公路隧道工程巖溶水文地質調查與評價

［摘要］以汕昆高速公路龍川至懷集段牛塘特長隧道項目巖溶水文地質作為調查區域，通過開展區域水文地質綜合調查、地面地球物理勘探、水文試驗、水文計算，隧道涌水量預測等專項工作，查明調查區域內地下水類型，含水層分布與埋藏情況；查明地下水流向，巖溶地下水的補給、徑流、排泄條件；查明區域內巖溶發育特征及其規律，對區域內的巖溶地層進行富水性評價；根據水文地質綜合調查成果可為線路比選、設計、施工等提供水文地質依據。

［關鍵詞］巖溶；地下水；水文地質調查；預測；評價

為與鄰省（區）高速公路網規劃銜接的交通聯系需要，促進廣東經濟全面發展，保障國防等的需要，對加強粵北各山區的聯系和發展，根本性改變粵東西北地區交通條件，加強“泛珠三角”經濟區域之間的聯系，廣東正在大力建設高速公路。然而，廣東粵北巖溶集中連片典型發育區，峰叢洼地、臺地、天坑、漏斗、天窗、落水洞、地下河、伏流、溶洞等地表巖溶形態廣泛分布，對高速公路尤其是隧道工程建設提出了很高的挑戰，巖溶隧道涌水、突水、突泥等安全事故屢有發生。因此需進行巖溶水文地質調查，開展巖溶水文調查，可以有效地預防和解決巖溶病害問題，保證公路正確選線，節省投資，保障公路工程施工安全和營運安全具有重要意義。

此類工程地質在廣東地區較為普遍，針對這種特殊的喀斯特地貌即巖溶不良地質條件，有必要分析工程水文地質特征，研究工程案例，從工程角度來看具有現實意義和重要性。本文在以下方面的研究成果對指導類似工程的設計和施工也具有借鑒和指導意義。

1 工程實例概述

牛塘隧道屬于汕昆高速公路廣東省段龍懷高速高速公路控制工程，位于清遠市清新區和陽山縣交界區域，隧道進口位于清新區桃源鎮深沸坪村，隧道出口位于陽山縣楊梅鎮根竹村。為分離式特長隧道，左線隧道長3765 m，右線隧道長3715 m；左線隧道最大埋深約250 m，右線隧道最大埋深約264 m。該區域碳酸鹽巖部分裸露，巖溶形態極為發育，地表水和地下水轉換頻繁，巖溶水文地質條件復雜，斷裂構造較多、節理裂隙較發育，工程地質條件復雜，給隧道選線、防排水設計、工程施工帶來極大的不確定性和存在較大的風險。

2 區域氣象水文概況

氣象：調查區處于亞熱帶季風氣候區，氣象條件較為復雜，氣候變化較大，雨量時空分布不均勻，四季變化幅度較大，多年平均氣溫為18.1～21.1℃，最高氣溫為38.3～39.5℃，多年最低氣溫在-3.6～-7.5℃。雨量充沛，多年平均降雨量在1695～2258 mm，年最大降雨量在2325.4～2732 mm，月最大降雨量在595.8～823.9 mm。

水文：調查區地表水屬于北江水系，分屬濱江、綏江、連江東拱水三大流域。其中，隧道入口端的滄邊水往東徑流，經龍須帶水庫匯入濱江，出口端根竹水庫一帶地表水則經楊梅鎮往西南匯入綏江，隧道北部的水浸坪一帶地表水則往北徑流，經太平、杜步匯入連江七拱水。

3 工程地質條件

地形地貌：調查區屬于構造侵蝕溶蝕低山地貌區，地形起伏較大，山體坡度一般35～45°，局部可達50～60°，局部地段為懸崖峭壁。構造侵蝕切割、巖溶溶蝕作用強烈，溝脊縱向與隧道軸向呈大角度相交。隧道進口端位于牛塘嶺東麓，出口端位于牛塘嶺西麓溝谷，右側近水庫，地面標高在400～800 m，線位最低標高約430 m。洞身中部山體最大標高約800 m，線路段相對高差約400 m。山體地表植被發育，以雜樹為主。

