昭通隧道巖溶水文地質(zhì)特征及突涌水危險性評價

陳明浩 鄧宏科 張廣澤 付開隆

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

昭通隧道位于四川盆地南緣與云貴高原之間的斜坡過渡帶[1]，處于線路逐漸走高“上臺階”的地形梯度帶中。隧道全長 16 255 m，進口高程 1 532 m，出口高程 2 019 m，最大埋深990 m，縱斷面為30‰單面上坡。昭通隧道是渝昆高速鐵路的控制工程[2]，也是全線高壓富水巖溶隧道的代表性工程。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 氣象水文

測區(qū)屬康滇溫帶、暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，總體特點是溫涼，四季溫差明顯，干雨季分明。氣候明顯受地形影響，特別是受高程控制，垂直分帶性明顯，水平變化不大。研究區(qū)水系發(fā)育，屬長江水系之金沙江流域，隧道進口段發(fā)育龍?zhí)逗樱赡舷虮苯?jīng)洛澤河、關(guān)河，流入金沙江；隧道出口段發(fā)育廣東河，匯入段家石橋水庫，經(jīng)牛欄江流入金沙江。

1.2 地層巖性

隧址區(qū)早中泥盆世主要發(fā)育陸相、海陸交互相、濱海～淺海相砂巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖等，晚泥盆世主要發(fā)育淺海、海灣或瀉湖相灰?guī)r、白云巖；早石炭世大塘早期昭通一帶為濱海沼澤相含煤砂頁巖沉積，中晚石炭世為濱海、淺海相的灰?guī)r；早二疊世為濱海沼澤相含煤砂巖、頁巖夾灰?guī)r沉積，而后海侵擴大，直至茅口晚期，多為淺海相灰?guī)r沉積。隧道地層巖性特征如表1所示。

表1 昭通隧道地層巖性特征表

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)大地構(gòu)造背景位于揚子亞板塊之滇東拗褶帶，由一系列大致平行呈“多”字型排列的不同規(guī)模褶皺、壓扭斷裂和與其近直角相交的張性斷裂組成。北東向構(gòu)造為測區(qū)主干構(gòu)造，大致沿N40°E方向延伸，褶皺相對開闊平緩，協(xié)調(diào)對稱，局部受斷裂構(gòu)造破壞，完整性差，并有軸面倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隧道位于箐門背斜SE翼，穿過大關(guān)口斷裂以及派生的小褶曲、小斷層、節(jié)理裂隙等。

(1)箐門背斜

自箐門起往北東經(jīng)新華、花園，全長22 km。組成該背斜的最老地層為下泥盆統(tǒng)翠峰山組(D1c)，最新為上二迭統(tǒng)玄武巖(P2β)。西翼傾角30°～40°，東翼傾角20°～30°，兩翼不對稱。受新寨斷裂影響，北東段局部發(fā)生倒轉(zhuǎn)，軸面傾向南東，箐門以南被第三系不整合覆蓋，推測作為第三系的基底構(gòu)造往南西繼續(xù)延伸。

(2)大關(guān)口斷裂

斷裂近南北向，傾西，傾角80°，中部略向西凸出，往北經(jīng)小龍洞、魯門、郭家坪、山王廟、水營和老營盤，全長42 km。兩側(cè)地層產(chǎn)狀紊亂，巖體破碎，局部地段擠壓成透鏡體，透鏡體長軸與斷裂走向一致，片理化明顯。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶發(fā)育程度

巖溶作用的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)果主要受巖石可溶性、透水性、水的溶蝕力和水的流動等因素的綜合控制[3]，并受當?shù)貧夂颉⑺摹⒌刭|(zhì)等自然因素的影響和制約。隧址區(qū)主要發(fā)育二疊系下統(tǒng)茅口～棲霞組(P1m+P1q)、中下石炭統(tǒng)(C2+ C1)、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階～上泥盆統(tǒng)～曲靖組(C1y+D3+D2q)3套可溶巖。

