成昆鐵路小相嶺隧道巖溶突水原因研究

楊 超

(成貴鐵路有限責任公司，四川成都 610031)

1 工程概況

小相嶺隧道位于四川省涼山彝族自治州喜德縣冕山鎮，是成昆鐵路峨眉至米易段鐵路橫穿山脊的一單洞雙線隧道，線路全長21.785km，貫通平導21 579m，分進口工區、一號斜井工區、二號斜井工區、出口工區組織施工。隧址屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，地面高程1 850～3 220m，隧道最大埋深約1 350m，自然坡度5°～35°不等。2018年9月24日，平導掌子面里程施工至PDK360+785時，掌子面左側邊墻、左側底部及掌子面右下部等3處，分別出現噴射狀的股狀水流出，水質渾濁，并夾帶褐黃色泥砂，具有一定的承壓性。經現場測算，流量約12 000m3/d，后期該3處涌水量進一步增大，2018年10月7日達到250 000m3/d左右，截至2020年12月31日，最大涌水量約達490 000m3/d，隧道內平均日涌水量約為150 000m3/d，累計涌水量約1.23億m3，體量約達10個西湖蓄水量[1]，見圖1、圖2。

圖1 隧道內積水

圖2 斜井洞口排水

2 地質環境條件

2.1 地形地貌

研究區處康藏高原東緣，為橫斷山脈的一部分，屬于大涼山系。主要山脈河流均近南北向相間展布，地勢北高南低，嶺谷高差懸殊，區內最高處為小相嶺，海拔最高為4 707m，最低處為禮州下游，海拔1 530m。在小相嶺北端及兩側3 000m以上普遍發育冰川地形，尤其是在4 000m左右以上的峰脊，普遍為冰蝕明顯的角峰、鰭脊，地形陡峻，巖石裸露，并伴有冰斗、冰谷及冰蝕湖[2]。

區內河流分屬金沙江水系和岷江支流—大渡河水系。由于斷裂的控制，主要河流多呈南北向，支溝、溝谷為羽毛狀。其中，安寧河是雅礱江下游左岸重要的一級支流，金沙江二級支流，發源于涼山彝族自治州冕寧縣北部東小相嶺的菩薩崗和陽落雪山，在研究區內其主要支流為孫水河(圖3)。

圖3 研究區地形地貌及水系遙感

2.2 氣象水文

研究區緯度較低，但因受地形控制，氣候獨特。雨、旱兩季分明，有大陸性氣候特色。冬寒夏涼，雨量充沛集中，年降水量一般都高于1 000mm。每年10月—次年5月為旱季，氣候爽朗，蒸發量大；6-9月為雨季，月降水量150～250mm。

2.3 區域地質概況

測區位于米市向斜的SW翼，區域上地層發育較為完整，僅缺失石炭系地層，總厚22 000～29 000m。下元古界變質巖體系為一套淺變質復理式、類復理式碎屑巖、碳酸鹽巖建造；震旦系至三疊系中下統為一套海相層，間夾火山巖及火山碎屑巖；三疊系上統、侏羅、白堊系為一套路相地層。測區位于川滇南北向構造帶北段，主要構造形跡隸屬川滇經向構造體系。地史上長期以東西向擠壓應力為主，產生有大量的南北向壓性、近南北向壓扭性斷裂和褶皺，伴有少量低序次的東西向張性斷裂、近東西向張扭性斷裂、北東及北西向扭性斷裂,主要斷裂為位于工作區西側的安寧河斷裂帶，為一系列高角度壓性沖斷裂，根據工程地質調查可知，區內共調繪各類斷層14條，線路穿越的斷層有10條[3]。

