馬鞍山隧道暗河成因及涌水量預測

重慶市市政設計研究院，重慶 400000

馬鞍山隧道為鐘多鎮至渤海快速通道的控制性節點工程，屬于分離式雙向特長隧道，全長4844m，最大埋深為555m，設計底板標高為587～621m。隧道右線開挖至YK2+520處發現地下暗河，暗河斷面高3～7m、寬2～4m，1—2月份枯水期水深為0.10～0.30m，流量為20～50m3/d，暗河距離隧道底板19m左右，進入雨季后暗河出現涌突水將破壞隧道底板，影響道路安全。

1 暗河形成的工程地質條件

馬鞍山隧道起點位于酉陽向斜東翼近核部，隧道沿向斜的東翼展布，山脈走向與構造線方向基本一致，呈東高西低趨勢。隧道起點位于洞底壩附近，高程約為650m。隧道靠近終點處地勢最高，地面高程為1000～1100m，最大高程約為1190m。隧道出口位于本水溪深切溝谷西側、懸崖峭壁底部，地面高程約為592m。本水溪溝谷底部地面高程約為490m，溝底寬約為40m，有常年流水。

隧道穿越段位于壟基槽谷中山區，為中低山地貌區，高程多為600～1000m，山頂高程為1000～1100m。地表多為溶蝕峰叢及洼地，峰叢高度為30～50m，峰叢之間多為溶蝕洼地或溝槽。

隧道穿越段地面最高點為上吳家蓋，高程為1190m，最低點為隧道出口處本水溪溝谷底部，高程約為490m。隧道穿越帶地面高差達710m，隧道最大埋深約為555m，位于K4+220附近。

地層巖性為寒武系中統平井組和高臺組的白云質灰巖、灰質白云巖、泥質白云巖。隧道位于酉陽向斜的東翼，桐麻嶺背斜的西翼，巖層產狀為265°～290°∠5°～20°，隧道走向垂直于巖層傾向。沿隧道走向，該區域分布大量橫斷層（平移斷層），斷層的走向垂直于背斜的軸向與暗河的走向基本一致。區內巖溶發育，地下水豐富，主要地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水。

2 可溶性碳酸鹽巖類巖溶化特征及巖溶發育規律

（1）巖溶的分布與規模。根據地面調查，在隧道揭示的暗河區域，分布有9處大型巖溶漏斗、溶蝕洼地和小型溶洞，面積為8×18～45×120m2，與暗河的水平距離為0～95m，豎向距離為0～416m。暗河與地表的巖溶漏斗連通性好，并與多處溶洞貫通。暗河底板標高603.62m，主要位于第二巖溶期第二亞期發育的夷平面。

（2）巖溶發育的階段性。區內巖溶發育有明顯的多層性，每一溶洞層、暗河在一定標高內的分布均代表一個地殼的相對穩定時期，并可與各級夷平面相對比。各期巖溶發育層與夷平面對比關系見表1。

表1 隧址區巖溶發育的分層性

3 巖溶地下水發育分布規律

（1）巖溶發育及巖溶水與巖性的關系。巖性是巖溶發育的先決條件，巖溶水的分布與地層巖性密切相關。灰巖富水性最好，灰巖及白云質灰巖地表及地下巖溶均很發育，溶丘、洼地、峰叢、溶溝、溶槽等地表巖溶形態極為強烈，暗河及溶洞也最為發育，且規模較大，白云巖地表巖溶不太發育，溶洞與暗河雖有規模較大者，但數量不多，往往在構造的控制下才易產生。

（2）巖溶水富集與地質構造的關系。工程區穿越酉陽向斜和桐麻嶺背斜兩大構造。向斜寬緩、背斜緊湊。向斜區斷層、節理不發育，巖體相對較完整，背斜因受到強烈擠壓作用，而使大型節理和斷層發育，桐麻嶺背斜在靠近背斜軸的兩翼分別發育了壩竹陀和龍潭平移斷層，在軸部及兩翼大型節理密集，一般發育2～3組節理，以276°∠61°～290°∠82°和116°∠76°～123°∠83°兩組節理為主，其次為187°∠81°～217°∠88°的節理。斷層和大型節理為巖溶的發育和地下水運移提供了空間。