中下石炭統(tǒng)(C2+ C1)和石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階～上泥盆統(tǒng)～曲靖組(C1y+D3+D2q)的厚層白云巖、灰?guī)r分布于面積較大的高原臺面，洼地、漏斗、落水洞、溶洞等大型巖溶形態(tài)較多，構(gòu)成峰叢洼地或峰叢谷地地貌，巖溶發(fā)育程度為強烈[4]。茅口～棲霞組(P1m+P1q)厚層灰?guī)r分布于高臺地邊緣，地形陡峻，以溶隙為主，局部可見洼地、漏斗、落水洞等負地形，巖溶中等發(fā)育[5]。

2.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

(1)在水平分帶規(guī)律方面

箐門背斜構(gòu)造控制了巖溶發(fā)育方向和不同地段巖溶發(fā)育程度的差異性，巖溶形態(tài)展布方向與所處構(gòu)造的延伸方向基本一致。在平面上，不同性質(zhì)的含水層呈北東向條帶相間排列格局，有利于巖溶水在可溶巖與非可溶巖交界處的可溶巖一側(cè)聚集，形成巖溶強烈發(fā)育且富水的條帶。

(2)在垂直分帶規(guī)律方面

測區(qū)巖溶以垂直溶蝕與水平溶蝕交替的規(guī)律出現(xiàn)，這種不同高程上的多梯級發(fā)育特征主要受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地殼間歇性上升與河流下切等因素控制。通過對研究區(qū)碳酸鹽巖的巖溶發(fā)育高程進行特征統(tǒng)計，巖溶洼地發(fā)育高程為2 256～2 858 m，落水洞發(fā)育高程為2 287～2 861 m，溶洞發(fā)育高程為886～2 970 m。最大高程和高高程段主要以發(fā)育巖溶洼地、落水洞、溶洞為主，中低高程段巖溶發(fā)育逐漸減弱，巖溶泉發(fā)育數(shù)量逐漸增多，有利于巖溶水的排泄。

3 巖溶水系統(tǒng)

3.1 地下水類型

測區(qū)巖溶發(fā)育，地下水類型主要為巖溶水。根據(jù)地層巖性、巖溶發(fā)育程度及富水性差異，將巖溶含水層分為純碳酸鹽巖類、次純碳酸鹽巖類(碎屑巖夾碳酸鹽巖)和不純碳酸鹽巖類(互層巖溶水)3類[6]，隧道巖溶含水巖組劃分及富水性特征如表2所示。

表2 昭通隧道巖溶含水巖組劃分及富水性特征表

3.2 巖溶水補徑排條件

測區(qū)地下水補給源主要為大氣降雨，受地形地貌、巖性、構(gòu)造、降雨量等因素控制，不同地區(qū)的補給特征存在較大差異。巖溶洼地、巖溶槽谷等負地形具有較大的匯水面積，為地表水補給地下水的良好通道；巖溶強烈發(fā)育區(qū)，大氣降水可通過落水洞等豎向通道灌入式補給地下水；非可溶巖區(qū)地表水也是巖溶地下水的一個重要補給來源。此外，在地質(zhì)構(gòu)造強烈發(fā)育地區(qū)，導水斷層增大了地下水補給的范圍和規(guī)模，加強了地下水間的水力聯(lián)系。

地下水的徑流條件主要受巖性、構(gòu)造、地形、排泄基準面控制[7]，在不同區(qū)段具有不同特征。石人坪子、馬店地區(qū)地下水徑流主要受巖性和構(gòu)造控制，地下水向北徑流至龍?zhí)逗优判埂Ｐ↓埗吹貐^(qū)地下水徑流受分水嶺和構(gòu)造控制，大致向南流動，以地下暗河的形式排泄。

根據(jù)巖性組合特征、構(gòu)造特征和地貌形態(tài)，測區(qū)地下水排泄形式主要以泉點和地下暗河為主。區(qū)域巖溶地下水的最低排泄基準面一般為地表河流，巖溶地下水在徑流過程中遇非可溶巖、斷層錯斷、河流切割時，多以泉點或暗河形式排泄，當巖溶介質(zhì)較為均勻時，地下水呈線狀方式向河流排泄。