3 巖溶水文地質條件

研究區內巖溶地層展布集中于越西縣中所一帶，向南至喜德縣冕山鎮呈條帶狀出露，地層年代以震旦系燈影組為主。巖溶地層底板為震旦系觀音崖組砂巖、頁巖，上覆地層為三疊系白果灣組砂巖，接觸關系為角度不整合接觸。受早期的溶蝕作用影響，在白果灣組地層沉積以前，燈影組巖溶地層已形成巖溶峰叢，白果灣地層沉積后，二者呈角度不整合接觸，上覆白果灣組砂巖厚度不均。在長期的東西向擠壓應力作用下，整個冕寧至越西地區形成復式褶皺，而研究區內的巖溶地層主要展布于一寬緩向斜的北西翼靠近軸部一帶。受特定地質構造及地形地貌等條件控制，研究區內地下巖溶發育程度極高，靠近侵蝕基準面附近暗河管道發育，且溝通一些落水洞，部分地表水體對暗河起著補給作用使得地下水富集。研究區巖溶地層展布見圖4。

圖4 研究區巖溶地層平面

3.1 補給

研究區內主要補給來源為大氣降水以及雪線以上的冰蝕湖水、雪水補給。海拔較高地區，大氣降雨蒸發影響較弱，絕大部分降雨形成坡面匯流沿東西向溝谷徑流進入落水洞，灌入補給地下水。燈影組與白果灣組地層受角度不整合接觸關系影響，上覆白果灣組砂巖裂隙水通過垂向裂隙入滲補給灰巖地層。

研究區位于岷江水系大渡河支流與雅礱江水系安寧河支流的地表分水嶺一帶，巖溶地層集中出露地區屬岷江水系，而深溝以南受山脊線控制，巖溶條帶出露地區屬雅礱江流域。岷江流域內，受東側越西河控制，大氣降水在海拔較高一帶多以坡面匯流形成地表水流，在自西向東徑流過程中以灌入的形式通過落水洞進入地下，補給地下水，落水洞高程2 000～2 600m。落水洞集中發育高程以下地區，大氣降水則主要通過巖溶地區垂向發育的溶隙、溶孔，入滲補給地下水。分水嶺以南巖溶條帶出露地區，大氣降水以通過溶隙、溶孔補給為主，可能存在小型沖溝匯水灌入補給地下水，同時由于上覆白果灣組砂巖呈寶塔狀超覆殘留于灰巖之上，二者水力聯系較廣，所短暫賦存的地下水通過自身相當發育的垂直裂隙滲補于灰巖。

小相嶺一帶由于冰斗出口存在冰坎或后期崩塌堵塞，常形成冰蝕湖，當地稱“海子”。研究區內存在多個冰蝕湖，一般呈橢圓狀，面積在0.2km2內，最大的紅海，長800m，寬250m，水深估計10～20m。這些冰蝕湖湖水以及融化的雪水也通過近東西向深切溝谷進入落水洞而補給地下水。

3.2 徑流

研究區內巖溶地下水主要受局部排泄基準面越西河和喜德河控制，形成2個徑流通道。北部岷江水系大渡河流域靠近越西縣中所一帶，地形高差相對較大，靠近“紅海”冰蝕湖的山脊線至越西壩子約17km的距離內由高約4 300m低至1 710m；而向南沿山脊線至喜德河一帶沿巖溶條帶長約21km，由高到低為4 300～1 780m。受構造影響，北部地區更靠近向斜軸部，在巖溶地層傾東條件下，傾角于高處較大達到40°，低處較小約10°，一直延伸至局部排泄基準面；而向南的巖溶條帶于山脊西側沿走向展布，傾角較大約30～40°。綜合以上因素，研究區形成向東徑流的優勢通道和向南徑流的次級通道。

3.3 排泄

研究區北部的優勢徑流通道地下水以暗河出口的形式集中排泄于越西縣中所鎮(圖5)，流量巨大，豐季可達約17m3/s，即使是枯季也能保持3m3/s的流量，而部分溝谷切割形成巖溶泉輔助排泄，流量約7L/s；南部次級通道亦于喜德河右岸以暗河出口形式排泄(圖6)，流量變化為0.5～1.8m3/s，其徑流過程中受則莫溝切割，部分地下水通過水平溶洞排泄至則莫溝(圖7)，流量0～400L/s，小相嶺隧道2號斜井平導涌水發生后，該水平溶洞斷流。同時于巖溶條帶所處山體東側白果灣組砂巖內亦有部分小型泉點于隧道涌水發生后斷流(圖8)。

