某巖溶隧道水文地質(zhì)分析與涌水量預(yù)測

王者鵬， 張 健， 葉志華， 孫柏林， 陳迪楊

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266590； 2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司， 重慶 400039； 3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 勘察設(shè)計研究院， 山東 泰安 271018； 4.湖北省?？抵烈瞬咚俟方ㄔO(shè)指揮部， 湖北 宜昌 444200； 5.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250061)

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某巖溶隧道水文地質(zhì)分析與涌水量預(yù)測

王者鵬1，2， 張 健3， 葉志華4， 孫柏林4， 陳迪楊5

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266590； 2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司， 重慶 400039； 3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 勘察設(shè)計研究院， 山東 泰安 271018； 4.湖北省?？抵烈瞬咚俟方ㄔO(shè)指揮部， 湖北 宜昌 444200； 5.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250061)

巖溶區(qū)隧道施工時常面臨突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害的威脅，結(jié)合巖溶區(qū)某隧道，從水文地質(zhì)的角度分析隧址區(qū)地層、巖溶水系統(tǒng)、巖溶水動力分帶和地質(zhì)構(gòu)造等和突水突泥災(zāi)害相關(guān)的因素，根據(jù)分析結(jié)果預(yù)測巖溶突水量，分析可能發(fā)生突水、突泥的區(qū)段，為隧道安全施工提供依據(jù)。

巖溶隧道； 水文地質(zhì)； 突水量預(yù)測

1 概述

我國是建成隧道最長、數(shù)量最大的國家，也是隧道穿越各種水文地質(zhì)條件最復(fù)雜的國家，同時是隧道發(fā)展建設(shè)最多、最快的國家。由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在巖溶發(fā)育的山區(qū)，隧道施工常常面臨突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害的威脅，時常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡事故。造成這些問題的原因，除了客觀上巖溶地質(zhì)條件比較復(fù)雜以外，對于巖溶隧道勘察、涌水評價理念和方法不科學(xué)等因素，導(dǎo)致了災(zāi)害性涌水的判別不準(zhǔn)確，事故頻發(fā)[1-6]。

本文結(jié)合某巖溶隧道的水文地質(zhì)特征經(jīng)行綜合分析研究，對隧道涌突水進(jìn)行分析預(yù)測評價，有效遏制了突水突泥等大型地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，隧道的安全施工得到了保障，對其類似工程具有借鑒意義。

2 工程概況

某隧道是湖北省西北部的一座分離式隧道，位于襄陽市南漳縣巡檢鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道長3 865 m，屬特長隧道；坡比為-0.518%，最大埋深約485.2 m，進(jìn)洞口走向方位角125°，出洞口走向方位角143°；進(jìn)、出洞口、洞門采用端墻式，單洞設(shè)計寬10.25 m，高5.0 m；鉆爆法施工。

該隧道地層為上白堊系羅鏡灘組石灰質(zhì)礫巖，地表巖溶發(fā)育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大氣降水直接通過落水洞、漏斗灌入地下，為典型的強巖溶隧道，隧道突水、突泥風(fēng)險極大，并可能引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害。

3 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)微地貌屬構(gòu)造剝蝕侵蝕中低山地貌，海拔高程一般約為333.0～802.0 m，隧道穿越數(shù)座山體，經(jīng)過區(qū)域地表地形整體起伏大，地形陡，排水不暢，溶蝕洼地發(fā)育。隧址區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主體構(gòu)造為規(guī)模巨大的通城河斷裂帶，還有曾家溝斷裂、尚家灣斷裂、任家溝斷裂，主要影響隧道的為尚家灣斷裂。

隧址區(qū)地層主要為白堊系紅花套組(K2hn)泥質(zhì)粉砂巖、塊狀礫巖；白堊系羅鏡灘組(K2lj)塊狀礫巖、泥巖及泥質(zhì)粉砂巖；三疊系嘉陵江組(T1j)中厚層白云質(zhì)灰?guī)r及大冶組(T1d)薄層灰?guī)r。白堊系巖層與三疊系巖層系非整合接觸，隧道沿線巖層產(chǎn)狀變化不大，地層產(chǎn)狀為290°∠22°，巖體垂直裂隙發(fā)育(見圖1)。

圖1 隧道區(qū)工程地質(zhì)剖面圖Figure 1 Geological profile of tunnel

4 巖溶發(fā)育特征

4.1 巖溶形態(tài)特征

隧道區(qū)為古巖溶谷地，具有豐富的地表和地下巖溶形態(tài)。巖溶干溝遍布，溝底為巖石角礫、塊石覆蓋，具有較強的透水性。巖溶洼地發(fā)育，底部發(fā)育串珠洼地以及落水洞、消水洞、天窗等。落水洞、消水洞、天窗、滲坑在區(qū)內(nèi)普遍存在，為地下巖溶管道和暗河的主要水流補給通道。在丘從洼地、峰叢洼地溶丘洼地處分布有巖溶管道和溶縫。