根據(jù)巖溶水循環(huán)過程中的水力學性質(zhì)特征，巖溶地區(qū)含水層由地表至地下可劃分為垂直入滲帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶和深部緩流帶4個水動力帶[8]。水平徑流帶、垂直入滲帶和季節(jié)變動帶厚度普遍較大，在河谷附近或臨近排泄區(qū)時厚度則會很薄。垂直和季節(jié)變動帶為非飽水帶，水平和深部緩流帶為飽水帶。

3.3 巖溶水文地質(zhì)單元劃分

巖溶水文地質(zhì)單元是根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、可溶巖與非可溶巖的接觸關(guān)系及空間展布特征、氣象和水文等條件的差異性，將隧址區(qū)劃分為若干單元。每個單元的地下水類型、賦水特征及運移規(guī)律相同或相似，具備相對獨立的邊界和補給、徑流及排泄條件。

根據(jù)巖溶水文地質(zhì)單元劃分依據(jù)，結(jié)合野外調(diào)查情況，將區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)單元邊界劃定為：東部以洛澤河為排泄邊界，東北部以龍?zhí)逗訛榕判惯吔纾蠔|部以摸洛河為排泄邊界，南部以段家石橋水庫為排泄邊界，南西部以昭通盆地為排泄邊界，中部以二疊系梁山組(P1l)和石炭系下統(tǒng)大塘階舊司段(C1dj)為物理隔水邊界。根據(jù)上述邊界及分水嶺將其劃分為3個等級的水文地質(zhì)單元分區(qū)。

(1)一級水文地質(zhì)單元的劃分以東部洛澤河為排泄邊界，將研究區(qū)劃分為1個一級單元，即洛澤河水文地質(zhì)單元(YH-1)，其屬于金沙江水系。

(2)二級水文地質(zhì)單元以區(qū)域地表分水嶺為隔水邊界、以龍?zhí)逗雍投渭沂瘶蛩畮鞛榕判惯吔纾谝患壦牡刭|(zhì)單元的基礎(chǔ)上分為2個二級水文地質(zhì)單元，即龍?zhí)逗铀牡刭|(zhì)單元(YH-1-1)和摸洛河水文地質(zhì)單元(YH-1-2)。這2個二級水文地質(zhì)單元均是洛澤河的支流，也屬于金沙江水系。洛澤河是昭通隧道隧址區(qū)地下水(巖溶水)的排泄基準，而金沙江則是控制區(qū)域地下水流動的基準面。

(3)三級水文地質(zhì)單元根據(jù)可溶巖與非可溶巖的空間組合關(guān)系可分為6個三級水文地質(zhì)單元，即昭通盆地水文地質(zhì)單元、小龍洞水文地質(zhì)單元、官家坡～挖飄沖水文地質(zhì)單元、河壩水文地質(zhì)單元、大寨水文地質(zhì)單元和石人坪子～銅鼓村水文地質(zhì)單元。

4 隧道涌突水危險性評價

4.1 隧道涌水量預(yù)測

隧道涌水量預(yù)測準確性主要取決于對隧洞充水條件的正確分析以及計算參數(shù)和計算方法的合理選用。昭通隧道通過龍?zhí)逗铀牡刭|(zhì)單元(YH-1-1)和摸洛河水文地質(zhì)單元(YH-1-2)，根據(jù)地形地貌條件、巖溶發(fā)育特征、含水層地下水的分布及賦存情況，結(jié)合勘察成果，將隧洞總體分為14段，其中包氣帶1段，徑流帶13段。包氣帶采用大氣降雨入滲法，徑流帶采用地下水動力學法，分段對隧洞涌水量進行預(yù)測[9]，隧道分段涌水量預(yù)測結(jié)果如表3所示。

表3 昭通隧道分段涌水量預(yù)測表

由表3可以看出，垂直入滲帶隧道正常涌水量為181.4 m3/d，水平徑流帶或深部緩流帶隧道正常涌水量為 229 338.2 m3/d。隧道單位涌水量低于5 m3/d·m的長度占全隧長度的30.2%，大于10 m3/d·m的長度占全隧長度的53.3%。這表明隧道50%以上長度存在大涌水可能。另外，雨季涌水量將會進一步增大，由于隧道經(jīng)過高位巖溶槽谷帶，在可溶巖段及可溶巖和非可溶巖接觸帶發(fā)生涌水突泥的可能性較大。

