通海隧道施工涌突水災害與環境影響研究

孫晉玉，張 強，許 模，陳 松

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都610059;2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031)

通海隧道是中國云南國際鐵路通道昆明-河口線玉蒙鐵路的主要工程，也是云南省在建的最長隧道。隧道全長10 302 m，全隧道為單面坡，最大坡度20.4‰。該隧道在通海縣境內的通過區鄰近杞麓湖。作為通海縣重要的水資源，杞麓湖具有工農業用水、調蓄、防洪、航運、旅游、水產養殖等功能，是通海縣社會經濟發展的主體。隧道施工以來，在進出口的數個出水點涌出大量的地下水，由于工程區為生態敏感的巖溶地區，因此亟需查明隧道涌水與周邊杞麓湖等水體的水力聯系。

資料表明，可溶性白云巖與灰巖等碳酸鹽巖地段占通海隧道總長近90%。受云南特殊大地構造背景控制，隧道通過區斷裂和褶皺發育強烈，白云巖、灰巖等碳酸鹽巖類硬質巖被密集的節理、劈理和小斷層切割，導致巖體松動，普遍含水，地下水的補給、徑流、排泄特征具有很大的隨機性;隧道涌突水部位和涌水量難以按常規思路確定。由于大斷裂和裂隙大面積發育，隧道高程較低，隧道涌突水與周邊湖泊、水庫及井泉連通的可能性極大，隧道施工的環境影響有待論證。針對這一特殊情況，查清地下水活動規律及其補給、徑流與排泄特征，劃分地下水的徑流系統，明確隧道施工對周邊水環境的影響就顯得尤為必要。

1 區域地質條件

受早先形成的經過通海縣城的NW向斷裂控制，本區與其NE側的李家山區的構造線及地層不連續。總體上，本區構造屬“山”字形構造體系東翼構造，構造線方向為NE-NEE向，呈向南東凸出的弧形，主要表現為一褶皺斷裂帶。其中構造主要由3條NE向斷裂、一個背斜和兩個向斜組成。由隧道進口至出口，依次為九街向斜、通海斷層(F11-2)、泥者斷層(F11-3)、五里菁向斜、里山背斜和烏龍塘斷層(F11-4)(圖1)。

圖1 隧址區地質剖面圖

2 地下水類型及水文地質單元

受區內褶皺及斷裂影響，本區元古界-新生界地層均有出露，但分布凌亂。區內地層巖性組合復雜，富水性強烈不均。根據隧道區巖性組合特征和地下水的賦存空間，可將本區地下水類型分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖及碎屑巖裂隙-巖溶水、碳酸鹽巖類巖溶水。

隧道通過區含水巖組特征見表1。其中下石炭統主要分布于通海隧道出口處里山背斜南東翼、進口處習家營-紅龍灘向斜兩翼，以及李家山區向斜四周。巖性主要為淺灰、深灰色，中-厚層狀灰巖夾頁巖，局部含有中-厚層狀白云巖。地表有輕微溶蝕現象，受烏龍塘斷層影響，巖體較為破碎。

資料表明研究區內近東西向分布的沿龍鳳山-黑地網頭-火草石-生家瓦屋-積目山-老尖山的侏羅系地層形成的2 000 m以上的山峰，既構成了地表分水嶺，同時也成為兩側水系流域內地下水活動的天然屏障，形成了以曲江、杞麓湖為排泄基準面的兩個獨立的水文地質單元。

隧址區構造活動導致的地層變形、破裂，控制著地層分布、斷裂及其它導水空間的力學性質和延伸狀況，進而控制巖溶水的活動。根據通海隧址區及其附近的水文地質條件特征，對隧道內巖溶水活動影響較大的主要包括杞麓湖區、隧址區褶皺和斷裂構造。雖然兩個構造區的構造形態并不連續，但是由于斷裂錯移、穿插，局部可溶巖通過斷層接觸，構造區內的巖溶水是有可能相互連通的。因此，隧道工程面臨的環境問題有:杞麓湖區與隧址區巖溶水的聯系、地下水的來源;隧道排水對環境的影響。

3 隧道巖溶涌水狀況分析

通海隧道自開工至2007年11月，已發生4次大的突發性突水、突泥(石)地質災害，由于采取了有效措施，未造成重大損失。現分述如下:

