高速公路隧道施工對地下水環(huán)境的影響分析

李 陽，游哲遠(yuǎn)

（1.重慶高速巫云開建設(shè)有限公司，重慶 401147；2.招商局生態(tài)環(huán)保科技有限公司，重慶 400060）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及高速公路路網(wǎng)的不斷完善，我國隧道工程建設(shè)得到了前所未有的迅速發(fā)展。我國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家[1]。隧道是高速公路的重要組成部分，其施工建設(shè)顯著縮短了高速公路里程，提高了高速公路運行效率，但是，隧道工程的建設(shè)會產(chǎn)生一系列地下水環(huán)境問題，主要表現(xiàn)為兩種現(xiàn)象：一是隧道內(nèi)涌水，這將惡化圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致施工困難，增大工程造價，嚴(yán)重時或?qū)a(chǎn)生施工事故，造成人員傷亡；二是地表枯水，造成飲水困難。隧道施工期較長，會產(chǎn)生連續(xù)排放的施工廢水，如不進(jìn)行嚴(yán)格管理和控制，可能會對隧道內(nèi)地下水產(chǎn)生一定影響。

1 隧道建設(shè)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害實例

在隧道的建設(shè)過程中，可能會出現(xiàn)一系列的地質(zhì)災(zāi)害，這給隧道的施工安全以及建成后的運營帶來了很大影響，其中由地下水環(huán)境帶來的涌水影響非常大。此外，還有可能引發(fā)其他一系列地質(zhì)災(zāi)害，如突泥、地面沉降、塌陷等[2]。

2003年11月，西班牙南部一條高速鐵路隧道在施工過程中發(fā)生涌水，水量為800L/s，引發(fā)公眾抗議[3-4]。2010年9月，甘肅烏鞘嶺隧道開挖到Ⅵ級圍巖施工的地段時發(fā)生涌水事故，涌水量達(dá)8000m3/d，掌子面在166d里每天掘進(jìn)平均長度不到1.2m，工期嚴(yán)重延誤[5]。2013年11月，貴州三黎高速公路盤嶺隧道施工時多個工點發(fā)生未膠結(jié)富水壓性斷層破碎帶的涌水、突泥事故，涌水量達(dá)20000m3/d，突泥量達(dá)6000m3[6]。2016年11月，廣西省河池市河百高速3標(biāo)段平坎隧道發(fā)生透水事故，突泥量達(dá)10000m3，工期受到拖延，并造成5人死亡[7]。可見，在施工前，對發(fā)生涌水可能性較大的隧道進(jìn)行施工期水文地質(zhì)研究，加強超前地下水預(yù)測，提前制訂好排水方案及環(huán)境保護(hù)措施，對有效防止隧道建設(shè)施工期地下水環(huán)境影響帶來的地址災(zāi)害尤為重要。

2 建設(shè)項目概況

擬建隧道穿越橫斷山脈“西山梁子”，隧道全長11615m，最大埋深約1150m，屬特長隧道。該隧址處為橫斷山脈，山高橫坡陡峻，因地形狹窄，短距離內(nèi)難以展線完成升坡與降坡。為改善線性、縮短里程，減少挖方及防護(hù)工程，節(jié)省廢棄土石方處治工程，提高運營效益，建設(shè)該隧道。隧道進(jìn)口處于平曲線半徑為2600m，縱坡在-1.98%與0.4%的線形內(nèi)。

3 隧址區(qū)地下水環(huán)境現(xiàn)狀

3.1 地形地貌

隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕溶蝕中切割中山陡坡地形地貌，地形連綿起伏，溝壑縱橫，最高處海拔約為2930m，相對怒江高差約1875m，相對切割深度大于1000m，山體起伏很大，地形切割強烈；山體陡峻，山坡和谷坡坡度較大，一般在40°以上，溝谷多呈“V”形，縱向坡度大，階梯狀支溝發(fā)育。隧道進(jìn)口段位于西山東側(cè)，發(fā)育地表水系為木瓜樹河水系及支流；出口段位于西山西側(cè)，發(fā)育地表水系為勐勒河水系及支流。