地層巖性：調查區巖土結構自上而下、自進而出主要為第四系覆蓋層主要為上更新統坡殘積成因（Q4dl+el），基巖巖性為石炭系石磴子組（C1ds）灰巖等，基巖部分裸露，巖溶極為發育，風化不均、節理裂隙較發育。

地質構造：調查區沒有區域性深大構造經過，但小型斷裂構造較多，牛塘隧道分布6條非全新活動斷裂，節理裂隙較發育，普遍有3～4組。線路地質構造條件中等―復雜，屬較穩定區。

地震：調查區基本地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，對應的抗震設防烈度為Ⅵ度。

不良地質：調查區影響隧道的不良地質現象主要為巖溶洼地、漏斗、落水洞、泉水、地下暗河、伏流、溶洞等，地表、地下巖溶極發育。

4 調查區水文地質條件

4.1 地表水

分布在隧道的兩側低洼地帶，主要為碳酸鹽分布地帶（僅在根竹水庫存在地表水，以伏流的方式向西側流向根竹村河），在低洼處以泉或暗河排泄流入地表根竹河，匯入楊梅河支流，在水口匯入長灘河。

4.2 地下水

根據區內地下水的賦存形式、含水介質條件，可將本區內地下水劃分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩大類型，其中基巖裂隙水又可進一步細分為層狀巖類基巖裂隙水、碳酸巖裂隙巖溶水等。

4.3 地下水補徑排條件

地下水主要補給來源于大氣降水入滲，其次是受巖溶發育程度的控制，地表水與地下水相互轉化較為頻繁，地表水入滲或直接灌入成為地下水的一個重要補給來源。區內地下水主要以泉、地下河的形式集中排泄為主，部分區域為散片狀滲流排泄。

4.4 地下水動態變化

地下水主要為巖溶水，具有急升急降的特點，地下水動態變化很大，大多數都不穩定到極不穩定，很少有泉水具有相對穩定的流量。

5 水文地質調查

本次水文地質調查主要采用了資料收集、地球物理勘探、水文地質調查（比例1∶2000和1∶10000）、水文計算等綜合調查手段，本次具體采用的方法如下：5.1 地球物理勘探。

（1）物探查明巖溶發育情況，包括巖溶位置、大小、埋深、形狀等，斷層或構造破碎帶、巖性接觸帶的位置、產狀及規模，其他不良地質體的發育情況。

（2）沿K線隧道中心線兩側開展大地電磁測深（EH4）工作，測點距為50 m，探深要求＞400 m。

（3）EH4 推斷解釋分析：測區反演電阻率為50～3600 Ω·m，總體上表現為中高阻特征，電阻率一般1000～3000 Ω·m。主要為測區石炭系石磴子段（C1ds）灰巖等反映；在電阻率剖面中，觀察到不規則的橢圓形、平面形和葉形的等低電阻率區域，推測這些區域反映了巖溶裂縫發育的區域，可見電阻率異常區域，電阻率異常和局部電阻率線可以產生高、低電阻率交匯處直立、密集分布的異常現象，這些異常現象是由于巖溶發育、斷裂造成的，推測這是斷裂帶或斷層構造的反映（圖1）。

（4）EH4推斷解釋成果：通過EH4異常資料，結合隧道區間地質資料分析，共推斷了10處巖溶發育區和5條斷裂構造破碎帶。

5.2 水文地質專項調查

（1）水文地質專項調查以K線為中心的周邊約28 km2區域，是本次水文地質調查的主要工作范圍，重點調查線路為K線，兼顧F4及F14線。

（2）本次調查工作采用路線測量法，利用手持式GPS進行測點定位，提高了野外工作的質量和效率，并使用德國WTW公司生產的pH/cond 340i多參數測定儀，測地下水的電導率、pH值和水溫等參數。

