地表水文監測在巖溶隧道施工中的應用

周 坤，方俊波

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

20世紀50年代，圓梁山地區被國內水文、地質專家判定為修建隧道的“禁區”，修建渝懷鐵路的計劃一再被推遲。圓梁山地區地質非常復雜:向斜和背斜地質構造普遍存在，張裂隙和斷層交互，地表巖溶漏斗、洼地密布，地下存在大規模的暗河及網狀發育的巖溶管道。隧道開挖一旦觸及高壓富水的巖溶管道，將會出現涌突水和涌突泥。隧道涌水會對地表井泉、懸掛泉、地下水、地表植被等生態環境以及居民生活用水產生影響。埋深較小時，隧道涌水會直接襲奪并疏干地表水，但涌水量不會很大;埋深較大時，地下巖溶水來源補給廣泛，其水位下降緩慢，至巖溶管道疏通到一定程度后，才會受地表大氣降雨的影響，與地表水文發生直接聯系，此時隧道涌水量會很大，對施工的影響亦大［1］。向斜區特殊的地質環境，決定了懸掛泉、地表井泉等水體與地下水有著密切的水力聯系。地下水的流失或漏失將會破壞地表水與地下水之間的水力平衡，使地表水體水量減少、甚至被疏干，從而影響地表居民的生活和生產，進而會對周圍環境產生嚴重的影響。

目前，國內外許多專家學者已經開展了隧道涌水對地表環境影響方面的研究。文獻［2］介紹了歌樂山隧道洞口及地表水的環境監測、超前地質預報體系的建立情況;文獻［3］研究了隧道疏干排水對周圍地下水系統的影響，并模擬預測堵水成功后水位的恢復情況，分析了隧道對周圍地下水位以及引起的地面塌陷的影響;文獻［4］通過預測隧道涌水量，分析預測隧道涌水及洞頂漏水對頂部泉眼、地下水、植被、居民生活用水產生的影響;文獻［5］結合隧道施工涌水狀況以及已開挖段所揭示的地質條件等，利用地質原形研究和同位素分析等方法重點分析隧道涌水來源及其與杞麓湖的水力聯系，明確隧道工程對周邊地區水環境的影響;文獻［6］通過圓梁山隧道毛壩向斜段涌突水監測數據，結合地表降水資料，分析了影響隧道排水量、隧道支護穩定性的主要自然因素及排水工程對地表水環境產生的影響;文獻［7］敘述了宜萬鐵路所有的風險隧道均要求進行系統性地表水文監測，制定巖溶隧道安全施工管理等級，確定進洞安全施工條件。以上相關文獻在論述隧道涌水對地表環境的影響程度和范圍方面的還比較少。本文主要開展一系列地表水文監測項目，對巖溶隧道地表水文環境進行長期監測，并對監測數據進行系統分析，評估出隧道涌水對地表環境的影響程度及范圍。

1 工程概況

圓梁山深埋特長隧道是重慶至懷化線的關鍵性控制工程，隧道進口位于細砂河東岸的瞻家壩，出口位于屬麻旺河源頭的炭廠河西岸，最大埋深約780 m。隧道穿越烏江與沅江水系分水嶺圓梁山地區，為中、低山深切河谷地貌，相對高差800余米，主要地質構造為毛壩向斜和桐麻嶺背斜及其伴生或次生斷裂等構造。

圓梁山地區河流除細砂河屬烏江水系外，其余均屬沅江水系，兩者分水嶺位于毛壩向斜西翼標高1 350 m以上的長條形山地(屬大婁山期臺面)。水系主要呈羽毛狀，主河流大多沿北東向發育。如細砂河，發育于本區西北部，流向南西，經細砂鄉、細砂口流出本區;位于毛壩向斜和桐麻嶺背斜之間的后河，發育于犀牛洞暗河和半節河暗河，流向北東，至鴉雀口后轉成南東，成為切穿背斜軸部的橫向河谷;志留系泥、頁巖地層中多發育與北東向主構造線垂直的橫向河谷，流入主河流，與主河流構成羽狀水系。毛壩向斜中的可溶巖地塊中多為各自封閉的巖溶洼地，難以形成較大的地表徑流。毛壩蓋山脈其余地段大氣降水多轉為地下水，從東、西兩側懸崖下以巖溶泉(暗河)流出地表，東側匯入冷水河，西側匯入細砂河流出隧道區外［8］。圓梁山隧道毛壩向斜地表水文情況如圖1所示。

圖1 圓梁山隧道毛壩向斜地表水文地質圖Fig.1 Ground surface hydrology of Maoba syncline of Yuanliangshan tunnel