3.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)出露地層主要為奧陶系上統(tǒng)（O3）、奧陶系中統(tǒng)（O2）、寒武系上統(tǒng)保山組中段（∈3b2）。隧道由進(jìn)口至出口穿4條斷層，依次為在K1+657處穿越票柴壩斷裂F93、在K6+922處穿越巖箐斷裂F94、在K10+983處穿越紅木嶺干張扭性斷裂F90、在K12+020處穿越大風(fēng)口壓扭性斷裂F58，全線穿越核桃坪復(fù)背斜。隧址區(qū)水文地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 隧址區(qū)水文地質(zhì)剖面

3.3 水文地質(zhì)特征

隧道通過區(qū)以碳酸鹽巖和砂泥頁巖互層組合為特征，地下水主要發(fā)育層狀巖類風(fēng)化裂隙潛水和層間承壓水，溶洞水不甚發(fā)育。

受分水嶺及背斜構(gòu)造影響，淺層地下水接受大氣降水補給，受微地貌控制，向附近溪溝排泄。這類地下水埋深一般變化較大，地下水埋深一般為30～50m，在山脊部位可能更大。層間承壓水接受大氣降水和淺層風(fēng)化裂隙水補給，徑流受巖性和構(gòu)造控制，在地下水運動受阻或含水層受到切割時，通常以泉的形式排泄。在隧址區(qū)這類地下水發(fā)育具有一定深度，但總體隨深度增加地層的含水性逐漸減弱。

3.4 隧道穿越地層巖性特征

K1+085～K1+657為奧陶系上統(tǒng)（O3）砂巖、粉砂巖、頁巖夾泥灰?guī)r；K1+657～K6+922為奧陶系中統(tǒng)（O2），巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖；K6+922～K10+983為寒武系上統(tǒng)保山組中段（∈3b2），巖性為頁巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r、石灰?guī)r；K10+983～K11+659為奧陶系中下統(tǒng)（O2），巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、頁巖；K11+659～K12+700為奧陶系上統(tǒng)（O3）砂巖、粉砂巖、頁巖夾泥灰?guī)r。

4 隧道施工對地下水環(huán)境的影響分析

4.1 解析法計算隧道影響半徑

采用解析法計算隧道影響半徑，公式如下：

式中：R為影響半徑，m；H為潛水含水層厚度，m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；W為降水補給強度，m/d；μ為重力給水度，無量綱；t為排水時間，d。

此次計算所需的滲透系數(shù)K采用區(qū)域水文地質(zhì)報告中的相關(guān)資料，并結(jié)合隧道附近已有資料及巖石試驗來確定；降雨補給強度W依據(jù)隧道穿越區(qū)，選取隧址區(qū)平均降雨量；含水層厚度H從各隧洞縱剖面量取平均值；排水時間t預(yù)計隧道開工到施工完成約5年（1825d）。參數(shù)取值及計算影響結(jié)果見表1。

表1 解析法計算影響半徑結(jié)果

由表1可知，隧道穿越含水層厚度較大的頁巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r、石灰?guī)r地層，預(yù)測影響范圍較大，影響半徑R為1155m；穿越粉砂巖、頁巖夾砂巖及灰?guī)r、泥灰?guī)r地層，預(yù)測影響范圍中等，影響半徑R為581～716m。

4.2 隧道涌水狀況分析與計算

隧道涌水量除受巖溶發(fā)育和水文地質(zhì)條件控制外，還具有季節(jié)性變化大的特點，因此預(yù)測隧道涌水量時，要分別計算正常涌水量與雨季最大涌水量值。涌水量預(yù)測正確性主要取決于對隧道充水條件的正確分析及計算參數(shù)和計算方法的合理選用。根據(jù)所取得的資料及對隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件的了解，擬選取地下水徑流模數(shù)法對隧道涌水量進(jìn)行分段評價。隧道處于分水嶺交界處，隧道涌水的主要來源為影響半徑內(nèi)的地下水，在此處假設(shè)影響范圍內(nèi)地下水互相流通，方便計算與分析，計算影響半徑為最大影響半徑，即1155m范圍內(nèi)。

