粵北某特長隧道巖溶水文地質特征初探

可偉偉

（中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊，河南 信陽 464000）

巖溶區隧道設計和施工前，必須對隧址區水文地質條件進行深入分析，查清巖溶特征和地下水分布及運移規律，分析巖溶水文地質條件對隧道施工的影響。本文以牛塘特長隧道水文地質勘察為例，進行巖溶水文地質條件分析，并提出相應工程建議。

1 地質背景特征

1.1 地形地貌

隧址區屬巖溶低山峰叢地貌，地形起伏大，地形陡峭，坡度30°～60°，局部近直立形成陡崖，相對高差最大約530m，隧道進、出口均位于半山坡。

1.2 地層巖性

（1）帽子峰組（D3m）：巖性為灰、紫紅等色薄層狀細砂巖、粉砂巖、砂質頁巖及泥質頁巖互層夾粗砂巖、泥灰巖。

（2）孟公坳組+石磴子組（C1ym+C1ds）：作并層處理，整體可分為上下兩段，下段主要為灰、深灰、灰黑色中—厚層狀，局部巨厚層狀灰巖、白云質灰巖和白云巖。上段（C1ym+ C1ds2）主要為灰、深灰和灰黑色灰巖、炭質灰巖，中—厚層狀為主，局部薄層狀或巨厚層狀，中部常夾薄層狀灰黑色泥質灰巖[1]。

（3）測水組（C1dc），下部為灰白、灰色薄層狀長石石英砂巖、泥巖，局部夾煤線，上部為含礫砂巖、砂巖、泥巖夾鈣質或炭質泥巖及灰巖、泥灰巖等。

（4）第四系松散層（Q4），巖性主要為粉質粘土夾少量砂，主要為灰巖風化產物，其次為砂質粘土、礫石等。

1.3 構造特征

隧址區整體處于以測水組為核部，兩翼為孟公坳組+石磴子組（C1ym+C1ds）、帽子峰組（D3m）等地層的天堂頂向斜西翼—核部位置，向斜軸為北北西向。隧址區總體呈單斜構造。

隧址區未見大型構造及深大斷裂發育，僅發育有小型褶皺及小規模的次級斷裂，但數量較多。

1.4 水文特征

隧址區所在區域為北江水系的濱江、連江七拱水以及綏江三條不同水系的分水嶺位置。地表水體為伏流及狹窄溝谷內的溪流，多屬季節性及地下河溪流，沖溝發育，匯水面積大，水位及流量受季節控制明顯，旱季水量小，地表多斷流，雨季水量變化大，具暴漲暴落的特點。

區內地下水以碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主，含水層為石炭系孟公坳組巖溶強發育灰巖，巖溶發育不均勻，形成多個碳酸鹽巖溶水文地質單元，富水不均勻。地下水徑流方向與地表水基本一致，主要以泉和地下河形式集中排泄，并與地表水交換頻繁。地下水水質類型 為 HCO3- Ca · Mg 型 水 ，礦 化 度 為 200.00～296.00mg/L。

2 巖溶發育特征及規律

2.1 巖溶管道、天窗和落水洞

2.1.1 濱江水系巖溶管道系統

該系統以牛塘—到洛巖溶管道系統和蜻蜓坳—大崩巖溶管道系統為主，其次有灣仔巖溶管道系統和東清水巖溶管道系統。牛塘—到洛地下河系統為勘察區主要的地下河系統，主干管道長度超過3km，該地下河系統主要有下牛塘分支、深沸坪分支、羊水坑分支等。

該地下河系統管道復雜，分支多，落水洞星羅棋布，洼地眾多，其主要兩處出口高差超過百米，沿途還發育高大溶洞，存在多層管道系統。該地下河系統下牛塘分支與K線及F4線關系密切，對隧道施工和運營安全存在較大影響。羊水坑支線對F14 A線可能存在影響，隧道施工可能會導致地下河倒流入隧道中，也應引起重視。