進口于2007-08-22在平導PDK29+203 m處發生突水、突沙，最大涌水量達2萬m3/d;2007-12-23于平導PDK29+310 m處發生突水，拱腰左側及平導掌子面涌出水量約60 L/s。目前正洞DK29+174-平導PDK29+310 m穩定涌出水量2.2萬m3/d，正洞與平導積水較嚴重，積水深度超過1 m。

隧道出口段平導PDK35+770 m處于2007-06-26發生大規模突水、突石(圖2)。最大涌水量超過12萬m3/d，突石超過1 000 m3，石塊最大達2 m;而后正洞、迂回導坑在相同位置出水，涌水量長期維持在3萬m3左右，連續4個月不衰減，總排水量已超過400萬m3。

表1 隧道通過段出露的含水巖組特征和富水性

圖2 通海隧道出口段平導PDK35+770 m出水點涌水量歷時曲線

分析PDK35+770 m出水點涌水量歷時曲線，可分為4個階段:

Ⅰ階段:2007-06-26揭露出水點后，涌出水量逐漸增大，于6月27日達到峰值121 947 m3/d，表明排水量以靜儲量為主，隨著時間的延續涌水通道被逐漸貫通;反映隧址區巖體裂隙具備較大儲水空間和儲水能力。

Ⅱ階段:6月27日后，經過近2 d的大量涌水，出水點水量出現迅速衰減，反映存儲于裂隙中的巖溶水被疏干。

Ⅲ階段:6月28日涌水量由峰值快速降到44 202 m3/d，至7月5日，監測曲線反映水量總體呈緩慢下降趨勢，略有波動。這時隧道排泄的水量應來源于相鄰含水層的水量補給。

Ⅳ階段:7月6日至7月15日，涌出水量趨于平穩，維持在37 000 m3/d左右。反映隧道排水量與補給量達到了動態平衡狀態，涌水點受到了穩定的補給源補給。

隧道出口段平導PDK35+735 m于2007-11-23發生較大突水，沿出口二號迂回導坑掌子面右下部寬大裂隙涌出，涌水量約200 L/s。裂隙寬度0.4～1.1 m不等，頂拱上方最大寬度近2 m，深部不可測。裂隙壁面較為光滑。

出口段兩件突水事件表明，出口段單斜巖層地段白云巖節理發育，形成巖溶導水通道，屬構造-巖溶裂隙水復合。

4 隧道涌水的來源

現場采取水樣21組，其中隧道出水點5組、下降泉6組、上升泉 1組、地下暗河樣1組、庫南河水 6組(分段)、地表水庫樣1組、杞麓湖湖水樣1組，選取重點水樣進行同位素測試δ18O和δ D各13組、水化學常規測試15組。同位素測試結果(圖3)顯示:大部分的水樣位于降水線附近，反映地下水來源于隧址區接受的大氣降水。同時，氫氧穩定同位素δ18O-δ D(SMOW)關系反映出:(1)杞麓湖湖水與隧址區地下水(包括隧道內出水點、下降泉、上升泉、地下暗河等)及庫南河的δ18O-δ D差異明顯，非常孤立，反映湖水與隧址區地下水在來源上存在差異，隧道涌水與湖水聯系較弱;(2)隧道出水點在進、出口差異較為明顯，隧道出口的兩個水樣位于降水線以上，反映出口段平導和迂回導坑發育的寬大剪張裂隙涌出水直接來源于大氣降水;隧道進口的兩個水樣位于降水線以下，偏差值較小，反映其雖然仍來源于大氣降水，但經歷了一定的水巖相互作用，δ18O明顯偏富集;(3)同樣，位于降水線以下的兩個下降泉水，δ18O明顯偏富集，反映其徑流途徑較長或也經歷了一定的水巖相互作用。(4)位于上科莊北1 500 m(隧道軸線DK31+550左15 m左右)的鉆孔涌出的上升泉，明確為大氣降水補給。

圖3 通海隧道地下水穩定同位素δ18O-δ D(SMOW)關系

5 隧道涌水與杞麓湖的水力聯系

結合上述區域地下水的補給徑流排泄特點、地下水徑流系統劃分與隧道涌水來源分析等，認為隧道出口段涌水與杞麓湖無明確的水力聯系，理由如下:

