重慶中梁山北段隧道堵水后地下水環境可恢復性初步探討

劉智 盧丙清 曹聰 孫一博

摘要：重慶中梁山北段地區因隧道修建導致地區地下水環境遭受強烈破壞，本文選取已建歇馬隧道為研究對象，在充分了解掌握地區水文地質條件的基礎上，通過區域地下水位發育高程，搜集隧址區水文地質環境資料，分別計算隧道在排水和堵水條件下，一定時間內對地區地下水疏干情況以及恢復情況，從而科學合理的進行隧道影響評價及結論。

關鍵詞：隧道；水文地質條件；三維數值模擬；地下水疏干情況

1 研究背景

歇馬隧道位于“四山”區域的中梁山北段，區內干堰塘一帶為整個中梁山僅有的兩處地下水資源未遭受破壞的區域之一，分布有多處巖溶大泉和水庫魚塘，地下水資源較為豐富，老百姓灌溉、飲用等均在使用地下水。歇馬隧道正好從該區域地下穿過，屬典型的水平循環帶以下深部巖溶中穿行隧道，研究其對水環境破壞及堵水后可恢復性，對中梁山北段乃至整個“四山”地區其他具有類似地質條件的隧道規劃建設具有很高的借鑒意義。

基于上述背景，本文選取歇馬隧道作為研究對象，分析區域地下水環境特點，搜集隧址區水文地質環境資料，分別計算隧道在排水和堵水條件下，一定時間內對地區地下水疏干情況以及恢復情況，初步探討其對水環境破壞及堵水后可恢復性初步探討。

2 基礎地質特征

2.1 地形地貌

工作區山體呈“一山三嶺夾兩槽”的形式，最高點高程707m，最低標高為250m，相對高差457m。

2.2 地層巖性

工作區出露地層由老至新分別為二疊系上統長興組（P2c）、三疊系下統飛仙關組（T1f）、嘉陵江組（T1j）、中統雷口坡組（T2l）、上統須家河組（T3xj），侏羅系下統珍珠沖組（J1z）、中下統自流井組（J12z）、中統新田溝組（J2x）、中統沙溪廟組（J2s）以及第四系松散堆積物構成。

2.3 地質構造

工作區具體構造部位為觀音峽背斜中段。該背斜為緊密褶皺，巖層產狀在兩翼陡，中部較平緩，其西翼地層產狀260～285°∠50～84°，局部反傾。東翼地層產狀85～110°∠40～82°，近軸部巖層傾角10～25°。

2.4 巖溶地質

工作區巖溶主要發育于三疊系下統飛仙關組（T1f）、嘉陵江組（T1j）和中統雷口坡組（T2l）地層的薄～中厚層狀灰巖、鹽溶角礫巖及白云巖為主，受地形地貌和地質構造影響明顯。

2.5 含水巖組的劃分及富水性

根據調查，區內主要有以下三種主要地下水類型：

①極富水的碳酸鹽類巖類巖溶水含水巖組：主要由三疊系下統嘉陵江組和中統雷口坡組（T2l）等含鹽溶角礫巖、石膏層的可溶性碳酸鹽巖類組成，屬極富水的含水巖組。

②中等富水的層間承壓孔隙裂隙含水巖組：主要由三疊系上統須家河組（T3xj）厚層長石石英砂巖、巖屑砂巖等組成，屬中等富水的碎屑巖含水巖組。

③弱富水的基巖（紅層）裂隙水含水巖組：主要以侏羅系（J）的紫紅色泥巖夾薄層砂巖等組成，屬弱富水的含水巖組。

3 歇馬隧道堵水前后隧道涌水量動態變化情況

根據歇馬隧道水文地質環境監測資料[3]顯示：

（1）2015年9月隧道開挖掘進至雷口坡和嘉陵江巖溶地層之后，隧道涌水量突增，在此期間，主要的堵水方式是對股狀涌水點進行注漿封堵，為進行全斷面治理，堵水效果不明顯。11月掘進至嘉陵江2段時，涌水量達到峰值，雙洞總涌水量達到10600m3/d。

（2）2015年12月起，設計和施工單位對堵水方案進行了調整，分區分段，采取了普通注漿、全斷面徑向注漿封堵、巖腔的襯砌加固等措施。之后進（出）洞口涌水量都出現了較為明顯的下降，至2017年2月，雙洞總涌水量為3300m3/d，堵水效果較為明顯。

（3）根據監測情況顯示，歇馬隧道總體堵水率為67%，低于全斷面注漿堵水段落堵水率（90%）。這主要是由于變更堵水設計之前，部分段落已進行了二次襯砌，導致施工條件困難，若從施工開始即采用分區分段堵水措施，實際涌水量將進一步降低。

4 隧道對地下水影響的三維數值模擬

根據歇馬隧道堵水前后的隧道涌水量，分別計算隧道在排水和堵水條件下，一定時間內對地區地下水疏干情況以及恢復情況。

4.1 方法選取及模型概化

本次數學模擬計算采用的是美國地質調查局（United States Geological Survey）開發的VISUAL MODFLOW軟件。根據對研究區水文地質條件及邊界條件的分析，依據滲流連續性方程和達西定律，可將研究區水文地質概念模型概化為非均質各向異性三維非穩定流，其數學模型如下式所示：