4.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

隧道區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制。隧道通過的碳酸鹽組主要是三疊系下統(tǒng)嘉陵江組，基本為純碳酸鹽，巖溶發(fā)育強烈。區(qū)內(nèi)主要存在北東向北西向兩組構(gòu)造，尚家灣、張家沖一帶的洼地、巖溶管道主要是沿北東向構(gòu)造發(fā)育；橫沖一帶的洼地、巖溶管道沿北西向的構(gòu)造發(fā)育。

5 巖溶水文地質(zhì)特征

5.1 巖溶含水層

隧道區(qū)主要揭露了三疊系和白堊系地層，第四系殘坡積主要分布于洼地和斜坡地帶。

① 純碳酸巖含水巖組。該含水巖組含水量豐富，巖溶發(fā)育強烈；區(qū)內(nèi)主要為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)，灰色中～厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r含水層，含水介質(zhì)主要為溶隙及巖溶管道，隧道長約800 m在該層中。

② 不純碳酸巖連續(xù)性溶洞裂隙含水巖組。該含水巖組含水量豐富，巖溶強發(fā)育；隧道大部分白堊系羅鏡灘組(K2lj)灰紫色、灰色厚層石灰質(zhì)礫巖、砂礫巖區(qū)，礫石多為灰質(zhì)角礫，鈣質(zhì)交接，孔隙、裂隙發(fā)育，為特殊的強巖溶含水層。

5.2 巖溶垂向水動力分帶

通過對尚家灣地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)巖溶垂向水動力分帶有表層巖溶帶、垂向滲濾帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶[6-8]，見圖2。

① 表層巖溶帶：由于土層相當(dāng)普遍，該帶厚度較大，形成較多小泉水，隧道出口處有多處表層泉。

② 垂向滲濾帶：主要地表徑流通過縱向巖溶裂隙、消水洞、溶縫等下滲，該帶巖溶發(fā)育程度極不均一，發(fā)育深度變化大，一般為20～100 m。

③ 季節(jié)變動帶：受降雨影響，地下水賦存的深度產(chǎn)生季節(jié)性變動，是巖溶作用較強的地帶，隧址區(qū)變化帶厚度為20～30 m。

④ 水平徑流帶：由于隧址區(qū)地形高差較大，溶蝕切割較深，水平徑流帶埋藏較深，一般在160～200 m以下。

圖2 隧道區(qū)巖溶水動力分帶圖Figure 2 Hydraulic belt of karst water of tunnel

5.3 巖溶水系統(tǒng)特征

隧址區(qū)受地形地貌地質(zhì)構(gòu)造地層巖性及巖溶水動力條件等因素作用，可劃分為 2個巖溶水系統(tǒng)：

① 隧道巖溶水系統(tǒng)：該巖溶水系統(tǒng)主管道與隧道軸線立交，對隧道影響較大。系統(tǒng)以北東向展布于尚家灣一帶，出口為一溶洞，高程為315.0 m，以季節(jié)性泉的形式出露，洪水流量可達(dá)40～60 L/s；其西邊界為尚家灣洼地與曾家溝的地表分水嶺，東邊界為白果樹埡-王家塘一帶的地表分水嶺，分布面積3.5 km2。補給滲流區(qū)發(fā)育于隧道大部分白堊系羅鏡灘組(K2lj)灰紫色、灰色厚層石灰質(zhì)礫巖、砂礫巖區(qū)，排泄區(qū)發(fā)育于三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)，灰色中～厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r區(qū)。

② 橫沖巖溶水系統(tǒng)：該系統(tǒng)位于隧道北側(cè)，對隧道影響相對較小。

從水文地質(zhì)特征分析，尚家灣巖溶水系統(tǒng)地下水主要巖溶管道為儲存空間和運移通道，地下水接受大氣降水，通過洼地灌入式補給，徑流排泄通暢，流量季節(jié)變化明顯，該系統(tǒng)是造成該隧道突水災(zāi)害的次要巖溶水系統(tǒng)。

