巖溶隧道涌水來源及對地下水環境的影響

李志源 王維富 徐學存

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司節能環保勞衛研究所，北京 100081；2.浩吉鐵路股份有限公司，北京 100073）

在我國南方巖溶地區，巖溶泉及地下河是重要的供水水源［1］。鐵路隧道通過巖溶山區時容易發生突涌水災害，不僅給工程施工帶來困難而且會影響隧道區域地下水環境，可能造成周邊巖溶泉或地下河斷流甚至干涸［2-4］。發生突涌水災害時，查明涌水的來源和通道，判斷涌水點與周邊巖溶泉及暗河的關系，可以為查明隧道水源問題提供依據，對于隧道正常施工和周邊地下水環境保護具有重要意義。

由于巖溶發育的復雜性，傳統的水文地質調查等方法不易查明涌水來源和通道［5-7］，近年來常輔以同位素分析法、示蹤法、水化學分析等方法。李光偉等［8］通過分段監測巖溶泉水補給區河水流量，分析巖溶泉水化學特征，利用同位素分析法計算補給高程等，研究了保山隧道易羅池巖溶水系統形成機制。李云［9］通過示蹤試驗和水位監測，發現南山隧道與涂山湖水庫小湖存在3條導水性通道。范威等［10］在鐘家山隧道綜合利用水文地質調查、水化學分析法和示蹤試驗法，查明了F2和F3斷層是主要涌突水途徑。劉強等［11］通過高密度電法、化學示蹤法和地質雷達法，發現南石壁隧道突涌水主要由地表降水匯集而成。李方華［12］采用示蹤試驗、地下水化學組份測試、降雨量與地下水觀測等手段，分析了高家坪隧道周邊巖溶水系統的邊界和水力聯系。

萍樂坳陷帶一座鐵路隧道施工期間單點隧底涌水量最高約5 萬m3/d，對隧道正常施工和今后運營帶來較大的安全隱患，同時周邊村莊主要供水水源雞足寺暗河流量出現下降，引起糾紛已影響隧道正常施工。因此查明涌水來源及路徑，判斷對周邊水源的實際影響成為亟需解決的重要問題。通過水文地質調查初步判斷巖溶水徑流方向，以音頻大地電磁測深法和高密度電阻率法相結合的方法確認徑流通道，示蹤試驗法和動態監測法判斷隧道涌水與周邊水源關系，探討巖溶隧道涌水來源及對環境的影響，為巖溶區隧道安全施工和環境保護提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道情況

該隧道位于江西省分宜縣境內，起訖里程為DK1762+767—DK1765+165，長度2 398 m，單線隧道，進口內軌頂面標高130.217 m，出口內軌頂面標高117.988 m，最大埋深約355.3 m。隧道內設單面下坡，坡度為-5.1%，長度為2 398 m。

1.2 區域地質條件

隧道位于贛中地區，屬亞熱帶濕潤性氣候，年平均降雨量1 594.8 mm，降雨主要集中在4—6月。

隧址區處于萍樂坳陷帶西段，南鄰武功造山帶［13］。區內地層主要有二疊系中統小江邊組（P2x）、茅口組下段（P2m1）和茅口組上段（P2m2），二疊系上統樂平組官山段（P3lg）和老山段（P3ll），第四系上更新統沖積層（Q3al）。小江邊組為頁巖夾灰巖及少量燧石結核，相比茅口組泥晶灰巖透水性較弱。

隧址區褶皺構造有1 處向斜和1 處背斜，向斜軸部在地表DK1763+700—DK1763+750，軸向近東西向，兩翼地層傾角較陡；背斜軸部在DK1764+350 附近與隧道軸線相交，軸向同樣近東西向，核部受張拉作用，節理裂隙發育，巖體較破碎。

隧址區2 條斷層與隧道相交，F1 斷層在地表DK1763+700附近出露，走向近東西向，傾向小里程方向，傾角約78°；F2 斷層位于地表DK1764+000—DK1765+175左側約150～200 m，傾向線路，走向為NNE。

1.3 施工涌水特征

隧道施工揭露6處有水溶洞（表1），其中DK1763+777和DK1764+409處溶洞水量較大，分別使用波紋管改排至隧道排水溝，保留了原過水通道。

表1 隧道開挖揭露有水溶洞及涌水處理情況

施工過程中DK1764+490—DK1764+510 段未揭露大型溶洞，但開挖后該段隧底出現冒水，初次降雨后涌水量達2.5萬m3/d，并夾帶大量磨圓度較好的砂、角礫、卵礫石等。隨著充填物的流失，涌水水質逐漸轉清，徑流通道通暢后再次降雨最高涌水量達5萬m3/d，同時該區段隧頂先后出現2處相鄰的巖溶塌陷。該區段基底注漿加固后未再出現涌水現象，隧道竣工后，洞身出水點主要集中在DK1763+780 和DK1764+110附近，出水量2 000～7 000 m3/d。