（3）調查主要工作資料收集及方案編寫、野外調查工作、室內資料整理、綜合研究和報告編制等。

（4）調查工作質量評述：1∶2000和1∶10000地形及工程測量；1∶2000和1∶10000綜合水文地質調查，主要調查內容是含水層結構、產狀、巖性、厚度、分布、埋藏深度、地下水類型、水位和各層水力關系，并與地表水的聯系等。重點進行巖溶發育程度及規律、巖溶地下水補徑排條件、地下河的分布、發育方向、發育程度、流量、動態變化、水質及補徑排特征等工作。調查地下水的邊界條件，地下水分水嶺的位置、控制因素等，劃分地下水系統等；水文計算，隧道涌水量預測。

5.3 水文地質調查與評價

5.3.1地下水分水嶺及地下水流向

（1）調查區一級分水嶺

調查區一級分水嶺位置與清新區及陽山縣縣界接近一致。自北往南以大夫田―林水―大山―蕉洞―逕面塘一線略往東，形成東西兩部分地下水分水嶺，東部往東徑流排泄于滄邊水，西部則分成三股，分別往北、往西以及往南西方向徑流。其中，北側水浸坪一帶地下水往北徑流，排泄于太平水入七拱水，經杜步匯入連江；中部根竹村及根竹水庫、蕉洞、石橋埪一帶則往西徑流，經楊梅鎮匯入綏江；西南部逕面塘一帶地下水則往西南，經理洞村，最終亦匯入綏江。

（2）調查區二級分水嶺

①濱江水系（滄邊水）：根據地下水及地表水流向，地表水于白石腳及鴉流頂一帶分別形成二級分水嶺。鴉流頂一帶地下水分水嶺與地表水分水嶺相一致，而白石腳一帶地下水則未形成明顯分水嶺，地下水自其底部斜穿白石腳條帶狀山體，發育有古地下河道及溶洞等。下牛塘以南地段，地下水分別往南北兩個方向徑流，其中下牛塘地下水往北徑流，經深沸坪等地，最終于到洛村一帶集中排泄，下牛塘以南東清水一帶則往南及南東方向徑流，最終于東清水以南及虎流塱一帶排泄。因此，在下牛塘與東清水之間形成地下水二級分水嶺。灣仔村以南一帶，亦形成兩個不同的地下水流向，分別往北東或南西方向徑流，形成二級分水嶺。

②綏江水系：綏江水系在調查區內形成二級分水嶺，其地表水分別往西及往南西方向徑流，地下水具有與地表水近似的分水嶺。其位置位于石橋埪以南，近東西走向，延伸至西部楊梅坑東南山一帶。

③連江水系：調查區北部水浸塘一帶，雖存在三級分水嶺，地下水的排泄方向雖在別，但最終均匯于水浸塘北西的地下河入口。

（3）調查區三級分水嶺

因地下水分水嶺與地表水不完全一致，且區內地下水多受巖溶發育方向和發育程度的控制，地下水分水嶺較為復雜，因此三級分水嶺僅局部可劃出。

5.3.2巖溶發育情況

調查區屬于淺覆蓋型巖溶，巖溶形態極為發育，縱向橫向均發育，發育強烈及變化大，局部具有貫通性，向巖層深處巖溶發育逐漸減弱。按一級地下水分水嶺地劃分，主要巖溶發育管網系統描述如下：

（1）濱江水系巖溶發育管網系統：對隧道K線、F4線東段隧道入口端影響最大。

（2）綏江水系巖溶發育管網系統：對隧道K線、F14線西段隧道出口端影響較大，石橋崆巖溶管道系統對F4線西段隧道出口端影響較大。

（3）連江水系巖溶發育管網系統：主要發育有水浸坪西巖溶管道系統，處于擬建隧道以北，影響較小。

5.3.3斷層調查情況

通過收集勘查成果中的水文試驗資料和本次調查對各斷層含水性、導水性的探測和分析，各斷層在天然狀態下有一定含水性，局部存在富水、導水地段（表1）。

6 水文計算與評價

在野外地面調查、地表水流量測量和收集相關氣象資料的基礎上，對隧道穿越區域的地質情況、水文地質情況等因素進行了綜合分析，分別采用了降水入滲法和地下徑流模數法預測隧道涌水量。

