巖溶隧道工程修建對地下水環境的影響

趙瑜，胡波，陳海林，向偉

(重慶大學 a.土木工程學院;b.庫區環境地質災害防治國家地方聯合研究中心，重慶 400045)

中國交通事業的發展日新月異，隧道工程不僅越建越多，而且越建越長。有效的交通在很大程度上依賴于具有良好線形的公路和鐵路隧道[1]。經統計，中國己建長隧道(長度大于3 km)中的41.27%的隧道在修建過程中幾乎不同程度遇到了地下水的危害，并產生了隧道涌突水、區域地下水位下降、巖溶塌陷、地下水污染和生態環境退化等一系列的地下水環境問題[2]。巖溶地區隧道地下水涌水問題是長期以來難以突破的水文地質難題。富水巖溶地區地下水不僅危及施工安全、影響施工進度，而且在隧道施工期大量輸排地下水情況下極大地惡化當地環境。2016年《環境影響評價技術導則》[3]的修訂則突顯地下水環境影響研究的必要性。掌握隧道工程因素以及隧道施工和運行不同時期對地下水環境的影響規律，是對地下水環境進行科學評價的理論基礎[4]。

巖溶地區地質條件復雜，滲流參數是局部和粗糙的，因此,裂隙巖體系統水力參數的確定非常困難。人工智能、BP神經網絡等非線性研究工具的興起，對參數反演這一問題開辟了新的思路。許多學者將遺傳算法和神經網絡用到參數反演中[[5-9]，結果表明遺傳算法和神經網絡均能得到滿意的結果。巖溶區隧道地下水與環境相互作用及相互影響已有不少研究[4,10-18]，隧道工程“以排為主”的設計原則已不能適應當前水環境保護的要求，而完全封堵地下水又會使隧道襯砌難以承受巨大的水壓力，如何控制隧道施工期和運行期的排水量成為了隧道排水設計的關鍵。目前對于隧道施工排水量與地下水自動修復時間的研究仍處于薄弱階段。針對于此，采用Visual Modflow建立了隧道滲流模型，基于遺傳算法優化BP神經網絡并對滲透參數進行反演，研究了隧道工程因素中埋深、排水量對地下水位變化、降落漏斗范圍的影響規律，分析了隧道施工期和運營期的地下水環境變化規律，為隧道安全施工和地下水環境保護提供理論參考和依據。

1 隧址區水文地質分析

1.1 隧址區構造

川東地區地質構造主要以隔檔式構造為主。即由一系列平行的背斜和向斜相間組成，其中背斜是窄而緊閉的，形態完整清楚，呈線狀延伸；而兩個背斜之間的向斜則開闊平緩。圖1為研究隧道穿越典型川東隔擋式構造山剖面圖，背斜核部為二疊系上統長興組(P2c)，兩翼依次為三疊系飛仙觀組(T1f)、嘉陵江組(T1j)、雷口坡組(T2l)、須家河組(T3xj)及侏羅系地層(J)。

重慶軌道交通六號線Ⅱ期工程中梁山隧道中梁山區域—觀音峽沖斷背斜即為典型的隔擋式背斜。背斜軸部位于山頂巖溶槽谷下(隧道穿越地層P2c上方)，兩翼分布有巖溶槽(地層為T1j、T2l)。該背斜特點導致其隧道修建主要存在以下問題：1)高水壓。背斜核部為碳酸鹽巖和碎屑巖類為主，給地下水提供了良好的賦存條件，而背斜兩翼隔水層，地下水區域徑流緩慢，使得背斜核部巖溶賦水層位內的水位普遍較高，而隧址區巖層傾角較大，易形成地下水徑流(隧址區為巖溶水(地層為T1f1、T1f3、T1j、T2l)和裂隙水(地層為T3xj2、T3xj4)為主)。2)地下水環境復雜。背斜以可溶性巖和不可溶性巖交叉發育，巖溶發育，與一般的地下水徑流存在很大的差異，其水壓大小與溶洞形態、大小密切相關。3)難恢復。背斜窄而緊閉、向斜則開闊平緩、且由于背斜延伸長，地下水區域徑流緩慢、排泄不暢，隧道開挖排水情況下，一旦超過了其恢復能力，將很難恢復，對自然和地下水環境影響很大。

圖1 觀音峽隔擋式構造水文條件典型剖面Fig. 1 A typical section of hydrological conditions of Guan

1.2 工程概況

重慶軌道交通六號線二期工程中梁山隧道為單洞雙線輕軌專用隧道，該隧道設計縱坡呈“人”字坡，里程YDK47+509～YDK49+050段設計縱坡3.000‰、里程YDK49+050～YDK52+173段設計縱坡-21.000‰，進洞口軌頂設計高程309.789 m、里程樁號YDK49+000處軌頂設計高程312.412 m(隧道最高點)、出洞口軌頂設計高程246.829 m；隧道跨度：最大開挖寬12.720 m(IVB斷面)、凈跨9.600 m，隧道高度：最大開挖高10.621 m(IVB斷面)、凈高8.104 m。

