黔張常鐵路駝馬店隧道突涌水系統辨識

羅文藝

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著我國鐵路開發戰略的縱深推進，大量在建或規劃的鐵路隧道[1-3]不可避免地穿越巖溶山區。據不完全統計，國內外隧道日涌水量超過1萬m3的大型涌突水事件中，70%都發生在巖溶隧道中。渝懷鐵路圓梁山隧道[4-5]灰巖段施工發生嚴重涌水突泥事故，突水量達6 900 m3/h，總突泥量高達2 070 m3；宜萬鐵路馬鹿箐隧道[6-7]施工發生特大突水災害，最大涌水量達30萬m3/h，野三關隧道[8-9]發生大型突水、突泥事故，最大涌水量達30萬m3/h，涌泥及塊石量約5.35萬m3。由于巖溶發育的特殊性、復雜性，巖溶隧道施工極易發生突涌水災害，給隧道施工帶來極大影響。通過對隧道突涌水類型及突涌水系統辨識[10-11]方法和技術等研究，對駝馬店隧道DK48+918涌水點進行了突涌水的系統辨識，其成果為該涌水點施工措施的防治提供了重要的水文地質依據，對類似巖溶山區隧道勘察設計及施工突涌水災害的防治也具有重要的參考意義。

1 地質概況

駝馬店隧道為黔張常鐵路重要隧道工程，位于湖北恩施州咸豐縣土落坪村，屬亞熱帶潮濕濕潤型氣候，年平均降雨量1 500 mm，年最大降雨量2 251.3 mm。隧道地處鄂西南構造侵蝕、溶蝕中低山區，受溶蝕、侵蝕、剝蝕構造影響，巖溶地貌形態復雜多變。隧址區地面高程800～900 m，山體呈孤峰狀，坡頂基巖大面積裸露，多呈溶牙狀。隧道出口外側為土樂坪大型溶蝕洼地，屬典型溶丘洼地地貌。洞身出露地層巖性為寒武系中統光竹嶺組、茅口組灰巖，地下水類型主要為巖溶裂隙水。隧道區隸屬華夏和新華夏構造體系，大地構造單元屬揚子地臺，二級構造單元屬鄂黔臺褶帶，咸豐斜歪背斜東南翼，整個隧道為單斜地層，斷裂構造不發育，大地構造單元分區詳見圖1。

圖1 黔張常鐵路大地構造單元分區

2 巖溶隧道突涌水類型

根據隧道突涌水形式、涌水量、壓力大小及涌水特征，將巖溶隧道涌水類型分為滲(滴)水型，高、低壓涌水型和高、低壓突水型5種類型，見表1。從表1可以看出，巖溶隧道突涌水與隧址區巖溶發育情況，隧道與巖溶地下水系統的空間結構等密切相關。

3 巖溶隧道突涌水辨識方法

3.1 巖溶發育情況辨識及方法

根據勘察設計階段的不同分為宏觀和微觀兩個識別尺度。宏觀尺度主要通過遙感、多光譜、高光譜技術識別巖溶地貌、地層巖性、地質構造、巨型溶蝕裂隙、暗河及管道流等。查明隧道巖溶發育情況及程度、巖溶地下水系統空間格局、隔水層與含水層的總體分布特征，區域地下水的補、徑、排規律等。微觀尺度主要為1∶1萬或更大比例尺的區域巖溶水文地質調查，包括地質及地貌測量法等。

3.2 巖溶水系統特征辨識及方法

巖溶水系統[13-16]特征的識別包括巖溶水系統結構(單支狀、樹枝狀等)、含水介質類型及組成(溶蝕裂隙、巖溶管道及各自比重)、巖溶水系統邊界的確定、巖溶管道及與隧道的空間分布關系、水文地質參數的確定等。系統識別遵循室內分析與野外調查、地下探測與地表調查、定性分析與定量評價相結合。充分利用遙感、水文地質調查、物探、鉆探、試驗及水文監測等手段，盡量獲取巖溶水系統結構特征、降雨-流量等關鍵信息，辨識的主要方法如下。

表1 巖溶隧道涌水類型

(1)地下水示蹤試驗

在區域巖溶水文地質調查的基礎上，針對巖溶地下水系統補、徑、排特征開展地下水示蹤試驗[17-18]，查明巖溶管道的空間分布、涌水來源、巖溶水系統邊界等。通過地下水示蹤試驗所揭示的水文地質信息，研究巖溶管道發育規律、地下廊道系統結構特征等，進而分析隧道與巖溶管道的空間關系。