6.1 隧道涌水量預測

6.1.1降水入滲法

根據隧址區的地下水類型、地形地貌、地層巖性、自然地理特點和雨量分布狀況，本隧道區主要是巖溶分布地區、巖溶洼地、落水洞等垂直巖溶形態發育，形成補、涇、排完善的地下管網系統，當大氣降雨后，地表水迅速補給地下水，故可采用規范推薦的降水入滲法預測隧道正常涌水量。其公式為：

Q=2.74·α·W·A

A＝L·B

式中：

Q——隧道滲入補給量（m3/d）；

α——降水入滲系數，根據本區情況，取α=0.17；

W——多年平均降雨量（mm），據本隧址區情況，取2438 mm；

A——計算塊段（隧道通過含水地段）面積（km2）；3.76×0.5=1.88 km2；

L——隧道通過含水體地段的長度（km），取3.76 km；

B——計算塊對應兩側的影響寬度（km），取0.5 km。

計算所得：Q=2.74·α·W·A=2179 m3/d。

6.1.2地下徑流模數法

本次現場調查選取部分河流進行枯季流量觀測，其加權平均值為M=10.50L/s.km2。

采用公式為：Qs=M·A

A＝L·B

式中：

Qs——隧址涌水量（m3/d）；

M——地下徑流模數（m3/d·km2）；

A——計算塊段（隧道通過含水地段）面積（km2）。

計算所得：Qs=M·A=1356 m3/d。

6.2 隧道涌水量評價

從上述兩種計算結果的涌水量，以大氣降水入滲法的水量最大，而以地下徑流模數法計算結果最小，兩種結果計算預估通水量差異較大，可能是由于計算模型和參數等不同所引起的，根據本隧道水文地質條件，預測隧道單洞正常涌水量約為1356～2179 m3/d。

由于該地區地下水動態受降水影響，變化較大，雨季施工時隧洞涌水量可能顯著增加。經綜合分析，確定隧道雨季最大可能涌水量為隧道正常涌水量的3 倍，預估隧道最大涌水量約為4000～6600 m3/d。

7 總結

根據對調查區的地球物理勘探解釋成果分析及預測可知：隧道區有10處巖溶發育區，5條斷裂構造破碎帶。

根據對調查區的水文地質專項調查成果分析可知：調查區屬于淺覆蓋型巖溶，巖溶形態極為發育，節理裂隙較發育；調查區位于三個不同地表水系統的分水嶺流域位置：清新區的濱江、陽山縣境的連江七拱水和山區河流綏江。地下水與地表水有相似的分水嶺分布情況。存在多處巖溶發育帶及地下河管道、構造破碎帶等不利因素，巖溶發育情況復雜，可能存在較大的巖溶管道，地下水豐富。三條線比較，K線推測可能存在9處不同的巖溶發育帶，5處可能為巖溶地下河管道，另有7處可能經過斷裂帶。F4線則存在6 處巖溶發育段，3 處可能為巖溶地下河管道，另有5 處可能經過斷裂帶。F14 線存在2 處巖溶發育段，2 處可能為巖溶地下河管道，及1 處可能經過斷裂帶；各斷層在天然狀態下有一定含水性，局部存在富水、導水地段。

K 線在隧道兩端（出口、入口）均較復雜，入口地段巖溶特別發育，存在高大的巖溶溶洞和地下河管道，預計未來隧道涌水量較大，施工難度大；近出口地段（即水庫南岸）存在巖溶發育深槽，隧道底板標高處于巖溶深槽發育標高范圍內，且巖溶深槽上部巖土相對較松散；K 線中段有多處巖溶發育帶（可能存在巖溶管道），設計隧道標高處于巖溶發育帶高程范圍內，推斷巖溶管道可能處于隧道底板標高之上。