1.3 隧道涌水、排水分析

中梁山隧道于2010年開始掘進，根據隧道進、出口的涌水量監測結果，進口出水量在85.19～3 894.96 m3/d，平均日出水量約710 m3/d；隧道出口出水量在499.79～3 894.96 m3/d，平均日出水量約1 821 m3/d，隧道建設將導致大量的地下水排出。2012年1月在2#通風斜井掘進至鄭家院子煤窯(KD1)，造成了隧道涌水量突然增大，KD1流量迅速減小并最終干涸。2012年1月，隧道掘進至孔雀谷附近時，水庫在幾天時間內完全干涸，在經過治理后水庫又重新開始蓄水。經分析，此階段為地層T3xj3進入地層T3xj2，裂隙發育，表層水與地下水聯系緊密。2012年4—5月，隧道掘進至T1j含水層，隧道涌水量增大明顯，最大達3 849 m3/d。如圖2所示。可以看出，巖溶隧道在從隔水層到含水層界面處涌突水風險最大。

圖2 中梁山2#隧道進出口總出水量變化圖Fig. 2 Variation of total water yield of 2# tunnel ingress and egress in Zhongliang

2 三維模型建立和參數反演

2.1 三維模型建立

以上述隧道地形建立地質模型，以三疊系嘉陵江組(T1j)、三疊系中統雷口坡組(T2l)、三疊系飛仙觀組(T1f1、T1f3))在模型中作為主要含水層，三疊系上統須家河組二段和四段(T3xj2、T3xj4)作為含水層。山體東、西兩側的侏羅紀中統沙溪廟組(J2S)、侏羅系下統珍珠沖組(J1z)作為弱透水層；其外的侏羅系地層(J1-2zl+J2x)作為隔水層處理。

根據區域水文地質資料、現場調查確定以隧道所在的水文地質單元為分析模型區域。長(沿中梁山走向)為11.6 km，寬(隧道軸線方向)為5.4 km，底部高程為0 m，劃分單元格300×110×10個。三維地質模型如圖3所示。模型采用等效連續介質模型。

圖3 三維地質模型Fig. 3 Three-dimensional geological

2.2 地層參數選取

按不同地質地層賦滲流參數，參考勘察報告及區域水文地質資料的作為初始值。并按照平面上出露的巖性分布及地表地形進行分區賦值。給水度近似于空隙裂隙度，根據地區經驗孔隙度作為儲水系數。地層滲透系數選取如表1所示。

表1 地層滲透系數選取Table 1 Selection of coefficient of permeability

2.3 參數反演

地層初始滲透系數結合勘查報告和經驗選取，通過Modflow數值模擬軟件模擬地下水位初始滲流場。不同滲透系數反應地下水位變化，記錄每組滲透系數值和觀測水頭值。遺傳算法種群規模為10，進化次數50次，交叉概率為0.3，變異概率為0.1。神經網絡的輸入層6個節點，隱含層5個節點，輸出層8個節點。為了得到更多的訓練樣本，采用有限元對三維滲流進行計算，得到100組訓練樣本。把計算水頭當作輸入訓練樣本，滲透系數作為輸出樣本，觀測水頭是鉆孔取得的實際水位值，當作預測數據。利用遺傳算法優化神經網絡的手段，對滲透系數值進行反演。參數反演結果如表2所示。

表2 參數反演結果

圖4 反演擬合曲線Fig. 4 Tnefitting curve of

圖4為反演擬合曲線。水頭校正是用已知的水頭和對應的計算水頭比較，兩者間的誤差在精度范圍內說明模型準確，達到模擬精度，可以采用該模型進行數值模擬分析。根據勘察資料，隧址區分布有6個鉆孔，通過鉆孔可以直接得到該鉆孔水位。在模型中添加6個觀測井，將計算水位和觀測水位進行對比，如表3所示。

表3 觀測點誤差統計Table 3 The error statistics of observation point

從表3可以看出，對比6個觀測井，所有點都落在置信區間內，誤差均小于0.5 m，符合國標要求。后面將采用該反演結果進行數值模擬分析。

3 隧道工程因素對地下水環境的影響規律

校正好的模型符合真實的地質條件，可以用來模擬隧道施工滲流場的演變規律，模擬的穩定流水位作為非穩定流的初始水位。圖5為初始水位等值線圖。

圖5 初始地下水位Fig.5 Initial groundwater

3.1 隧道高程對地下水環境影響規律

模型原型隧道進洞口軌頂設計高程309.789 m、隧道最高點設計高程312.412 m、出洞口軌頂設計高程246.829 m。隧道高程越高，埋深越小，同時相對于地下水位埋深越小。根據隧道排水量監測結果，現設定排水量為2 500 m3/d，分別設置隧道高程為250、300、350、400 m，分析不同埋深條件下隧道施工對地下水環境的影響。

