貴州某特長隧道涌水原因分析

郭 彪

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

貴州某特長隧道施工到ZK83+210掌子面時，隧道出現涌水現象。受隧道涌水影響，隧道施工暫停。為此，對該隧道進行了專項水文地質調查，以查清本次涌水的原因。

1 工程概況

擬建隧道左幅里程樁號為ZK80+745～ZK84+738,全長3993m，右幅里程樁號為K80+737～K84+744,全長4007m，為特長隧道[1]，隧道最大埋深約328m。

2 自然地理概況

2.1 地理位置及交通

擬建隧道位于貴州省銅仁市，區內有鄉村公路通往各村，但路面較窄，通行能力差。

2.2 氣象水文

(1)氣象

隧道區多年平均降水量為1137mm，降水量分布不均，夏季最多占41.2%，冬季最少僅占6.1%。

(2)水文

場區地表水較發育。隧道進口端西側發育一常年流水黑攤河，與線位相交；隧道出口端右側發育一常年流水龍塘河。隧道洞身未見常年性地表徑流。其中隧道里程ZK82+700～ZK83+500區間經現場水文地質調查未見常年地表水發育。

3 區域地質條件

3.1 地形、地貌

隧道區屬中低山溶蝕地貌，地形較復雜。ZK82+700～ZK83+500區間經現場踏勘調查及無人機飛行航拍，ZK82+700～ZK82+900為谷地，且ZK82+750為谷底，修筑有369鄉道公路。ZK82+900～ZK83+150區段山頂有農作物，并且可見溶蝕洼地發育。ZK83+150～ZK83+500區間內的ZK83+190～ZK83+250段為溝谷地貌，最大高差近40m，ZK83+310～ZK83+430區段為溶蝕洼地，最大高差近10m，該區間由于地形地貌原因易于匯水集水，調查期間未見溝谷、巖溶洼地內發育地表水。

3.2 地層巖性

隧址區內出露地層主要為第四系含礫粉質黏土，下伏奧陶系下統湄潭組頁巖夾薄層灰巖、砂巖，二疊系上統長興組、吳家坪組中厚層、厚層細粒石灰巖含燧石結核，二疊系下統棲霞組、茅口組灰巖夾炭質頁巖，二疊系下統梁山組粉砂質泥巖含劣質煤線。

3.3 地質構造與地震

線路區地質構造復雜，褶皺、斷層發育，主要褶皺有本莊向斜、河壩背斜、塘頭向斜等；主要斷層有涼風哨斷層、關塘斷層等。

根據地質調繪資料，場區發育兩條非活動性逆斷層，其中一條斷層位于隧道進口西側1.5km處，與設計線位正交，走向北北東向，斷層面傾向309°，傾角80°；另一條斷層位于隧道進口北西側，距線位垂直距離2.3km，斷層面傾向136°，傾角60°。

據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)及《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)，設計帶的抗震設防烈度為Ⅵ度，設計地震峰值加速度為0.05g。

3.4 巖溶發育特征

隧道區粉砂質泥巖、炭質頁巖、泥質粉砂巖不具備巖溶發育條件，灰巖、泥灰巖分布地帶巖溶比較發育，影響不可忽視。經現場地質調查、無人機多角度航拍圖并結合隧道鉆孔資料，場區未發現落水洞、泄水洞及暗河管道[2]。

根據地質調繪結合鉆探資料，隧址區巖溶發育類型主要為巖溶洼地、溶洞及巖溶化石灰巖。

(1)巖溶洼地

隧址區發現明顯巖溶洼地2處，分別位于線位ZK82+980～ZK83+010、ZK83+320～ZK83+410，見圖1。

圖1 巖溶洼地

(2)溶洞

受構造和巖性限制，溶洞多呈帶狀和塊狀出現，根據已有資料分析其多分布于高程700～800m的灰巖之間，溶洞多呈半充填～無充填，充填物主要為礫石及黏性土。鉆探揭露厚度0.2～20.8m。

(3)巖溶化灰巖

該層僅在鉆孔CYSZK06揭露，揭露厚度2.6～5.0m，鉆探揭露該地層近隧道頂板。

4 場區水文地質特征

4.1 地下水類型

根據場區地層巖性及其組合特征地下水賦存條件、水理性質和水力特征，將區內地下水類型分為碳酸鹽巖累巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水及第四系松散巖類孔隙水[2]。

4.2 含水巖組富水特征

(1)松散巖類孔隙水

富水性差，水量貧乏，對隧道影響小。

(2)碎屑巖類基巖裂隙水

富水性弱-中等，其中裂隙不發育的泥巖、粉砂質泥巖為隔水層。

(3)碳酸鹽巖累巖溶水

富水性中等～強，水量較大，對隧道影響較大。

4.3 含水層及隔水層

白云巖、灰巖、泥質灰巖富水性強，為主要含水層，粉砂質泥巖、泥巖富水性弱，可視為隔水層。

4.4 地下水動態和埋藏深度

區內地下水動態變化多樣，與地下水賦存狀態有關，地下水廣泛接受大氣降水和部分地表水補給，地下水動態類型基本屬于滲入-徑流型。地下水埋藏深度主要體現在灰巖、泥質灰巖含水系統，受地形控制較大。根據區內水文地質條件和隧道鉆孔現場水位測試分析，地下水穩定水位位于隧道底板之下，地下水埋藏較深，隧道洞身位于地下水垂直滲入帶。