(2)地球物理、鉆孔探測

通過音頻大地電磁法[19-20]和高密度電法等地球物理探測手段，初步查明隧址區垂向巖溶發育情況及巖溶水動力分帶特征等，對物探揭示異常區，布設驗證性鉆孔查明巖溶發育情況、溶腔充填情況、圍巖含水介質類型等。

(3)高分辨率水文監測

根據區域地形地貌、巖溶地下水系統結構特征，建立降雨量站，巖溶地下水出露點(暗河、巖溶泉)流量、深孔水位監測點，獲得隧址區降雨量、洞身水壓力，地下水出露點流量等長序列、高分辨率水文地質數據。通過對不同期降雨監測數據統計分析，研究降雨動態過程特征，分析不同降雨強度、不同雨型下巖溶水系統對降雨的反饋過程。根據降雨-流量監測數據，繪制巖溶地下水水文過程曲線，研究巖溶水系統對降雨的響應規律、滯后及延遲效應等。根據巖溶水系統流量滯后降雨的時間，確定各子系統地下水流速，定性分析子系統到出口之間的巖溶發育程度。根據巖溶水系統流量衰減曲線，分析含水介質的退水規律，識別含水介質類型及組成等。

4 駝馬店隧道突涌水系統辨識

4.1 涌水情況簡介

駝馬店隧道位于恩施咸豐縣土落坪溶蝕洼地西側，隧道全長1 014 m，洞身屬溶丘洼地地貌，為單面坡傍山隧道。DK48+918段下臺階右側施工加深炮孔時，有水從炮孔中冒出。2016年5～7月，強降雨后，DK48+918隧底附近發生多處涌水，涌水點冒水高度達50～65 cm，淹沒填充面5～60 cm。實測洞口出水量為3.7萬m3/d，涌水給隧道施工造成了重大影響，洞內及隧道出口涌水情況見圖2。

圖2 DK48+918洞內外涌水情況

4.2 系統辨識方法和技術4.2.1 物探、鉆探

為查明該涌水點隧底巖溶發育情況，采用地質雷達對DK48+896～DK48+944段進行掃底探測，物探揭示DK48+900～DK48+944段深度0～20 m節理裂隙發育，巖體較破碎。根據開挖揭示及地質雷達探測異常，于DK48+915～DK48+939段布置43個豎向探孔。鉆探揭示DK48+915～DK48+924段(高程804.5 m)以下2～7 m溶腔、溶隙發育，溶隙最大寬約0.2 m，溶腔最大寬約2.5 m，DK48+924～DK48+939段隧底無異常。同時，在DK48+918斷面布置2孔15 m取芯鉆驗證溶腔充填情況，揭示溶腔無充填。為進一步探明溶腔范圍內隧道結構外空腔發育情況，在DK48+915、DK48+918、DK48+921斷面處布置了12個徑向探孔，探孔揭示結構外5 m巖體較完整，未揭示巖溶發育。DK48+918涌水點鉆孔平面位置及橫斷面特征見圖3。

圖3 DK48+918涌水點平面、橫斷面

4.2.2 地下水示蹤試驗

出現涌水后，對隧道進行了補充水文地質調查，調查發現洞身北側及東北側分布有較多串珠狀漏斗和小型溶蝕洼地。洼地及漏斗消水口附近分布有樹枝、樹葉和稻谷殼等，同時發現有少量青蛙出沒。根據施工揭示及涌水點的長期監測資料揭示，洞內雨季涌水出現有樹葉、稻谷殼及青蛙等。樹葉、稻谷殼和青蛙為天然的示蹤劑，有力證明涌水點的補給來源于洞身東北側溶蝕洼地和漏斗地表匯水。

4.2.3 高分辨率水文監測

黔張常鐵路將水文監測技術作為一道工序納入到超前地質預報中，2015年在距離隧址區5 km的青崗堡水庫建立了降雨量動態監測站。選取2016年6月21日、6月22日、6月24日3次典型涌水進行降雨-流量相關分析，其降雨量監測數據見圖4。