圖6 不同隧道高程的滲流場圖Fig.6 The seepage field of tunnel with the different

圖6為不同隧道高程(埋深)條件下的地下水位圖。從圖6可以看出，隧道施工時持續排水，隧道高程越低，即天然水位相對越高，隧道處水頭越高，地下水位降深越大，降落漏斗范圍越大，地下水流失量越大。降落漏斗影響范圍并不嚴格的沿隧道軸向對稱分布，降落漏斗范圍呈現出隧道北側大于南側，西側大于東側。這與隧道兩側相對水頭高度和地下水徑流有關，南側補給范圍更廣，影響較小，北側為觀音峽背斜北部邊界，與嘉陵江相鄰，其地下水儲存量較小有關；同時，隧道出口(西側)埋深低于進口(東側)。在隧道開挖后，沿線含水層被破壞，水位降深很快，影響范圍較廣。

圖7 最大地下水位降深和降落漏斗范圍隨隧道高程變化曲線Fig.7 The maximum water level drawdown and scope of depression cone with different tunnel

從圖6和圖7可以看出，隨著隧道高程的增大，地下水位降深減小，降落漏斗范圍變小，隧道高程升高150 m(即地下水位相對下降150 m)時，最大地下水位降深減小約50%，降落漏斗范圍減小約50%；在高水位、排水量較大情況下，地下水環境改變明顯，最大水位降深達到了97 m。隧道高程增大后圍巖處水頭降低，孔隙水壓力減少，在同等隧道堵水措施條件下，隧道滲水量減少?？梢?，隧道選址高程在地下水位之下時，應盡量淺埋，既保證隧道施工安全，又減少對水環境的影響。

通過對數值分析結果進行總結，富水巖溶區在施工期排水量較大情況下，水位降深和降落漏斗范圍均變化很快，施工期地下水環境保護工程控制方法及措施：在富水巖溶地區，應盡量選擇高位隧道。根據相關文獻分析[18-19]，高位隧道施工風險低，對襯砌和注漿要求均較低，高位隧道對地下水環境影響較小，且增加隧道高程效果顯著。

3.2 排水量對地下水環境影響規律

根據隧道施工期進出口排水量監測結果，平均排水量約2 531 m3/d，分別模擬排水量為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 m3/d的滲流場，探討不同的排水量對地下水滲流場的影響，各排水量條件下滲流場(90 d)如圖8所示。

從圖8和圖9可以看出，模擬表明：隧道施工期排水量為500 m3/d時，在90 d后地下水位降落漏斗已經形成。降落漏斗范圍沿隧道軸線并不嚴格對稱，與不同高程類似，北側大于南側，西側大于東側，分析其原因，隧道西側(出口)隧道高程較東側(進口)低，排水量較東側(進口)大。隨著隧道排水量的增加，地下水環境影響范圍和最大水位降深均加，隧道排水量從500 m3/d增加到3 500 m3/d時，最大地下水位降深增加了約4倍，地下水影響范圍增加約1倍。

圖8 不同排水量的地下滲流場圖Fig.8 The seepage field with different water discharge

圖9 最大地下水位降深和降落漏斗范圍隨排水量變化曲線Fig.9 The maximum water level drawdown and scope of depression cone with different water

3.3 施工期地下水環境隨時間的變化規律

假設隧道施工期間排水量為2 500 m3/d，根據隧道施工進程，隧道施工工期為2年，分為8個應力期，每個應力周期為90 d，模擬隧道非穩定滲流的動態變化，如圖10所示。經分析，地下水位變化很快的可能原因為巖溶區隧道一旦穿越含水層，其地下水位迅速下降。調查發現，隨著地下水位的下降，地下水與地表徑流發生相應改變，直接造成了隧址區巖溶泉的出水量減少甚至消失、機井水位的下降或者干涸。地下水位下降同時造成原來農田的含水量降低，甚至變為旱地。

圖10 隧道施工期間地下水滲流場Fig.10 The seepage field during tunnel

3.4 運營期地下水環境隨時間的變化規律

模擬發現，隧道完工后地下水位降深最大達到97 m，影響范圍2 km。說明隧道開挖破壞了地下水循環系統，改變了滲流路徑。通過圖10滲流場變化可以看出，影響最大的是隧道軸線頂部以上部分?，F分別模擬運營期為0.5、1、2、3、5、10、20 a時地下水滲流場，如圖11所示。