4.2 隧道涌突水危險性評價

依據(jù)成都理工大學前期關(guān)于西南山區(qū)巖溶隧道涌突水災(zāi)害危險性評價系統(tǒng)的研究成果，由巖石的可溶性(K1)、地質(zhì)構(gòu)造因素(K2)、地表匯水條件(K3)、地下水化學特征(K4)和隧道埋深與地下水位的關(guān)系(K5)組成巖溶隧道涌突水危險性評價指標體系。根據(jù)隧址區(qū)的巖溶發(fā)育特征，初步考慮將隧道涌突水危險性劃分為5個等級[10]，其危險程度從高到低分別為極危險區(qū)(Ⅴ)、高危險區(qū)(Ⅳ)、中危險區(qū)(Ⅲ)、較危險區(qū)(Ⅱ)和低危險區(qū)(Ⅰ)。分值滿分若設(shè)置為100分，分值越高，發(fā)生災(zāi)害的危險性越高，則劃分的5個等級所對應(yīng)的分值依次為>77、62～77、38～62、23～38和<23。將昭通隧道分為14段，對5個評價指標賦值進行危險性評價。隧道涌突水危險性THK分級評價如表4所示，隧道縱斷面危險性等級分級如圖1所示。

圖1 昭通隧道縱斷面危險性等級分級圖

表4 昭通隧道涌突水危險性THK分級評價表

從表4和圖1可以看出，隧道涌突水在空間結(jié)構(gòu)上差異顯著，隧道通過高危險區(qū)3段，中危險區(qū)9段，低危險區(qū)2段。高危險區(qū)主要位于DK 374+807～DK 375+069(P1)、DK 377+370～DK 377+245(C3)、DK 377+824～DK 378+059(C1y)段的地層中，地表峰叢～落水洞發(fā)育，構(gòu)造裂隙發(fā)育，匯水條件優(yōu)越，地表水極易匯聚下滲，隧道發(fā)生涌突水的潛在風險高。隧道危險性等級劃分長度如圖2所示。

從圖2可以看出，隧道處于中危險區(qū)的長度最長，約占隧道總長度的59.1%；較低危險區(qū)的長度次之，約占隧道總長度的35.8%；高危險區(qū)的長度最短，僅占隧道總長度的5.2%。

4.3 地下水環(huán)境影響評價

隧道施工在含水巖體中開展，不可避免地會對隧址區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生一定影響，對地下水的疏干和改造作用尤為突出。隧道開挖將使其成為新的排泄通道，改變地下水補給、徑流和排泄條件，造成隧道影響范圍內(nèi)地下水水位下降，地表井泉點干枯，影響當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水。此外，地下水疏干并帶走其中充填的顆粒物質(zhì)還可能誘發(fā)地表塌陷。在調(diào)查的43個測區(qū)泉點中，有12個無影響，17個影響較小，14個影響嚴重。嚴重影響的泉點多出露在線路附近或泉的補給通道上，影響較小的泉點多出露于更接近補給區(qū)或距離隧址區(qū)較遠的可溶巖地帶。

5 結(jié)束語

渝昆高速鐵路昭通隧道隧址區(qū)發(fā)育二疊系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)碳酸鹽巖和碎屑巖地層，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復雜。本文通過對隧址區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等條件的研究，分析了巖溶發(fā)育程度和巖溶發(fā)育規(guī)律；根據(jù)巖溶水補徑排條件，進行了水文地質(zhì)單位的劃分；并在水文地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，進行了隧道涌水量預(yù)測和隧道涌突水危險性評價。昭通隧道涌突水危險性總體為中危險，其中高危險段占總長度的5.2%，主要位于棲霞組(P1q)、上石炭統(tǒng)(C3)、巖關(guān)階(C1y)地層中，這與巖性、地形及構(gòu)造有關(guān)。本文研究成果可為巖溶地區(qū)高壓富水隧道的勘察設(shè)計提供參考借鑒。