演繹和推理，推導(dǎo)出隧道涌水量與地下水水位、圍巖滲透性、地下水補(bǔ)給范圍、補(bǔ)給時間、含水層的性質(zhì)等因素的定量關(guān)系，得出一系列理論或經(jīng)驗解析公式，用以預(yù)測計算隧道的涌水量。其他方法還有水文地質(zhì)比擬法、數(shù)值法、隨機(jī)數(shù)學(xué)模型法等。

根據(jù)巴岳山隧道各段的水文地質(zhì)條件，分別采用地下水逕流模數(shù)法、大氣降水滲入量法、泉流量匯總法和地下水動力學(xué)法計算巴岳山隧道的涌水量。

5.1 地下水逕流模數(shù)法

計算參數(shù)地下水逕流模數(shù)M值參考區(qū)域水文地質(zhì)報告，根據(jù)各巖組地層巖性、出露位置、地貌形態(tài)，結(jié)合本區(qū)水文地質(zhì)單元中的逕流條件，分別選擇地下水逕流模數(shù)M值如下：三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層M=18.0(l/s·km2)、三疊系上統(tǒng)須家河組地層M=4.0(l/s·km2)。

采取以下公式：

式中：Q——隧道涌水量(m3/d);M——地下水逕流模數(shù)(l/s·km2);F——計算塊段面積(km2)(面積采用1∶5萬地形圖，按水文地質(zhì)單元計算)。

計算結(jié)果見表1，涌水量為14 806 m3/d。

5.2 大氣降雨入滲法

根據(jù)巴岳山山區(qū)的地下水類型、地形地貌、地層巖性、自然地理特點(diǎn)進(jìn)行計算單元塊段劃分，計算公式為：

式中：Q——隧道涌水量(m3/d);α——入滲系數(shù);A——多年平均降雨量(mm);F——計算塊段面積(km2)。

根據(jù)大足縣氣象站1959～2008年氣象資料，多年的平均降水量為1 094.88 mm，月最大降水量為321.3 mm，日最大降水量為220.4 mm。據(jù)對重慶地區(qū)其它相似地質(zhì)構(gòu)造和地層條件的背斜山(如中梁山、縉云山、云霧山等)的地下水調(diào)查、監(jiān)測表明，地下水排泄的最大涌水量和月最大降水量相關(guān)。因此可以根據(jù)年均降水量計算隧道的平水期涌水量，根據(jù)月最大降水量計算豐水期涌水量。

根據(jù)已有資料，參考1∶20萬內(nèi)江幅水文地質(zhì)普查報告和1∶5萬巴岳山礦泉水水文地質(zhì)調(diào)查研究報告中的有關(guān)數(shù)據(jù)而選用滲入系數(shù)見表2。

計算結(jié)果，平水期涌水總量為15 464 m3/d，豐水期涌水總量為54 456 m3/d。

表2 降水入滲法隧道涌水量計算成果表Table 2 Calculation results of water inflow by precipitation infiltration method

5.3 泉流量匯總法

巴岳山隧址區(qū)地表泉點(diǎn)主要出露于嘉陵江組地層中，而須家河組地層中出露的泉點(diǎn)少且流量小，須家河組地層碎屑巖孔隙裂隙層間水主要在采空區(qū)和煤層巷道排泄，經(jīng)匯集后被各煤礦排出地表。

對隧址區(qū)須家河組地層涌水量采用煤洞水排水量進(jìn)行疊加(見表3)，統(tǒng)計結(jié)果表明：背斜西翼須家河組排泄量為1 896 m3/d;背斜東翼須家河組排泄量為2 520 m3/d。