觀測井水頭的變化即地下水降深。從圖11可以看出，隧道運營1 a內地下水位上升較快，隧道軸線頂部降落漏斗慢慢減小。5 a后減小到約30 m處，之后隨著時間推移，地下水位基本穩定，降深維持在約30 m。分析其原因是隧道開挖破壞了地下水循環系統，同時改變了地表水徑流，使得水位難以恢復到初始水位。隧道完工時降落漏斗范圍向隧道中線兩側延伸2 km，5 a后影響范圍擴大到約4 km，以后不再發生較大變化。

圖11 隧道地下水位降深時間效應Fig.11 The time effect of groundwater level

經分析，由于隧道運營期間堵水作用，隧道兩側較遠區域地下水向隧道軸線附近區域補給，使得隧道軸線附近水位有所上升，然而影響范圍卻向兩側逐漸擴展。通過調查和監測發現，重慶軌道交通六號線二期中梁山隧道施工期間大量疏干地下水，對周邊環境造成不可恢復的影響。

實際工程中人們更關注運營期地下水環境情況。根據數值模擬結果，結合工程經驗和相關研究[4,18]，運營期地下水環境保護控制方法及措施：主要是控制好隧道施工期排水量，同時減小運營期滲水量(如施工階段進行注漿、襯砌等方法加大圍巖和隧道的抗滲性)，可有效保護地下水環境。

4 結果分析

隧道工程與水環境的相互作用包括水環境對隧道工程的作用和隧道工程對水環境的反作用2個方面。水環境對隧道工程的作用表現為隧洞涌漏水和承受水壓力。隧道工程對水環境的反作用導致洞頂的環境災害：隧道涌排水使地下水逐漸疏干，使地下水位不斷下降，地下水疏干漏斗不斷擴大，水環境失去平衡。而如何平衡這兩方面關系則是隧道設計的關鍵。

中梁山觀音峽背斜由南至北地質構造較為相近，對已建成的隧道對地下水環境影響進行分析對于未來隧道修建的環境影響有重要的借鑒意義。

表4 中梁山南側部分隧道工程與地下水相互作用[19,有改動]

圖12 模擬與實際結果對比圖Fig.12 Comparison of simulation and actual

通過表4和圖12分析可知，中梁山隧道工程的影響均在所處的局部系統范圍內，各隧道影響程度有限，并未影響至深部徑流的地下水。從圖12(a)和12(b)、12(c)和12(d)對比分析可以看出，模擬結果和調查結果均顯示隧道高程對地下水環境影響很大。模擬結果基本符合實際情況。但需要注意的是本次模擬均只模擬了一條隧道，而研究區兩側均有隧道(歇馬隧道在其后修建)，隧道修建后地下水影響范圍和最大水位降深可能與實際有細微出入。

5 結論

1)對隧址區水文地質進行分析，總結出巖溶地區隧道難題：高水壓、地下水環境復雜、難恢復的特點，其主要地層含水為巖溶水(主要地層為T1f1、T1f3、T1j、T2l)和裂隙水(主要地層為T3xj2、T3xj4)，隧道施工期間涌水和排水量均表明巖溶地區隧道施工隔水層和含水層交界處涌水風險非常大，應注意防排水措施。

2)采用遺傳算法優化BP網絡方法對含水層滲透系數進行參數反演，通過與調查結果對比，模擬結果理想，表明遺傳算法優化BP網絡方法在參數反演的可行性，以及模型概化的準確性。

3)分別對隧道工程因素中的隧道埋深和排水量對地下水環境的影響進行了模擬。結果表明，隨著隧道高程的增大，地下水位降深減小，降落漏斗范圍變小；隨著施工期排水量的增大，最大地下水位降深增加，降落漏斗范圍變大；研究區降落漏斗范圍并不嚴格對稱分布，呈現出西側大于東側、北側大于南側的趨勢。富水巖溶地區開挖隧道對地下水環境影響很大，隧道選線時應盡量選擇高位隧道和控制施工期排水量。

4)分別對隧道施工期(2 a)和運營期(20 a)進行地下水滲流場模擬，結果表明，施工期內，降落漏斗在建設初期就已初步形成；運營期內，地下水位在1年內恢復較快，5 a后基本達到穩定狀態。在現有施工排水量情況，如果不采取相關措施，隧道地下水環境20 a內并不能完全恢復。

5)隧道開挖使原來的滲流場發生變化，當排水量較大時，即使滲流場穩定后，地下水也難以恢復到初始水平；中梁山地區隧道建設應該加深分析隧道群對地下水環境影響，同時在施工過程中應該采取相應的控制措施。