5 水文地質單元分區及水資源評價

5.1 水文地質單元分區

場區地表分水嶺與地下分水嶺不重合，地下水分水嶺為志留系與二疊系地層分界。根據地表水文網，地下水分水嶺以及地質構造對地下水補、徑、排條件所起的相對控制作用，按“地下水水文地質單元相對獨立、完整”的原則進行劃分，將場區分為龍塘河流域水文地質區(巖石產狀115°∠48°)和黑攤河流域水文地質區(巖石產狀123°∠26°)。

5.2水資源評價

采用大氣降水入滲系數法計算區內地下水資源的天然補給量。ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737地下水天然補給量為938722.8～1571377.9m3/a。

6 涌水段所在區間涌水量預測

經對隧道兩洞“人字坡”至涌水段一側的隧道大樁號端口范圍(含左洞出口及右洞入口段)，對應里程為ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737 進行計算，所得涌水量為132553.32 m3/d。

本次涌水發生于隧道左洞出口端一側，結合場區水文地質情況折減系數取0.7，“人字坡”至隧道左洞大樁號端口范圍的最大涌水量計算值為Qs=132553.32×0.7=92787.32 m3/d。

7 隧道涌水原因分析

7.1 場區地形地貌易于匯水

經場區實地踏勘調繪結合無人機技術，涌水區段地表ZK83+190～ZK83+250區段為溝谷地貌，最大高差近40m，線位ZK82+980～ZK83+010、ZK83+320～ZK83+410區段發育巖溶洼地，該區段地形地貌易于集水、匯水。該地區2020年9月月降水量達335.8mm為近2年最大值，而調查期間未見溝谷、巖溶洼地發育地表徑流，說明降水能夠較為順利地流入地下形成地下水。

7.2 涌水區段巖溶發育

場區常年降水量較大，區域地層巖性以灰巖為主，巖溶較為發育。隧道涌水段地表巖溶洼地發育，根據前期鉆探資料、物探解釋可知隧道涌水段位于兩處鉆探解釋巖溶發育區之間，詳見圖2。

圖2 隧道涌水區間地層結構及揭露巖溶

隧道施工至ZK83+215掌子面時，掌子面右側拱腰輪廓線7m 范圍內出現溶洞，該溶洞近垂直隧道走向方向發育，延隧道走向寬約5m，高約8m。

為更好探明涌水區間隧道底板巖溶情況，現場進行超前鉆探及雷達探測。

(1)超前鉆探

為探明涌水區段在隧道地板淺層是否存在溶洞或其他不良地質，現場進行超前鉆探。

超前鉆探結果顯示ZK13、ZK14 揭露地層為中風化灰巖，鉆進6m后，無法繼續鉆進，揭示該位置下部為巖溶發育區。ZK18、ZK19、ZK22揭露地層為中風化灰巖，鉆進過程揭露地下水，揭露埋深為1.5～7.0m，揭示該處下部為地下水運移通道。

(2)雷達探測

對ZK83+240～ZK83+150區段進行了隧底隱伏巖溶探測，探測采用地質雷達法。

經雷達數據分析：ZK83+240～ZK83+150 段隧底下方5～15m深度范圍內存在不同程度的雷達電磁波異常反射區，結合地質資料證實ZK83+150～ZK83+240 段隧底下方5～15m 深度范圍內巖溶發育，其中ZK83+150～ZK83+210段巖溶發育相對強烈，發育有溶蝕管道、溶蝕裂隙密集帶或溶腔。

綜合鉆探資料、水文地質調繪、物探解釋、超前鉆探及雷達測線說明本區段巖溶較為發育，特別是ZK83+150～ZK83+210段巖溶發育相對強烈，該段為巖溶水通道分布密集區間，巖溶所形成的溶洞、溶隙等不良地質為地下水提供富存空間及運移通道。

7.3 隧道涌水前期降水量大

龍塘鎮降雨主要集中于每年5月～9 月，且根據最新龍塘鎮已測降水資料，2020年9月月降水量為335.8mm，為該地區從2014年8 月至今的最大月降水量，見圖3。根據降水資料揭示隧涌水前期恰為每年降水集中階段，且當月(2020 年9 月)降水量為近60 個月最大月降水量，調查期間未見該區域地表溝谷、巖溶洼地發育地表水，說明該期間的降水大部分已通過溶隙、裂隙等流入地下，富存于地下巖溶區或巖石節理裂隙中。

圖3 2014年8月至2020年10月降水量統計

7.4 綜合分析

(1)場區溝谷、巖溶洼地等地形地貌條件易于匯水、集水。

(2)根據鉆探、水文地質調繪、超前鉆探、雷達探測等資料證實隧洞涌水區間ZK83+145～ZK83+260為巖溶發育區且位于兩處巖溶強發育區之間，該區間發育的溶隙、溶洞等為兩側巖溶強發育區提供地下水運移通道。

(3)隧道涌水前期降水量大，為地下水提供豐富補給。

(4)場區大氣降水通過節理裂隙、溶隙等各種形式滲入含水層進行地下水循環。隧道發生涌水前，該地區連續多日降水，降水量較大，導致水壓力較大，且位于涌水段兩側的物探異常區由于其巖溶發育強烈，儲備大量地下水，且地下水通過巖溶發育段ZK83+145～ZK83+260進行運移。隧道在施工過程中打通地下水運移通道導致富存于溶洞、溶隙及巖石裂隙中的地下水突然涌出或頂破隧道地板薄弱區涌出。

8 結語

本次隧道涌水集合“有效的匯水地貌、大量的降水補給、豐富的地下水通道及存儲空間”等因素于一體，由于施工過程中打通地下水運移通道，導致富存積累的地下水“瞬時”涌出。