2.1.2 綏江水系巖溶管道系統

該系統發育有下洞塘—根竹西巖溶管道系統、蕉洞—根竹水庫巖溶管道系統、石橋崆巖溶管道系統、理洞巖溶管道系統，其中蕉洞—根竹水庫巖溶管道系統對K線西段出口端影響較大。蕉洞地下河系統出口段為大規模坍塌堆積形成，因隧道設計底板標高低于水庫標高，地下河管道易成為溝通隧道與根竹水庫的通道。因雨后水庫蓄水較多，對隧道施工和運營安全構成較大威脅，應加以重視。

2.2 巖溶發育規律

隧址區處于分水嶺地區，降雨極易形成地表片流及地下徑流，長年累月侵蝕，逐漸發育成石芽、石柱、漏斗、落水洞等垂直巖溶形態，且表層巖溶與深部巖溶連通；在地形相對平緩的斜坡區，溶蝕方式以水平化學溶蝕為主，巖溶首先由溶孔發育成溶洞，最終合并形成大型溶洞及地下河管道[2]。

受構造的影響，區內巖溶地下河發育多具有穿層性的特點，地下水流向多為往東及往西兩個方向，而地層走向為北北西向，穿層的特點明顯。此外，巖溶發育還具有多期性，巖溶管道具有多層性，其中以下洞塘地下河系統出口發育的3層高度不一的溶洞最具代表性。

地下暗河基本上以南北走向和東西走向延伸，并與沖溝谷地走向和構造帶走向一致，天窗和落水洞則基本上沿地下暗河分布，多呈串珠狀。

隧道區除基巖上部見溶槽外，下部未見溶洞和巖溶裂隙發育段。

2.3 控制巖溶發育因素

2.3.1 地質構造

隧址區處于天堂頂向斜西翼－核部位置，受區域構造影響，發育多條北東向小型斷裂，區內地形地貌及巖溶發育多沿構造方向形成串珠狀發育，如蕉洞地下河系統沿F12斷裂帶發育，到洛地下河系統羊水坑支線沿F7及F8斷層發育。由此可見構造對區內巖溶發育具有控制性作用。

2.3.2 碳酸鹽巖

構造應力作用下，碳酸鹽巖發生褶皺斷裂及裂隙，在當地降雨和暖濕氣候作用下，碳酸鹽巖內水交替循環加劇，碳酸鹽巖溶解加速，極大地促進了巖溶發育。且褶皺軸部構造裂隙發育程度高，透水性強，張性結構面導水性好，巖溶極為發育[3]。

由于隧址區所在區域為三江分水嶺處，大氣降水及地表徑流極為充沛，巖溶發育受其影響，主要以垂直發育為主，形成漏斗、落水洞和天窗等。

3 巖溶對隧道影響評估

3.1 隧道涌水量預測及影響分析

3.1.1 隧道涌水量預測

根據隧址區水文、工程地質特征、地形地貌特征等，采用大氣降雨入滲法和地下水動力學法相結合的方法對隧道進行涌水量對比預測。

（1）大氣降雨入滲法。計算公式：

式中：Q——日平均降雨入滲補給量，m3/d；

F——降雨入滲的面積，m2；

α——年平均降雨入滲系數；

X——年降雨量，m。

林業作為我國的重要資源，在我國的經濟建設和發展中發揮著重要作用。林區的造林改造正在繼續進行。然而，在長期的改革過程中，除了上述造林成本不足和造林方法的不足之外，不可避免地會遇到一些困難。除了林區經營管理不善外，樹種結構比例失衡、地方資源利用不合理、分類不清等問題也不容忽視。此外，近年來我國沙塵暴、干旱、暴雨、水土流失等氣候災害的頻繁發生，對更新造林工作產生了很大影響，這就要求我們從提高更新造林的成本、改善更新造林入手。加強林區管理，分類經營，加強育苗、育苗、灌漿。為了促進林業的可持續發展，應充分利用當地環境和資源的優勢，合理利用資源，豐富知識，創新技術，轉變觀念。