圓梁山地區氣候溫和，多年平均降水量為1 383.6 mm，且分布不均，主要集中在 5，6，7，8 等月，占年降雨量的54.3%。1951—1970年當地氣象站多年平均降水量如表1所示。

2 地表水文監測項目

為了明確圓梁山隧道施工對向斜地表環境的影響程度及范圍，施工階段根據向斜段地表水文情況，進行了懸掛泉流量監測、井泉水位監測、大氣降雨量監測。

表1 當地氣象站多年降水量統計表(1951—1970年)Table 1 Rainfall statistics

1)懸掛泉流量監測。毛壩向斜區地下存在著較發育的巖溶系統，如區域性地下暗河等，其排泄點主要以懸掛泉的形式存在，監測其流量變化可確定隧道涌水對向斜區域地下水位產生的影響。

2)井泉水位監測。隨著地下水位下降，地下水力梯度增加、溶蝕加強、隧道與地表的連通性更加明顯，可能會使依靠大氣降雨補給、局部地表徑流形成的地表的水源點被襲奪疏干，導致隧道通過地區居民的飲水困難。進行地表井泉水位監測，可以得知隧道涌水對地表水文環境的影響程度及范圍。

3)地表降雨量監測。巖溶區地表及地下水的主要補給來源均為大氣降水，進行大氣降雨量監測并對比隧道涌水，對判斷隧道所揭露出的溶管、裂隙及溶洞涌水等是否與地表發生水力聯系意義重大，即能較準確地評估隧道與地表的連通性大小。地表水文與隧道涌水發生較強水力聯系時或隧道與地表連通性明顯時，則大氣降雨將直接影響隧道的涌水量。此時監測大氣降雨能及時預測出隧道出現的涌水量以及最高涌水量，從而能反饋信息，優化設計方案，確保隧道施工安全。同時，根據雨季與枯雨季的辯識，能選擇良好的施工時機。

3 地表水文監測及分析

3.1 懸掛泉流量監測

3.1.1 典型地表懸掛泉

圓梁山隧道進口端由向斜西翼向東翼施工，首先遇到的是屬于向斜東翼龍家壩—茨竹壩—犀牛洞巖溶水系統，隨著向向斜核心推進，隧道已出現有特大溶洞的征兆，此時監測該地下巖溶水系統或地下暗河的一個重要排泄點——茨竹壩龍洞懸掛泉流量的意義特別重大。通過監測與隧道垂直距離為300～400 m的茨竹壩龍洞懸掛泉流量變化，可以得知隧道所揭示出的向斜核部附近的巖溶水系統是否與埋深為300～400 m的地下巖溶系統或暗河相通。

茨竹壩龍洞位于向斜東翼的P1地層中，洞口標高為976.7 m，距向斜軸部地面300～400 m。隧道穿越的向斜核部懸掛泉、井泉平面位置如圖2所示。

3.1.2 監測方法及頻率

茨竹壩龍洞是一個常年有泉水流出的懸掛泉，有穩定的水源補給，即使在當地最缺雨水的冬季，仍有泉水流出，為當地居民旱季水源所在地。龍洞內深水潭是地下暗河天窗，地下暗河水位高則滿溢，故龍洞水流量較小。在水流量較小時，采用容積法測量;水流量較大時，采用三角堰板法或矩形堰板法測量。又由于龍洞地處高山懸崖下，路陡而險，平時少有人經過，故將其監測頻率控制在1～3次/月。茨竹壩龍洞懸掛泉流量自2002年1月開始測量。

圖2 隧道穿越的向斜核部懸掛泉、井泉平面位置圖Fig.2 Plan layout of hanging springs and well springs at core section of syncline through which the tunnel passes

3.1.3 監測結果及分析

茨竹壩龍洞懸掛泉水流量監測結果如圖3所示。

圖3 茨竹壩龍洞2002年1月至10月水流量柱狀圖Fig.3 Water flow volume of Cizhuba cave from January to October in 2002

由圖3可知，龍洞水具有典型的巖溶山區井泉特性，動態變化比較明顯，在雨季4月至8月，龍洞涌水量明顯增大，在枯雨季節1月至3月，水流量則明顯減小，且減小量在數倍以上。對照毛壩地區降雨量曲線可知，龍洞水流量與向斜地表降雨量關系密切，一旦降雨量大，則龍洞水流量有比較明顯的變化，如2002年5月4日毛壩地區降特大暴雨，日降雨量在112 mm以上，2 d后，監測到龍洞最大水流量為51.75 m3/h。

根據地質勘探資料，在隧道開挖前，龍洞最大水流量為69.699 m3/h，最小水流量為 1.12 m3/h，平均水流量為36.578 m3/h。茨竹壩龍洞水流量與地勘資料對比如圖4所示。