（1）大氣降水入滲法涌水計算與分析。采用大氣降水入滲法計算如下：

式中：Q2為地下水涌水量，m3/年；W為年降水量，m；α為降水入滲系數(shù)，無量綱；F為影響區(qū)域面積，m2。大氣降水入滲法計算隧道地下水涌水量見表2。

表2 大氣降水入滲法計算隧道地下水涌水量

由此計算的涌水量Q是年平均量，實際區(qū)域降水存在時間與空間的分布不均，降水主要集中在5—10月，如果選擇雨季施工涌水量會更大。

（2）地下水徑流模數(shù)法涌水計算與分析。地下水徑流模數(shù)法預(yù)測涌水量，計算公式為：

式中：Qs為預(yù)測隧道正常涌水量，m3/d；86.4為換算系數(shù)；M為地下徑流模數(shù)，L/（s·km2）；A為隧道通過含水體地段的集水面積，km2。

根據(jù)徑流模數(shù)法計算，該隧道正常涌水量為11630m3/d，最大涌水量為1.5×11630=17445m3/d。地下水徑流模數(shù)法計算隧道地下水涌水量見表3。

（3）計算結(jié)果的印證、對比。降水入滲法計算的隧道正常涌水量為12422m3/d，徑流模數(shù)法計算的隧道正常涌水量為11630m3/d，兩者相差792m3/d，占降水入滲法計算的隧道正常涌水量的6.38%，占徑流模量法計算的隧道正常涌水量的6.81%。通過兩種方法計算得到的隧道正常涌水量計算結(jié)果相差不大，可以互相印證。

表3 地下水徑流模數(shù)法計算隧道地下水涌水量

根據(jù)以上估算結(jié)果和分析，推薦采用降水入滲法計算的隧道正常涌水量即12422m3/d（453.41萬m3/年）作為隧道涌水量。

5 施工期地下水環(huán)境保護(hù)措施與建議

（1）隧道穿越多條大斷層，對于斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育等地下水發(fā)育地段，根據(jù)隧道涌水量，建議采用封水隧道。并且應(yīng)該結(jié)合隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境的承受能力和施工經(jīng)濟(jì)條件兩方面因素控制隧道的涌水量，保持地下水環(huán)境的相對平衡。

（2）穿越復(fù)雜巖層的隧道施工應(yīng)制訂完善的施工方案，對圍巖應(yīng)進(jìn)行超前預(yù)注漿處理，加固圍巖，形成止水帷幕，注漿效果達(dá)到預(yù)定要求后方可繼續(xù)開挖。加強對軟弱圍巖和斷層破碎帶的支護(hù)，嚴(yán)密監(jiān)測隧道涌水量與位移量。如遇涌水突增和位移突變情況應(yīng)立即撤出人員及設(shè)備減少損失。

（3）對于出現(xiàn)涌水狀況的部位，應(yīng)加強對地下水涌水量的觀測和水質(zhì)分析，對涌水位置、涌水形態(tài)、涌水量大小、涌水量動態(tài)變化、含泥沙情況、水的侵蝕性等進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)控，及時評價涌水對地下水環(huán)境的影響。

（4）因為隧址所在區(qū)域為巖溶地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜、地質(zhì)研究程度較低、斷裂較發(fā)育，所以可能還存在尚未發(fā)現(xiàn)的斷裂、地下巖溶通道等影響地下水發(fā)育的其他因素，因此應(yīng)在施工階段進(jìn)一步加強隧址區(qū)水文地質(zhì)勘察工作，以保障施工安全。

6 結(jié)束語

在現(xiàn)有地質(zhì)和水文地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，對擬施工隧道進(jìn)行影響范圍、涌水量的預(yù)測和評價，這對保護(hù)隧道建設(shè)的地下水環(huán)境具有一定的指導(dǎo)意義。但因隧道選址所處區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，故應(yīng)在施工時加強水文地質(zhì)勘查工作，在保證施工安全的同時更全面地了解隧道建設(shè)對地下水環(huán)境的影響。