表3 煤洞水調(diào)查統(tǒng)計表Table 3 Survey statistical table of coal cave water

隧址區(qū)嘉陵江組(T1j)出露的泉點(diǎn)共8處，其具體情況統(tǒng)計如表4。

隧址區(qū)嘉陵江組(T1j)地層涌水量采用泉流量匯總法進(jìn)行計算。

式中：Q——年天然排泄量(萬 m3/年);qi——各泉流量(l/s)。

經(jīng)計算年天然排泄量Q為121.3萬m3，每天排泄量為 3 322.9 m3/d。

5.4 地下水動力學(xué)水平礦井疏干法

(1)計算塊段的劃分 隧區(qū)含水層主要為嘉陵江組灰?guī)r、白云巖和鹽溶角礫巖(T1j)、須家河組(T3xj)砂巖、頁巖。嘉陵江組灰?guī)r、白云巖按照巖溶發(fā)育程度分段計算，概化模型見圖3。

表4 地表泉水、溶洞水調(diào)查統(tǒng)計表Table 4 Survey statistical table of surface spring and cavern water

(2)計算公式的選擇 隧區(qū)含水層地下水受構(gòu)造裂隙控制，水力性質(zhì)介于承壓水及潛水之間，計算公式采用承壓—潛水完整式坑道公式：

式中：Q——水平坑道涌水量(m3/d);B——水平坑道長度(m);S——水平坑道疏干降深(m);R——水平坑道影響范圍(R=2S(MK)0.5);M——含水層厚度(m);K——滲透系數(shù)(m/d)(根據(jù)抽水、壓水試驗確定，巖溶強(qiáng)發(fā)育段灰?guī)r和灰?guī)r段滲透系數(shù)根據(jù)分段抽水試驗結(jié)果確定)。

計算結(jié)果平水期涌水總量14 842 m3/d(見表5)。

圖3 隧道地質(zhì)橫剖面和概化模型示意圖Fig.3 Geological cross section and generalized model of tunnel

6 隧道工程涌水量預(yù)測評價

隧道區(qū)地下水環(huán)境復(fù)雜，特別是隧道通過背斜核部碳酸巖段，巖溶發(fā)育使得地下水補(bǔ)充、逕流、排泄條件更加復(fù)雜。以上各種方法都是把含水層當(dāng)作均一的滲流介質(zhì)來計算的，與實際情況存在較大偏差。

地下水逕流模數(shù)法的逕流模數(shù)在不同的地區(qū)其值相差很大，預(yù)測只能根據(jù)本區(qū)域相似地質(zhì)條件枯季的觀測值，地下水逕流模數(shù)是單位含水層分布面積上地下水的逕流量，若根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)規(guī)程》計算預(yù)測值在巖溶地區(qū)明顯偏小，主要原因是面積偏小，取值地表水或下降泉流量相當(dāng)?shù)牡乇砹饔蛎娣e，筆者計算過程中面積取值可溶巖區(qū)按水文地質(zhì)單元取值。

降雨入滲法的入滲系數(shù)也只能取當(dāng)?shù)叵嗤刭|(zhì)、地貌條件的經(jīng)驗值，可視為“平均”的疏干穩(wěn)定涌水量，豐水期降水入滲法反映的是強(qiáng)降水周期時的涌水情況。

泉流量匯總法在背斜兩翼由于采礦排出的水量較為準(zhǔn)確，可作為隧道區(qū)域涌水預(yù)測的依據(jù)，背斜核部灰?guī)r大部分地下水作為巖溶天窗下滲逕流補(bǔ)給區(qū)域地下水，故采用泉流量匯總法預(yù)測隧道涌水量偏小。

地下水動力學(xué)法的滲透系數(shù)取值是根據(jù)勘察鉆孔抽水、壓水試驗綜合取值，由于巖體的不均一性，滲透系數(shù)差值可能較大，影響預(yù)測結(jié)果。

綜合以上分析和隧道涌水量預(yù)測結(jié)果，地下水逕流模數(shù)法、降雨入滲法和背斜兩翼泉流量匯總法預(yù)測結(jié)果可以作為隧道區(qū)域的疏干穩(wěn)定涌水量，并可用于校核分段涌水量。地下水動力學(xué)水平礦井疏干法可以作為隧道區(qū)域平水期的涌水量。

降水入滲法計算的平水期和豐水期涌水量顯示，隧道在豐水期的涌水量大約是平水期的3.5倍。筆者采用地下水動力學(xué)法計算的隧道分段平水期涌水量的3.5倍來估算隧道豐水期涌水量。預(yù)測巴岳山隧道平水期涌水總量為14 842 m3/d、豐水期涌水總量為51 947 m3/d。