（3）地貌對巖溶水發育的影響。不同地貌形態及不同的標高巖溶發育規律、程度及地下水富集程度不同。在高一級的夷平面上（1000m以上）巖溶極為發育，特別是垂直形態中落水洞、天窗、漏斗等最為發育，為地下水的補給區，地下水位埋藏深，水點少，流量小。

在兩級夷平面的過渡地帶（即斜坡地帶）巖溶發育程度減弱，在夷平面的底部（如山盆期第二亞期的底部，標高600m左右）暗河溶洞發育，地下水豐富。馬鞍山隧道分布的溶洞和暗河分布標高為500～635m。

該區內最低級夷平面是溶洞和暗河最發育的地帶，是地下水排放最集中的區域。因此，從標高上看，巖溶化程度與地下水的富集程度呈相反的趨勢，即巖溶化從高位置向低位置逐漸減弱，并且由垂直形態向水平形態轉化，暗河及大泉出露個數隨著標高的降低而增加，且流量顯著增大。

不同的地貌形態因補給滲入條件的不同而影響了巖溶的發育及其地下水的富集。在測區內的溶丘洼地、峰叢洼地、峰叢谷地有利于地表水的滲入，而深切峽谷地帶、壟崗地帶地形陡峭，不利于地表水的滲入，故巖溶發育程度低，富水性亦差。

（4）巖溶水的垂直分帶性。由工程區溶洞及大泉分布標高可知，工程區巖溶水的垂向變化大致可分為以下三個帶：①垂直循環帶（補給通道）：該帶垂直巖溶發育，地表形態以巖溶洼地和落水洞為主，接受大氣降水的補給，經漏斗、洼地匯集后沿層面向暗河或巖溶管道集中。②水平循環帶（排泄通道）：指侵蝕基準面以上含季節變動帶的下限，該帶巖溶形態以水平管道為主，巖溶水活動強烈，經局部侵蝕基準面排泄，地表形態以大泉和暗河為主，為強透水帶。在馬鞍山隧道進口段洞底壩一帶多以暗河的形式排泄，排泄口高程低于660m。馬鞍山隧道出口本水溪一側多以泉和暗河的形式排泄，排泄口高程略高于溝底高程。③深部循環帶：水平循環帶以下均屬此帶，巖溶形態以溶隙、溶孔為主，標高一般在200m以下。垂直循環帶（補給通道）和水平循環帶（排泄通道）的水力聯系。垂直循環帶的巖溶水接受地表洼地來水補給成為地下徑流，形成暗河和溶洞。

（5）暗河涌水量計算。根據現場調查，暗河枯水季節主要以基巖裂隙水為主，雨季暗河地下水主要由巖溶漏斗和溶洞中的管道狀巖溶水補給，因此，采用大氣降水滲入量法計算暗河的涌水量與實際情況更吻合。計算公式如下：

式中：Q補為滲入補給量，m3/d；α為入滲系數，取值0.5；A為多年平均降雨量，根據氣象資料取值1383.60mm；F為計算塊段面積，km2。在1∶50000的水文地質圖上量得計算塊段面積為40.2km2。

計算結果，大氣降水滲入補給總量為6.85萬m3/d，該涌水量為平水期涌水量，根據對沿線暗河的調查，雨季暗河的涌水量可以達到平水期的20倍左右，預計涌水量約為137萬 m3/d。

2011年10月1日—3日酉陽地區持續降雨，地下暗河于10月2日出現異常涌突水，根據現場的實測資料，涌水量峰值達到每晝夜120萬m3/d。

4 治理措施

由于該暗河涌水量巨大，靠隧道修建排水溝已經無法消除水患，因此后來修建了導流洞對暗河地下水進行引流排放，消除了安全隱患。

5 結論

（1）馬鞍山隧道暗河于灰巖和白云質灰巖中形成和發育，暗河地表分布大型巖溶洼地和溶蝕漏斗，并與暗河相通。

（2）暗河位于桐麻嶺背斜的西翼，該背斜伴生大型斷層，斷層為平移斷層，走向與暗河基本一致，為暗河的發育提供了地下空間。

（3）暗河的標高與地文期第二巖溶期第二亞期山盆期的夷平面標高比較一致，在該標高附近同時發育了特大型溶洞。

（4）暗河的涌水量宜采用大氣降水滲入量法進行計算，雨季涌水量與平水期涌水量相差20倍左右。

（5）暗河應采用導流洞進行疏排，隧道內設計的排水溝難以消除隱患。