圖4 茨竹壩龍洞水流量與地勘資料對比圖Fig.4 Comparison and contrast between water flow volume of Cizhuba cave and geological survey result

由圖4可知，隧道施工后，龍洞水流量于雨季比較接近于地勘資料所述平均涌水量，但在枯雨季則遠低于平均值，即龍洞水在枯雨季，水流量沒有以往豐富。至目前為止，龍洞在枯雨季每天仍有近50 m3的水量流出，足夠山谷中數百居民生活及生產所用。

水淹沱—茨竹壩—毛壩巖溶水系統的另一個主要排泄點——毛壩犀牛洞懸掛泉與隧道距離較遠(5 km左右)，其水位正常，利用該水源發電的毛壩水電站正常工作，能滿足全鄉用電需要;利用犀牛洞地下暗河天窗對毛壩鄉進行供水的毛壩抽水站亦能正常工作，滿足全毛壩居民生活之用，故圓梁山隧道施工對犀牛洞的水流量無影響。

綜上所述，圓梁山隧道向斜核部溶洞涌水對相距較近的地下暗河排泄點水流量有一定影響，而對相距較遠地勢更低的另一個地下暗河排泄點水流量基本上無影響或影響較小。

3.2 地表井泉水位監測

3.2.1 典型地表井泉

進行水位監測的地表井泉主要集中在距隧道中軸線南北兩側600 m內，主要有三股水1#、三股水2#、石水井、茨竹壩井和木林堡泉等，5個井泉中除三股水1#和三股水2#位于向斜西翼外，其余3個井泉均位于向斜東翼。5個井泉點與隧道平面位置如圖2所示。

三股水共包括2個小泉點，呈直線排列，幾乎與隧道中軸線平行，相距僅10 m左右。三股水1#位于近向斜核部西側的一大型槽谷底部，滲漏條件較好，即使在雨季其亦時常干枯;三股水2#位于槽谷壁上，距谷底高2～3 m，三股水2#由于地表徑流補給區較大，水量較充裕，即使在枯雨季也沒有干枯過。三股水2個井泉均未被當地居民生活及生產所用，所測量到的井泉水位受外界影響較小。

木林堡泉和茨竹壩井均位于向斜東翼、隧道南側、近核部軸線、處于F8斷層上、距隧道中軸線不足百米的一個較大的巖溶洼地中央，接受四周高地地表徑流補給。木林堡泉在雨季時，水位較高，較充裕;在枯雨季時，較茨竹壩井泉干枯得快，為一典型洼地季節性井泉。茨竹壩井可供茨竹壩村近百人生活用水，枯雨季水量少，滲水量能被當天用干，但至第二天時則又蓄水至一定水位;雨季時則井水取之不盡，不會干枯。

石水井位于向斜東翼、隧道軸線北側，距隧道中軸線不足500 m。根據地勘資料，石水井位于F9橫向斷層上，自地表水力坡度走向分析，其對隧道涌水相關性不大。

根據調查，在向斜地表核部，除有較多巖溶洼地外，還有數個巖溶漏斗，說明向斜核部地表與地下暗河系統的連通性較好。

3.2.2 監測方法及頻率

用長直尺直接測量或設立固定標桿測量，要求每次均在居民吃水以前且在同一時間進行。量測頻率為1次/(1～3)d。

3.2.3 監測結果及分析

隧道上方地表井泉水位變化曲線如圖5所示。

圖5 隧道上方地表井泉水位變化曲線Fig.5 Variation of water level of well springs above tunnel

由圖5可知:1)木林堡受大氣降雨的影響較大，曲線梯度變化明顯，在枯雨季，其干枯得較快，而在雨季又能維持在一定的高水位，表明木林堡地表徑流補給區較大，匯水面積較大，同時亦表明其下滲條件(即巖溶發育)相對要好一些;2)石水井、茨竹壩井水位變化幅度不大，受大氣降雨的影響不大，接受地表徑流有限，分析其主要是通過F7斷層和F8斷層進行水源補給，有較長、較穩定的補給源;3)三股水2個泉點位于大型槽谷底部，巖溶發育，使其下滲條件好，水位并不隨大氣降雨有明顯的變化(實際上，三股水2個泉點均得到了向斜另一側東翼的匯水繞軸補給)。