根據水文地質條件及調查成果分析預測：隧道單洞正常涌水量約為1356～2179 m3/d，雨季或暴雨最大可能涌水量為隧道正常涌水量的約3倍，為4000～6600 m3/d。

8 建議

在本次水文調查工作中，通過地面地球物理勘探、水文地質綜合調查、水文試驗、水文計算，隧道涌水量預測等專項工作，詳細查明調查區域內地下水類型，含水層分布與埋藏情況，地下水流向，巖溶地下水的補給、徑流、排泄條件，區域內巖溶發育特征及其規律，對區域內的巖溶地層進行富水性評價；通過現場水文地質參數試驗，估算預測隧道涌水量；由專項調查結果可知，建議如下：

從地質選線角度，工可線、F4線、F14線、F5線、K1線與K線地質條件基本相當，從線路長度、工程規模等方面K線亦占優；綜合比較推薦K線。

隧址區巖溶形態極為發育，巖溶水文地質條件復雜，工程地質條件復雜，在隧道施工時，一般容易出現側壁及拱部松動崩落或冒頂坍塌、涌水、突水、突泥等現象，對隧道工程影響較大，需采取相應的疏、堵、排水措施，施工時應動態化施工與信息化施工，加強地質超前預報工作；嚴格控制欠挖，盡量不超挖。

9 結束語

本高速公路于2018年12月28日正式通車，在設計和建設期間得知，設計部門經過多方面的論證，在施工圖設計時采納本次調查成果及推薦K 線方案建議，最終K 線隧道全長約3.8 km，牛塘隧道貫通通車后英德到懷集縮至1.5 h；根據施工情況與本次專項水文調查報告成果及預測基本吻合，調查成果隧道涌水量與實際現場實測涌水量接近。本次水文地質調查結果，總體效果良好，從地質專業角度能夠為線路比選、設計、施工等的確定提供了水文地質依據，是隧道建設順利實行的前提條件，為確保隧道施工安全及全線順利貫通提供有力的技術支撐。可見本項目的巖溶水文地質調查具有非常明顯的經濟和社會效益。

近年來面臨新的形勢和發展機遇，隨著我國快速公路建設的迅猛發展，在隧道工程建設中，深埋地下或長隧道將變得越來越普遍，也穿越各種多變、復雜的水文地質條件。在巖溶發育的山區，隧道施工時常面臨涌水、突水、突泥等地質災害，安全事故屢有發生，造成經濟損失、人員傷亡等事故。基礎地質調查工作一定要與水文地質以及工程建設結合在一起，水文地質調查工作在隧道勘察設計中起到重要作用，在今后在新建的隧道等地下工程工作中要開展水文地質調查勘查工作，并積極使用新方法、新技術，不斷總結經驗，提升水工環地質工作為國計民生服務的水平。

［參考文獻］

［1］任洪靖. 高速公路隧道工程地質特征及水文地質條件分析［J］. 西部資源，2019（04）：124-125.

［2］王宇. 南方巖溶地區水文地質調查的問題與改進措施［J］. 中國巖溶，2023（04）：627-635.

［3］孫曉衛. 深長巖溶隧道水文地質調查與分析［J］. 運輸經理世界，2021（14）：55-57.

［4］黎德波. 巖溶深長隧道水文地質調查分析與涌水量預測方法研究［J］. 價值工程，2023（07）：101-103.

［5］朱嬌燕，滑帥，趙斌賓，等. 某隧道巖溶水文地質條件及涌水量研究［J］. 人民長江，2011（S2）：107-108+141.

［6］王貴山，謝先明，王淵，等. 汕頭至昆明高速公路龍川至懷集段牛塘特長隧道專項水文地質調查報告（初步設計階段）［R］. 廣東省工程勘察院，2014.