6 隧道巖溶涌水分析

6.1 隧道巖溶涌水評價

從巖溶垂向水動力分帶和枯水期水頭高度分析，隧址區(qū)巖溶水位大部處于飽氣帶和季節(jié)變動帶中(見表1)。

綜合巖溶水位、巖溶水系統(tǒng)和地質(zhì)構(gòu)造分析，本隧道具備了巖溶涌水的必要條件，其涌水機(jī)率極大。YK64+450～YK64+600和YK68+000～YK68+070段隧道硐身處于季節(jié)變動帶，但從區(qū)域水文地質(zhì)分析，此段處于巖溶水系統(tǒng)的補給、徑流區(qū)，產(chǎn)生季節(jié)性突水機(jī)率較??；但該段要注意溶洞充填物坍塌的問題和雨季，特別是大雨過后極易產(chǎn)生突水、突泥等災(zāi)害。K64+600～YK68+000段，隧道硐身處于飽水帶，特別是K65+100～YK66+200段處于淺飽水帶，且構(gòu)造發(fā)育，可能遇到裂隙狀溶洞、巖溶管道或大型洞穴，造成突水。故此段硐身揭露大型溶洞的機(jī)率較高，初期涌水主要來源于靜儲量，其壓力高、水量大、突然性強，極易造成重大事故。后期水壓力隨之降低，水流量也逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

表1 隧道巖溶水位分類表Table1 Sortedtableofthekarstwaterleve序號樁號巖溶水位分類與巖溶水系統(tǒng)的關(guān)系1YK64+300～YK64+450包氣帶2YK64+450～YK64+600季節(jié)變動帶3YK64+600～YK68+000飽水帶尚家灣巖溶水系統(tǒng)的下部4YK68+000～YK68+070季節(jié)變動帶5YK68+070～YK68+159包氣帶橫沖巖溶水系統(tǒng)的下部

6.2 隧道巖溶涌水量預(yù)測

對于涌水量預(yù)測，綜合考慮隧道所處的巖溶水動力分帶和巖溶發(fā)育程度及巖溶發(fā)育特征，涌水來源主要是大氣降雨通過洼地、漏斗、落水洞直接入滲引起，所以預(yù)測方法采用洼地滲入法(大氣降水入滲系數(shù)法)和地下水疏干法[9]。對于位于淺飽水帶的隧道，水頭高度50～100 m，且發(fā)育有巖溶裂隙、巖溶管道。隧道涌水量需要考慮靜儲量(QS)和雨期動儲量(Qf)。計算參數(shù)見表2，計算結(jié)果見表3。

① 靜儲量(Qs)涌水：

式中：N為涌入系數(shù)；μ為給水度；H為隧道底板以上含水層厚度，m；Fs為降落區(qū)匯水面積，km2；Ts為疏干時間，d。

表2 涌水量預(yù)測成果參數(shù)表Table2 Parametertableofforcastingofwaterinflow樁號NμαYK65+000～YK66+3000.50.0010.3YK66+300～YK67+5500.40.0010.3H/mA/mmFs/km2Ff/km2Ts/dTf/d751002.42.552751002.31.052

表3 涌水量預(yù)測成果表Table3 Resulttableofforcastingofwaterinflow樁號YK65+000～YK66+300YK66+300～YK67+550QS/(m3·d-1)1.80×1041.34×104Qf/(m3·d-1)1.88×1040.60×104

② 雨期動儲量(Qf)涌水：

式中：N為涌入系數(shù)；α為入滲系數(shù)；A為降雨量，mm；Ff為降落區(qū)匯水面積，km2；Tf為降雨周期，d。

6.3 涌水量預(yù)測結(jié)果分析

綜合表1計算結(jié)果、巖溶水系統(tǒng)、巖溶水動力分帶和工程地質(zhì)特征，對YK65+000～YK66+300段和YK66+300～YK67+550段分析見表4。

6.4 隧道施工實測涌水量情況

該隧道在整個施工工程之中共發(fā)生了4次突水突泥和5處巖溶管道，具體見表5，圖3。

表4 隧道涌水量預(yù)測成果分析表Table4 Analsisresulttableofforcastingofwaterinflow樁號結(jié)果分析施工建議YK65+000～YK66+3001.本段處于地下淺飽水帶,巖溶相當(dāng)發(fā)育,隧道涌水難免;2.枯水季節(jié):隧道施工揭露的巖溶管道的最大初始流量為1.80×104m3/d,流量為衰減型流量;3.豐水季節(jié):2天降雨100mm引起的涌水量為1.88×104m3/d,隧道涌水滯后12～24hYK66+300～YK67+5501.本段處于地下淺飽水帶,巖溶相當(dāng)發(fā)育,隧道涌水難免;2.枯水季節(jié):隧道施工揭露的巖溶管道的最大初始流量為1.38×104m3/d,流量為衰減型流量;3.豐水季節(jié):2天降雨100mm引起的涌水量為0.6×104m3/d,隧道涌水滯后12～24h。由于徑流該段的雨水直接影響不大1.建議隧道施工在枯水季節(jié)快速通過;2.做好超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)測工作,及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源及時采取處理措施,確保安全施工