7 隧道涌、突水評價

巴岳山隧道的地下水以巖溶水、碎屑巖孔隙裂隙層間水為主，設(shè)計隧道長3.3 km，預(yù)測平水期涌水總量為14 842 m3/d，豐水期涌水總量為51 947 m3/d。

隧道穿越三疊系須家河組地下水較豐富，主要含水層為三疊系須家河組第二、四、六段砂巖，頁巖或煤層為相對隔水層。地下水主要沿裂隙、孔隙發(fā)育段及砂巖與頁巖、煤層的接觸帶滲入隧道，有淋雨狀及涌流狀出水。

隧道掘進(jìn)中可能遭遇銅梁縣觀音巖煤廠、銅梁縣石矸子煤礦、大足縣萬古鎮(zhèn)鍋廠灣煤礦采空區(qū)和隧道出口廢棄老煤窯采空區(qū)，開挖時可能會發(fā)生老采空區(qū)突水，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)測預(yù)報地質(zhì)工作，采取探水、放水結(jié)合的措施，防止發(fā)生事故。

隧道穿越背斜軸部三疊系嘉陵江組地層長度約1 508 m，地下水豐富。其中嘉陵江組四段鹽溶角礫巖夾白云質(zhì)灰?guī)r和四段與三段灰?guī)r接觸帶附近巖溶發(fā)育，隧道(左線 K32+966～K33+356、K33+541～K33+687、K33+916～K34+475，右線 YK32+944～YK33+135、YK33+238 ～YK33+781、YK33+890～YK33+975、YK34+090～YK34+474段)開挖時可能發(fā)生突發(fā)性突水、突泥。應(yīng)預(yù)防發(fā)生巖溶突水，加強(qiáng)超前預(yù)測預(yù)報地質(zhì)工作，采取以堵為主的防治方案。

8 結(jié)語

采用水均衡法(如大氣降雨法、地下逕流模數(shù)法、泉流量匯總法)計算隧道涌水量是按水文地質(zhì)單元計算的總量，分段預(yù)測隧道涌水量宜采用地下水動力學(xué)法，并參考水均衡法計算的總量對比使用。隧道涌水量預(yù)測方法和研究較多，主要是為了保證隧道施工和運(yùn)營過程中安全和穩(wěn)定性，由于隧道區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜，隧道涌水的復(fù)雜性和多變性以及人們對現(xiàn)場水文工程地質(zhì)條件的認(rèn)識不完善，導(dǎo)致涌水量預(yù)測方法均有一定的局限性，從科學(xué)與應(yīng)用的角度來看，這些方法仍然還不夠完善，其實用性和推廣性也還有待加強(qiáng)。因此，巴岳山隧道在施工過程中一方面要加強(qiáng)超前預(yù)報，提前預(yù)防并采取相應(yīng)的措施，另一方面施工過程中對隧道涌水采取合適的處治措施，避免引發(fā)一系列工程完工后的地質(zhì)災(zāi)害問題及環(huán)境問題。

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Forecast of Water Inflow of Bayueshan Tunnel in the Second Cheng-Yu Highway

YAO Dehua
(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing102600)

Bayueshan tunnel is the important controlling project of the second Cheng－ Yu highway(in Chongqing).According to hydrogeology investigation result of Bayueshan tunnel，the hydrogeological condition is analyzed and evaluated.Method of infiltration coefficient of precipitation，modulus method of ground water runoff，gross spring flow method，underground hydrodynamics method and etc.of hydrogeology are adopted to calculate and forecast the rate of water inflow.On the basis of this result，the evaluation of tunnel water inflow is made.

the second Cheng－Yu highway;Bayueshan tunnel;hydrogeology;water inflow

U456.3+2

A

1671－1211(2011)03－0225－07

2011－03－23;改回日期：2011－04－11

姚德華 (1970－)，男，高級工程師，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，從事水工環(huán)勘察設(shè)計工作。E－mail：yaodehua945@163.com

于繼紅)