[JP4]xkxHx+ykyHy+zkzHz+ε=0[JP]x，y，z∈Ω

Hx，y，z，t=H0x，y，z，0x，y，z∈Ω

KHn|Γ2=qx，y，z，tx，y，z∈Γ2，t0

式中：x—東西向坐標，y—南北向坐標，z—垂向坐標；kx，ky，kz—分別為沿x，y，z坐標方向的滲透系數函數（m/d）；

H—某空間的（x，y，z）在t時刻的水頭函數（m）；

H0—某空間的（x，y，z）在t0時刻的水頭函數（m）；

ε—源匯項（l/d）；t—時間（d）；Ω—模擬區；Γ2—第二類邊界；

n—邊界面的外法線方向；

qx，y，z，t—第二類邊界上已知流量函數；

4.2 隧址區模擬范圍及單元剖分

歇馬隧道位于研究區中部，在施工監測期間進行了地表水文監測，并掌握了該工程項目對隧址區地下水影響程度及范圍，可以作為模擬時的驗證手段。

本次模擬選取模型底板為0m高程，按照100m網格將其剖分。模擬隧址區X方向總長度5020m，Y方向總長度6934m，共剖分成347行，251列，單層單元格數目為87097個；垂向Z方向的高差最大約700m，劃分為10層，模型總共870970個單元格。模擬區總面積為31.3km2。

并按照含水性質進行水文參數賦值，各地層滲透性K取值基于《歇馬隧道專項水文地質勘察報告》滲透系數，降雨量采取區域內的多年平均降雨量1163mm，并按照平面上出露的巖性分布及地表地形進行分區。

4.3 隧址區排水條件下模擬

在建歇馬隧道北側還分布有已建軌道6號線隧道隧道，據《歇馬隧道專項水文地質勘察報告》資料[2]，未采取有效堵水措施之前，兩條隧道總排水量分別能達到9728m3/d、7970 m3/d。

根據數值模擬結果，按照2015年11月隧道涌水量疏干后，歇馬隧道北側至軌道6號線之間將完全疏干。南側疏干范圍存在差異性，其中西槽谷的影響半徑擴大在4公里左右，東槽谷的影響半徑在3公里左右。

4.4 隧道堵水條件下模擬

通過有效堵水措施，歇馬隧道涌水量減小之后，通過一個完整水文年的監測情況，隧址區東西東西槽谷的地下水均出現了不同程度的恢復。現在基于以上條件，在現狀模擬的基礎上，對隧道堵水后工況進行數值模擬，預測地下水位的恢復情況。

其地下水運動數學模型的建立和隧址區模擬范圍及單元剖分見上節。根據《歇馬隧道水文地質環境監測報告》，在采取有效堵水措施之后經過1個完整水文年的監測，2017年2月軌道6號線涌水量4640m3/d，在建歇馬隧道流量為3346 m3/d。將涌水量數據代入VISUAL MODFLOW軟件，預測在模型計算分別達到1825天（5年）、3650天（10年）穩定后，隧道對地區地下水疏干程度（見圖2、3）。

根據數值模擬圖分析

（1）隧址區在采取有效堵水措施之后，隨著地下水位的不斷恢復，地表疏干范圍將不斷減小。

（2）在堵水5年之后，隧道南側疏干范圍出現了較為明顯的減小，其中西槽谷影響范圍約3公里，恢復率為25%，東槽谷影響范圍約2.2公里，恢復率為27%，東槽谷的恢復速度略大于西槽谷。北側由于受到軌道6號線隧道疏干的共同影響，兩條隧道的降落漏斗相互交叉，在兩條隧道之間3公里的范圍內仍為一連續的疏干區。

（3）在堵水10年之后，隧道北側疏干范圍開始縮小，軌道6號線和歇馬隧道形成了各自獨立的降落漏斗，南側疏干范圍出現了進一步減小，最終疏干范圍在隧道軸線兩側0.50.9km，其中西槽谷的疏干范圍略大于東槽谷。

（4）以上模擬條件是基于隧道遭遇大規模突水，形成較大疏干范圍之后的恢復性預測。若在隧道施工過程中始終采取超前堵水措施，其影響范圍將進一步縮小。

5 結論

（1）1隧道開挖將形成較大的集水廊道，將會造成隧道上部較大范圍內的水源枯竭，按照2015年11月隧道涌水量疏干后，歇馬隧道北側至軌道6號線之間將完全疏干。南側疏干范圍存在差異性，其中西槽谷的影響半徑擴大在4公里左右，東槽谷的影響半徑在3公里左右。

（2）歇馬隧道堵水后經過一個完整水文年，隧道涌水量明顯減小，巖溶區地下水位也出現了不同程度的恢復。在此基礎上通過隧址區疏干影響范圍數值模擬結果顯示，隧址區在采取有效堵水措施之后，隨著地下水位的不斷恢復，地表疏干范圍將不斷減小，地下水環境是可恢復的。

參考文獻：

[1]DBJ50/T1892014，地下工程地質環境保護技術規范[S].

[2]重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶市一橫線歇馬隧道專項水文地質調查報告[R].2016.

[3]重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，歇馬隧道水文地質環境監測報告[R].2016.

[4]重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶市歌樂山高風險集鎮研究報告[R].2014.

[5]張慶松，韓才才，等.灰巖角礫巖破碎帶涌水綜合注漿治理 [J].巖土力學與工程學報，2012.12.

[6]任美鍔，劉振中，王飛燕，等.巖溶學概論[M].北京：商務印書館，1983.

[7]許模，毛邦燕，張強.現代深部巖溶研究進展與展望[J].地球科學進展，2008，23（5）：495501.

[8]宗堅.巖溶充填物突出機理與防治[J].中國巖溶，1991，10（2）：200204.