2 巖溶涌水來源研究

為了查明主要涌水區段DK1764+490—DK1764+510 段涌水來源，在隧址區開展了野外水文地質調查和地表物探工作，調查巖溶發育形態和巖溶水出露規律，結合地質條件初步推測巖溶水徑流方向。采用音頻大地電磁測深法結合高密度電阻率法驗證推測，最后確認巖溶水主要來源。

2.1 地質條件分析

圖1 隧址區水文地質平面圖

水文地質調查結果見圖1。區內巖溶組合形態有峰叢谷地、溶丘洼地、坡立谷、槽谷等。隧道出口段西側1.5 km 有巖溶槽谷地貌，呈東西向條狀分布，長約3 km，南北向平均寬約300 m，兩側坡腳分布有巖溶泉和溶洞，地表水從兩側匯集后在槽谷東南側出口流出。隧道東側為峰叢谷地，孔目江上游分支涂塘水自北向南從此處流過，坡腳及谷地內分布多處巖溶泉和暗河，其中江下村附近集中分布有4處上升泉，流量均長期穩定在100 m3/d以上。

從巖溶組合形態和巖溶水出露規律來看，西側巖溶槽谷有利于地表水匯集入滲補給，地表高程在115 m以上，東側巖溶谷地集中分布巖溶上升泉，平均高程約78 m，因此初步推測隧道基底以下存在東西向徑流通道，地下水在西側槽谷地區接受補給后在東側谷地排出。

從可溶巖分布和地質構造條件來看，背斜軸部透水性較微弱的小江邊組地層位于茅口組底部，控制了地下水的活動深度，因此在背斜軸部可能沿茅口組灰巖和小江邊組泥頁巖的接觸面發育有東西向的徑流通道。

2.2 物探法

2.2.1 試驗方法

利用音頻大地電磁測深法和高密度電阻率法分別對深部和淺部異常進行探測，結果可互相驗證，提高可靠性［14］。如圖1 所示，在隧道西側南北向布設2 條測線，共完成2 400 m電磁測深和1 200 m電法測量。

2.2.2 試驗結果

音頻大地電磁測深法探測結果見圖2。可知：

1）在西測線里程1 100～1 200 段，高程200～100 m及50 m 以下，均出現局部的低阻圈閉、半圈閉異常，可判斷為溶洞發育。對應東測線1 080～1 150 段，高程50 m 以下，也出現局部的低阻圈閉異常，推測巖溶發育，東西方向連通性較好。該異常帶對應隧道里程DK1794+100附近。

圖2 音頻大地電磁法探測成果

2）在西測線里程1 520～1 560 段和東測線1 300～1 400 段，高程50 m 以下均出現條帶狀低阻異常，推斷存在斷層FD1，傾角約60°，傾向小里程方向，巖溶發育，導水性好。該斷層對應隧道里程DK1764+280附近。

3）在西測線里程 1 720～1 800 段高程 150 m 以下及東測線1 580～1 680 段高程100 m 以下，有較大規模的局部低阻異常，推斷為斷層FD2，傾向小里程方向，傾角約60°，溶洞發育，導水性較好。該斷層對應隧道里程DK1764+550附近。

圖3 高密度電阻率法探測結果

圖3 為高密度電阻率法探測結果，可見電阻率成像剖面圖中的低電阻率異常形態與音頻大地電磁測深探測結果有較好的吻合度，印證了斷層FD1和FD2的存在。

2.3 涌水來源分析

綜合地質條件分析和物探成果，可以判斷在背斜軸部兩側分別存在斷層FD1和FD2，導水性好，為良好的巖溶水徑流通道。巖溶水在西側巖溶槽谷接受地表水補給后，沿通道向東流動，遇到隧道開挖壓力釋放從隧底涌出，成為DK1764+490—DK1764+510 段涌水主要來源。

3 地下水環境影響

隧道周邊分布有北山口暗河出口、雞足寺暗河出口、江下泉群等巖溶地下水出露點，其中雞足寺暗河出口在隧道施工期間出現流量減少甚至斷流現象。通過現場示蹤試驗來判斷該暗河流量下降與隧道的關聯，同時調查監測周邊巖溶水點位，探討對周邊地下水環境的影響。