為分析隧道涌水對地表井泉水位的影響，將地表井泉水位、大氣降雨及隧道涌水量變化進行對比，具體情況如圖6所示。

由圖6可知:1)隧道于2，4，9月發生了3次涌水，但地表井泉水位于4月至8月基本上穩定在同一水平，并沒有因隧道大量失水而下降，僅僅是由于進入枯雨季，地表井泉9月水位有所下降。2)地表井泉水位變化曲線與大氣降雨量曲線的相關性更大，而與隧道涌水的關系不大，說明隧道涌水對地表水文環境的影響程度較小(即圓梁山隧道向斜段地表井泉水源均為淺層地表徑流補給，隧道涌水并不會疏干地表上所有的井泉點水源，對居民的生活影響有限)。

圖6 井泉水位、大氣降雨及隧道涌水變化曲線圖Fig.6 Comparison and contrast among well spring water level，rainfall and water burst

3.3 大氣降雨量監測

3.3.1 監測方法及頻率

在毛壩向斜區租用民房并設立臨時降雨量監測站，用氣象專用雨量儀進行量測，每天早晚定時觀測2次，同時記錄天氣情況和氣溫等。大氣降雨量監測頻率為2次/d。

3.3.2 監測結果及分析

自2002年1月1日開始進行大氣降雨量監測，數據統計至2003年5月20日。隧道上方毛壩向斜區月降雨量如圖7所示。

圖7 隧道上方毛壩向斜區月降雨量監測結果Fig.7 Monthly rainfall of Maoba syncline above tunnel

依據當地氣象站資料，隧道所在地每年降雨量均集中在4月至8月，故可認為隧道上方地表4月至8月為雨季，11月至次年3月為枯雨季，9月至11月為雨季向枯雨季過渡期。自4月進入雨季后，地表連續5個月的降雨量幾乎均在同一水平(250 mm左右)，并且降雨量較大的月份均出現過暴雨或大暴雨。如2002年4月16日，向斜地表降大暴雨，日降雨量達124.7 mm，為全年日降雨量之最，使2002年4月月降雨量上升到383.2 mm，亦為全年之最;2003年4月18日，向斜地表降大暴雨，日降雨量達73.5 mm，使2003年4月月降雨量上升到248.9 mm。由此可知，暴雨是月降雨量多少的主要原因。

圓梁山隧道向斜地表2002年9月1日至2003年5月20日隧道涌水與大氣降雨的時程對比曲線如圖8所示。

圖8 隧道涌水與大氣降雨曲線對比圖Fig.8 Comparison and contrast between water burst and rainfall

對比地表降雨曲線，可將隧道向斜段的涌水動態劃分為隧道與地表水力未連通、基本連通和完全連通3個階段。在未連通階段，即2002年9月1日至10月16日，隧道除9月10日一次突水涌砂事故引起水量增加外，其余時間內涌水曲線變化平緩，不受地表降雨的影響;在基本連通階段，即2002年10月17日至2003年4月10日涌水曲線有所起伏，變化幅度與隧道施工及地表降雨相關;在完全連通階段，即2003年4月11日后，隧道涌水大小基本上受地表降雨的影響，與施工過程相關性不大。

由圖8可知:1)在未連通或基本連通階段，即使是特大暴雨所引起的隧道涌水量亦沒有超過96萬m3/h;2)進入完全連通階段，地表中雨以上強度的降雨能引起隧道144萬m3/h以上強度的涌水量;3)2003年4月一次地表暴雨將隧道與地表基本連通的巖溶管道完全疏通，從而使隧道后續施工更加困難;4)在完全連通階段，地表暴雨對隧道結構的破壞作用最大，隧道內涌水最大，對施工的影響最大。

2002年11月至2003年3月地表降雨強度及密度明顯減弱，降雨量基本在20 mm以下，超過10 mm的雨量不多。10 mm以下的降雨基本上不會引起隧道涌水量的變化，故在枯雨季2002年11月至2003年3月進行隧道施工要相對安全一些，隧道突水涌砂的可能性較小。

4 結論與討論

1)隧道涌水可能對向斜區深層巖溶系統(如地下暗河水位等)有一定程度的影響，對地表淺層的巖溶水系統影響有限，即隧道失水對地表井泉水位影響較小。毛壩向斜地表居民在隧道修建后的10年內生活用水正常，地表植被能正常生長。

2)圓梁山隧道選定在分水嶺附近穿越向斜地層是合理的，可以將隧道施工對地表環境的影響降至最低。

3)通過對比地表大氣降雨及隧道涌水，可以評估出隧道與地表的水力連通性大小;通過分析降雨量，可以確定當地的雨季及枯雨季并尋找出大氣降雨規律。

4)若隧道已與地表產生水力連通，則應在枯雨季突破涌水溶洞，雨季施工時應進行分級管理(地表降雨量在10 mm以下時可安全施工)。

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