(1)據《1∶20萬玉溪幅水文地質報告》，杞麓湖蓄水量2.3億m3，水深3～6 m，最深10 m 左右;湖積物厚度為20～90 m，巖性以灰黑色砂質黏土、淤泥為主，厚度從盆地邊緣向中心由薄變厚，湖積層透水性微弱。通海盆地總體為一匯流盆地，通過溝谷及巖溶大泉，匯集四周山地降水及地下水，地表無泄水通道，唯一的排泄方式地下暗河系統，即盆地東北角的岳家營地下暗河系統，向北東方向華寧盆地排泄。

(2)盡管湖底碳酸鹽巖存在與隧址區白云巖、灰巖連通的可能性，湖積層透水性很弱，水流通道不暢，且湖泊東南側侏羅系砂頁巖的阻隔，導致水流不暢(圖4)。而且即便杞麓湖(1 794 m)與隧道出口段(1 610～1 780 m)存在水力聯系，但其最大徑流長度達20 km的水力坡度已非常小。由達西定律分析，滲流量與介質滲透能力、水力坡度成正比，兩個小數值的乘積當然更小。由此表明杞麓湖與隧道出口即使連通，基于滲透性和水力坡降的原因，但可能發生的聯系也是十分微弱的。

(3)天然條件下，杞麓湖湖水通過其東側(岳家營)的地下暗河管道排向東側的華寧盆地，反映通海盆地與華寧盆地具有密切的水力聯系和一定的水力坡度。因此在杞麓湖東側再發育一條向南的地下水通道，幾率極小。

圖4 通海盆地橫剖面圖(據20萬玉溪幅水文地質圖)

(4)在汛期地下暗河管道無法滿足泄洪需求的情形下，當地政府建設一條溝杞麓湖和曲江支流庫南河的泄洪隧道，也反映天然條件下向南側的地下水徑流不暢。

(5)同位素測試結果反映湖水與隧址區地下水在來源上存在差異，隧道涌水與湖水聯系較弱。

種種跡象表明:杞麓湖湖積層較厚，且透水性很弱;東南側受到侏羅系砂頁巖的阻隔，接受南側地下水補給，而向南流動的水動力條件微弱，其湖水排泄僅能通過暗河管道和人工隧道進行等，可以認為隧道涌水與杞麓湖水無關。

6 隧道涌水對通過區環境的影響

通過對隧址區地表水的動態觀測資料、本次調查數據以及隧道涌水量的綜合分析，結果表明:目前隧道施工產生的大量涌水并未對隧址區周邊水環境造成明顯的影響。

理由有:(1)在隧道沿線布置了18個水環境動態觀測點，其中泉水觀測點12個，地表水觀測點6個。觀測數據顯示，僅一個泉點流量有所下降，其余各點流量一直保持穩定。(2)將隧道通過區部分泉點的實測流量與往年流量對比分析(表4)。除S09等個別點流量有所下降外，其余各點流量均高于往年值，反映隧道疏干對周邊地下水、地表水影響較小。(3)同時，隧道出口平導PDK35+770 m在2007-06-26至07-15涌水量量測數據表明:水量6月26日至6月27日逐漸增大(6月27日達峰值121 947 m3/d)，6月27日至6月28日迅速衰減(6月28日為44 202 m3/d)。從6月28日至7至15日涌水量趨于穩定，維持在37 000 m3/d左右。

表2 本次實測流量與歷史流量對比

至2008年底，隧道施工總排水量已超過500萬m3，如此大的排水量，若與地表水有聯系，必然會在地表水系中有所反映。但通過對現有監測資料的綜合分析，已確定當前的隧道涌水并未對地表水量造成影響。因此，當前地表水環境沒有因隧道涌水而發生顯著變化。

至于后期的施工是否會對水環境產生影響，則有待進一步論證。

7 結論

(1)結合區域地質資料與隧道涌突水情況分析，考慮水樣同位素測試結果，通海隧道涌突水主要為隧道西側山區的大氣降水。

(2)杞麓湖湖積層較厚，且透水性很弱;湖水同位素特征與隧址區地下水差異顯著;東南側受到侏羅系砂頁巖的阻隔，接受南側地下水補給，而向南流動的水動力條件微弱，其湖水排泄僅能通過暗河管道和人工隧道進行等，可以認為隧道涌水與杞麓湖水無關。

(3)通過對現有監測資料的綜合分析，已確定當前的隧道涌水并未對地表水量造成影響。因此，當前地表水環境沒有因隧道涌水而發生顯著變化。

至于后期的施工是否會對水環境產生影響，則有待進一步論證。

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