3.1 示蹤試驗

3.1.1 試驗目的和方法

F1斷層分布方向與雞足寺暗河出口相對應，斷層地表分水嶺附近為巖溶洼地，其中落水洞和漏斗呈串珠狀分布，推測與雞足寺暗河有關。

為了驗證這一判斷，在隧道西側巖溶洼地內一大型落水洞（參見圖1）中沿水流投放了1 kg 熒光增白劑，在隧道出口排水溝以及雞足寺暗河出口進行人工取樣檢測，監測示蹤劑濃度變化。

3.1.2 試驗結果

監測點試驗前熒光增白劑的背景值均為0，示蹤劑投放后濃度變化見圖4。可知，在隧道出口排水溝及雞足寺暗河出口均檢測到有示蹤劑排出，說明雞足寺暗河和隧道某一區段涌水具有同一補給來源。

圖4 接收監測點示蹤劑濃度變化曲線

在隧道出口排水溝檢出示蹤劑后，進入隧道對各涌水區段泄水孔出水取樣進行了檢測。各出水點示蹤劑最高檢出濃度見表2。可知，在洞內各出水點中DK1763+790—DK1764+050（F1斷層附近）區段示蹤劑檢出濃度最高，驗證了雞足寺暗河通過F1斷層接受地表降水補給。

表2 各出水點示蹤劑最高檢出濃度

3.2 水文調查監測

在雞足寺暗河等隧道周邊主要水源點位，進行了1 個完整水文年的調查與監測，觀察受隧道施工影響實際情況。

1）雞足寺暗河出口

據當地記錄，該暗河出口正常情況下雨季流量約10 000～15 000 m3/d，非雨季流量約200～500 m3/d。雞足寺暗河出口流量變化見圖5。可知，隧道涌水發生后，暗河出口在雨季最高流量約3 500 m3/d，非雨季流量約200 m3/d，隧道施工后暗河流量減少但未完全干涸。

圖5 雞足寺暗河出口流量變化

2）艾家水庫

艾家水庫位于隧道出口段右側約300 m 處，為小型（Ⅱ型）水庫，主要靠巖溶泉水和降雨補給。艾家水庫水位變化見圖6。可知，隧道涌水發生后，該水庫水位在雨季能升至高位，且維持至雨季結束，未受隧道涌水影響發生大規模滲漏。

圖6 艾家水庫水位變化

3）其他點位

經過1 個水文年的調查監測，發現隧道周邊的江下泉群、冉家泉水和霞貢塘壩上升泉，以及北山口暗河，均未發生流量異常減少情況。

3.3 環境影響分析

隧道DK1764+469—DK1764+531 區段隧底進行了全面注漿加固，注漿孔鉆至溶洞底板以下1 m，已將隧底存在的巖溶空洞封閉，封堵后該區段未再發生涌水現象，因此未對徑流帶下游江下泉群造成影響，同時鄰近的艾家水庫也未發生大規模滲漏。

如表1 所示，隧道開挖至F1 斷層附近，拱頂揭示串珠狀溶洞，左右兩側拱腰分布有溶槽。隧道施工將左右溶槽用混凝土完全封閉，阻斷了部分巖溶通道；拱頂巖溶水被引排入隧道側溝排走，減少了下游排泄量，是雞足寺暗河流量減少的主要原因。隧頂東側巖溶洼地也可為其提供部分補給，因此在雨季流量還能部分恢復。

4 結論

1）在向斜軸部沿小江邊組和茅口組接觸帶發育有東西向的巖溶強徑流帶，并接受西側巖溶槽谷地表水補給，是DK1764+490—DK1764+510 段隧底涌水主要來源。

2）隧道施工時在F1斷層附近封堵溶槽，排放巖溶水，改變了部分暗河水流向，是雞足寺暗河流量減少的主要原因。在DK1764+490—DK1764+510 隧底涌水區段注漿，有效封堵了涌水通道，未對下游江下泉群和鄰近艾家水庫造成影響。

3）水文地質調查可了解巖溶形態和區域構造分布規律，判斷巖溶水徑流方向；音頻大地電磁測深法和高密度電阻率法可分別對深部和淺部巖溶發育情況進行探測、確認；示蹤試驗法可以驗證隧道涌水與周邊水源補給來源的關系；動態監測法可以實際監測地表水源受隧道施工影響情況，判斷施工處理措施有效性。以上方法組合有利于巖溶區鐵路隧道調查、準確判斷巖溶隧道突涌水來源及對地下水環境的影響。