計算結果見表1。

表1 大氣降雨入滲系數法涌水量估算表

（2）地下水動力學法。地下水動力學法采用裘布依公式法和古德曼經驗式。

①采用裘布依公式法。計算公式：

式中：Q——涌水量，m3/d；

B——隧道穿過含水層中的長度，m；

K——含水巖層的滲透系數，m/d，取平均值；

H——含水層底板(隧道底板)至靜止水位高度，m，取平均值；

h——水位下降曲線在隧道邊墻上的高度；

R——影響半徑，m，取平均值；

②古德曼經驗式。計算公式：

式中：Q——隧道最大涌水量，m3/d；

L——隧道穿過含水層中的長度，m；

K——含水巖層的滲透系數，m/d，取平均值；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m，取平均值；

d——洞身橫斷面等價圓直徑，m。

計算結果見表2。

表2 地下水動力學法涌水量估算表

三種方法預測的涌水量基本一致，但存在些許差異，原因在于：大氣降水以地表入滲為主進行計算，地表入滲系數較巖石滲透系數大，且降雨入滲計算結果為資源量，較地下水動力學法偏大。

3.1.2 隧道涌水影響分析

隧址區可能集中涌、突水災害主要位置為碳酸鹽巖段與輝長巖接觸帶、構造破碎帶、物探推測巖溶裂隙發育帶、隧道上部暗河經過地段及灰巖自身未探測地段，所有涌突水均為巖溶裂隙或溶洞承壓水為主[4]。

巖溶水若處理不當，將給隧道工程帶來危害，由于巖溶水具有與一般水流不同的特點，巖溶發育不均一性，很難準確掌握其水量及變化規律。因此，在對巖溶水量的預測上寧大勿小，在排水建筑物的設計上，宜寧寬勿窄；在工程處理上，因地制宜，采用封堵為主，堵塞、疏導、排泄相結合等綜合工程措施，形成完整的防排水系統[5]。

3.2 巖溶對隧道的影響

隧道所在區域水文地質條件整體較為復雜，含水層主要為灰巖層，淺部巖溶發育強烈且十分不均，富水性中等—豐富，透水性普遍較好，深部（隧道及基圍巖）巖溶不發育，巖石較堅硬完整，所見裂隙多被方解石充填。

隧道入口端地下水整體向東及北東徑流，與北側的到洛地下河系統可能存在導水通道，隧道施工過程中應重視其影響，避免突水事故。線路中部牛塘一帶，巖溶發育強烈且不均，多地下河管道，該地下河系統所在巖溶含水層富水性好，補給面積大，含水量豐富，且設計隧道多處穿越其分支管道，施工過程中若造成隧道與管道的溝通，易形成大規模的突水，應引起重視。隧道出口端，地表巖溶發育強烈，見大量的溶穴和溶槽等，對隧道施工影響較大。

4 隧道建設對巖溶系統的影響

隧道開挖排泄地下水能夠引起巖溶地面塌陷，其原因在于：隧道開挖排泄地下水，改變水動力條件，降落漏斗范圍內水力坡度突然增大，流速加快，對巖土體的浮托力降低，地下水流對原有洞穴、溶隙、裂隙中充填的土、碎石及破碎帶中巖屑等的潛蝕、沖蝕以及液化作用加劇，宜造成隧道突水、突泥、涌砂等危害[6]。

隧道址松散覆蓋層厚度0.50～2.05m，且不連續分布，多巖石裸露；地下水位埋深大，一般7.00～56.00 m，均在松散覆蓋層埋藏深度之下；地下水主要是淺層巖溶蝕槽，以管道流為主，隧道及其圍巖，溶洞和巖溶裂隙不發育，透水性等級為微透水。

因此，隧道開挖排泄地下水不易引起巖溶地面塌陷。

5 結論

（1）隧址區位于灰巖區，石灰巖溶洞發育，且具有復雜性、不均一性、隱蔽性和突發性的特點，同時其受斷裂構造及巖溶發育等因素的影響，可能會產生突水、突泥、掉塊等施工安全問題。因此，應加強超前探水、對敏感點的變形監測、對隧址區水點的水位水量進行監測等方面工作，做好預警工作，信息化施工，并做好應急措施，確保施工安全。

（2）由于地下巖溶等特殊地質條件，隧址區水文地質存在著部分的不可預測性，建議在施工圖階段多種手段開展預報性勘察及技術設計，進行隧道動態設計和施工，同時，還應切實做好且有針對性地防止突發事件的方案預設計。