圖4 2016年6月21～24日降雨柱狀圖

圖4顯示6月21日：降雨從凌晨5時一直持續到上午10時，集中降雨持續達5 h，最大降雨量出現在上午7時，達21.6 mm，累計日降雨量55.3 mm，達暴雨級別。涌水從上午7時開始逐漸增大，8時20分達到最大，實測瞬時涌水量6 000 m3/h。涌水點水深達50 cm，涌水點至洞口填充面水深為5～50 cm，集中涌水持續時間約4 h。6月22日：凌晨4，5時突降小雨，22時降雨量達51.4 mm，集中降雨2 h，累計日降雨量70 mm，達暴雨級別。涌水從上午10時開始多處冒水，24時涌水量達到峰值，實測瞬時涌水量達8 000 m3/h。涌水點水深達60 cm，涌水點至洞口填充面水深為20～60 cm，集中涌水持續時間約5 h。6月24日：降雨從14時一直持續到23時，18時降雨量驟然增加，集中降雨持續約10 h，最大降雨量出現于19時，降雨量達15.5 mm，日累計降雨量61.6 mm，達暴雨級別。涌水從19時30分開始水量逐漸增大，21時15分涌水量達到最大，實測瞬時涌水量10 000 m3/h。涌水點水深達65 cm，涌水點至洞口填充面水深為35～60 cm，涌水持續時間約10 h。

2016年6月27日開始對該涌水點進行動態監測，監測涌水量如圖5所示。根據豐水季涌水量監測數據揭示洞內出現峰值涌水一般滯后降雨約2 h，實測最大涌水量為37 325 m3/d，平時若連續晴天，洞內涌水量較小。

圖5 DK48+918涌水量曲線

4.3 巖溶發育系統辨識

隧道北側及東北側地表為巖溶斜坡槽谷及溶丘洼地，小型洼地及漏斗分布較多，示蹤試驗揭示洞身東北側洼地和漏斗與隧道涌水點相通。6～7月為強降雨季節，大氣降雨由地表溶蝕洼地、漏斗呈面狀入滲及灌入式補給隧址區地下水，洼地和漏斗匯水為隧道涌水的主要來源。涌水點位于寒武系中統茅口組及光竹嶺組灰巖巖性接觸帶附近，接觸帶巖層產狀為N20°E/23°S，巖性接觸帶及NE向巖層產狀有利于地下水的存儲和運移，為管道流的形成創造了良好的溶蝕通道。大氣降雨沿溶隙及管道徑流，排泄于隧址區清水河，隧道施工揭露了該管道流的頂蓋，因強降雨導致原有管路排水不暢淤塞引發突涌水。涌水點流量隨季節動態變化大，來水快，消水也快。

鉆探、物探等巖溶水系統辨識技術揭示DK48+915.5～DK48+920.5段開挖面下2.0～5.0 m為溶腔主通道，水流由線路左側向右側徑流。從選取的3次典型涌水分析得出最大涌水滯后集中降雨約2 h，涌水點冒水高度最大高于填充面65 cm。根據流量與降雨的響應關系，結合區域多年最大日降雨量P5%(230 mm)，該涌水點預測最大涌水量達5萬m3/d，瞬時涌水量可達10 000 m3/h。

5 結論及建議

(1)根據隧道涌水量、壓力大小及涌水特征將巖溶隧道突涌水分為滲(滴)水型，高、低涌水型和高、低突水型5種。其中高壓突、涌水對隧道施工安全影響最大，勘察設計及施工階段應對該類型突涌水進行系統、科學辨識。

(2)通過對隧道涌水形式、涌水量、壓力大小等涌水特征進行綜合分析，巖溶隧道突涌水與隧址區巖溶發育情況、巖溶水系統結構特征密切相關。可采用宏觀和微觀兩個尺度識別巖溶發育情況，水文地質調查、地球物理、鉆孔探測、地下水示蹤試驗、高分辨率水文監測等方法和技術能有效對巖溶水系統結構特征進行系統辨識。

(3)通過3次典型降雨-流量相關性分析，監測降雨量達小時毫米精度，直觀準確地揭示了不同降雨量、降雨強度與出水量的響應規律、滯后和延遲效應等，為管道型巖溶突涌水施工處理措施的制定及應急搶險提供了精細的水文地質數據。

(4)突涌水的系統辨識是一種宏觀、半定量的評估方法。采用物探、鉆探、地下水示蹤試驗及高分辨率水文監測等技術對駝馬店隧道DK48+918突涌水進行了系統辨識，查明了涌水來源、隧道與巖溶管道系統的空間關系，結合高分辨率水文監測數據對涌水量進行了預測計算，系統辨識結論為該涌水點最終采用泄水洞疏導為主的方案提供了重要的水文地質依據。