表5 隧道涌水情況表Table5 Resulttableofwaterinflow樁號涌水時間涌水量/(m3·h-1)突泥量/m3突水、突泥時間YK65+4212013-07-197007700雨后1dYK65+9202013-09-066506800雨后1.6dYK66+4802013-11-285803600無雨YK67+3362014-06-217704400雨后2d

圖3 雨后隧道涌水現(xiàn)場照片F(xiàn)igure 3 Photo of water bursting in the tunnel after rainstorm

從實際突水量與預(yù)測突水量來看，實際涌水量略小，但與預(yù)測涌水量相差不是太大；突水時間一般在雨后1～2 d，說明突水受降雨的影響較大。涌水量預(yù)測與實際情況基本相符，表明預(yù)報方法是合理的。

7 結(jié)論

① 該隧道為典型的強巖溶隧道。地層為上白堊系羅鏡灘組石灰質(zhì)礫巖，地表巖溶發(fā)育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大氣降水直接通過落水洞、漏斗灌入地下。

② 綜合巖溶水位、巖溶水系統(tǒng)和地質(zhì)構(gòu)造分析，該隧道具備了巖溶涌水的必要條件。隧道硐身處于飽水帶、季節(jié)變動帶，隧道施工揭露大型溶洞的機(jī)率較高，特別是大雨過后極易產(chǎn)生突水、突泥等災(zāi)害。涌水具有壓力高、水量大、突然性強等特點，極易造成重大事故。

③ 通過實際突水量、突水時間與預(yù)測突水量、突水時間的對比，涌水量預(yù)測與實際情況基本相符，表明突水量預(yù)測是合理的。

[1] 李術(shù)才，薛翊國，張慶松，等.高風(fēng)險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(7)：1297-1307.

[2] 陳先蘭，王宇馳，呂玲，等.仰頭山隧道巖溶水文地質(zhì)特征及涌突水預(yù)測[J].資源環(huán)境與工程，2014，28(2)：172-177.

[3] L.P，Li，Z.Q.Zhou，S.C.Li，et al.An Attribute Synthetic Evaluation System for Risk Assesssment of Floor Water Inrush in coal Mines[J].Mine Water and the Envionment，2015.DOL10.1007/s10230-014-0318-0.

[4] LI LP，WANG QH，LI SC.Cause Analysis of Soft and Hard Rock Tunnel Collapse and Information Management[J].Polish Journal of Environmental Studies，2014，23(4)：1227-1233.

[5] 李利平，路為，李術(shù)才，等.地下工程突水機(jī)理及其研究最新進(jìn)展[J].山東大學(xué)學(xué)報，2010，40(3)：104-113.

[6] 杜毓超，李兆林，韓行瑞，等.滬蓉高速公路烏池壩隧道區(qū)域巖溶發(fā)育特征及其涌水分析[J].中國巖溶，2008，27(1)：11-18.

[7] 熊道輥，傅榮華.巖溶發(fā)育強度垂直分帶方法[J].巖土工程技術(shù)，2005，19(3)：113-117.

[8] 李利平，李術(shù)才，陳軍，等.基于巖溶突涌水風(fēng)險評價的隧道施工許可機(jī)制及其應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(7)：1345-1355.

[9] 韓行睿，唐建生，梁小平，等.尚家灣隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查報告[R].桂林：中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，2011：36-46.

Analysis of Hydrogeology Characteristics in Karst Tunnel and Forecast of Water Inrush

WANG Zhepeng1，2， ZHANG Jian3， YE Zhihua4， SUN Bolin4， CHEN Diyang5

(1.College of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590， China； 2.Chongqing Research Institute， China Coal Technology Engineering Group， Chongqing 400039， China； 3.Investigation and Design Institute of Shandong Agricultural University， Taian， Shandong 271018， China； 4.Baokang-Yichang Expressway Construction Headquarters of Hubei Province， Yichang， Hubei 444200， China； 5.Research Center of Geotechnical and Structural Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong 250061， China)

During the tunnel construction in karst areas，water and mud bursting of geological disasters were often happened such as a threat.In this paper，based on analyzing hydrogeology characteristics of karst tunnel，combined with distribution characteristics of karst conduit development，the authors discuss these segment may occur water and mud inrush，provide the basis for prevention of water fathering.

karst tunnel； hydrogeology； prediction of quantity of water inrush

2015 — 03 — 31

國家自然科學(xué)基金面上基金(51479106)；湖北省交通運輸廳科研項目(BYXYKY2012-003)

王者鵬(1982 — )，男，山東濰坊人，博士研究生，主要進(jìn)行礦山安全方面的研究。通訊作者：張 健，E-mail：zhangj614@163.com

U 456.3+2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0007 — 04