圖5 北部越西縣中所暗河出口

圖6 南部喜德暗河出口

圖7 則莫溝出水溶洞

3.4 典型巖溶水系統

研究區內燈影組厚295～737m，雖質地不純，但補給面寬，巖石破碎(面裂隙率2.23%～7.49%)，落水洞、溶洞、溶槽等相對較多。受構造部位、地形及水動力條件控制，發育向東和向南徑流的2個巖溶水系統。其補給源以海拔相對較高地區大氣降水匯流后的灌入式補給為主。同時也有冰蝕湖和降水入滲補給作為補充，局部地區的白果灣組砂巖裂隙水亦可通過垂向裂隙滲補灰巖地下水。而地層產狀、構造部位以及水動力條件的差異使得巖溶管道的發育劃分為2個方向的通道，最終出露于不同地區。其模式近乎于供水“水塔”，由高處向2個低處分流，一個為優勢管道，流量較大，即水觀音巖溶系統；另一個為次級通道，流量相對較小，即喜德巖溶系統，見圖9。

圖8 原砂巖裂隙泉點

根據隧道涌水位置，本次研究重點為喜德巖溶水系統，集中排泄點位于喜德縣城以西約5.5km“虹鱒魚莊”門口處，其出口高程約1 800m，目前由于地面硬化已無法見其原始出口形態，流量0.33～1.88m3/s。根據1∶20萬水文地質報告[4]，該排泄點為路徑發育較短的小型暗河出口(喜德暗河)。

在喜德巖溶水系統接近排泄端(喜德暗河)時，由于豐水期地下水位雍高，暗河出口排泄量有限，在則莫溝轉彎切割巖溶地層的部位發育水平溶洞，地下水部分由此排出。枯季地下水位下降后略低于則莫溝地表水，則該處水平溶洞斷流。通過現場對工作區南側喜德暗河出口流量進行實測后發現，在隧道平導掌子面(標高1 868.5m)發生涌突水后，暗河出口(標高1 800m)的水量并未受到影響，說明隧道涌水的地下水主要為雨季過后地下水位雍高的巖溶地下水，見圖10。

圖9 區域巖溶系統

圖10 喜德巖溶系統

4 水化學特征

由現場對地下水取樣進行送檢分析，得到的分析結果見表1。由表1中S01、S02、S04水樣指標可以看出，則莫溝內地表水體的鈣離子(Ca2+)、重碳酸根離子(HCO3-)、總硬度及礦化度相對明顯較低，而S03為暗河管道地下水，其水化學特征指示出較典型的巖溶地層水巖作用結果——鈣離子(Ca2+)、重碳酸根離子(HCO3-)含量對比地表水體明顯較高[5]。

對比分析隧洞涌水指標，其主要指標含量均略低于S03暗河管道地下水，而明顯高于則莫溝內地表水體，故2號斜井涌水的水化學類型與虹鱒魚莊處所出露的暗河地下水更為接近。

表1 部分水化學指標對比 單位：mg/L

5 結論

(1)隧址區震旦系燈影組巖溶地層雖以條帶狀展布，但其與上覆白果灣組地層為角度不整合接觸，巖溶地層實際厚度大小不均，巖溶發育程度較高。受構造部位、地形及水動力條件控制，形成了向東和向南徑流的2個典型巖溶水系統：水觀音巖溶系統和喜德巖溶水系統。

(2)水觀音巖溶系統與喜德巖溶水系統二者主要補給來源為越西縣中所鎮以西山體接受大氣降水灌入式補給和入滲補給，同時接受多個冰蝕湖、雪水的補給，喜德巖溶水系統上覆白果灣組砂巖裂隙水也是灰巖地層地下水的重要補給來源。2個巖溶水系統的特點為“廣泛補給，集中排泄”。

(3)小相嶺隧道2號斜井平導掌子面涌突水來源實際為喜德巖溶水系統地下水，目前所排出水體主要為豐水期地下水位雍高部分，由于灰巖巖體裂隙、溶隙發育，形成較好的儲水空間，隧道的施工溝通了這些溶孔、溶隙。