仰头山隧道岩溶水文地质特征及涌突水预测

陈先兰，王宇驰，吕 玲，张勤丽

(1.荆门市民防办公室，湖北荆门 448124;2.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

仰头山隧道岩溶水文地质特征及涌突水预测

陈先兰1，王宇驰2，吕 玲2，张勤丽2

(1.荆门市民防办公室，湖北荆门 448124;2.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

仰头山隧道是重庆市黔江—湖北省恩施高速公路重难点和控制性工程之一，需穿越二叠系、三叠系岩溶发育区，水文地质条件复杂。从岩溶发育特征、含水岩组富水性、地下水系统特征、地下水结构特征等论述隧道岩溶水文地质特征，采用降雨入渗法、径流模数法、古德曼公式法、裘布依公式法等多种方法进行隧道涌水量预测，并结合岩溶管道发育分布特征，讨论可能发生突水突泥的区段，为隧道涌突水防治及环境保护提供依据。

隧道;岩溶;水文地质特征;涌水量预测

0 引言

仰头山隧道是重庆市黔江—湖北省恩施高速公路重难点和控制性工程之一［1］，隧道全长5 385 m，为分离式双洞隧道，单洞设计宽10.25 m，高5 m，最大埋深466 m，线路纵坡1% ～1.52%，隧洞总体呈近东西向展布，横穿轴向北东—北北东的黔江背斜、龙泉洞向斜，跨越三叠系大冶组、茅口组、栖霞组等碳酸盐岩含水岩组，水文地质条件极为复杂，可能导致岩溶突水突泥，将对隧道建设产生重要影响。本文在综合分析研究仰头山隧道水文地质特征的基础上，对隧道涌突水进行初步的分析预测评价，为隧道涌突水防治及环境保护提供依据。同时为类似条件下隧道岩溶涌突水防治提供借鉴。

1 地质环境条件概况

隧道区属渝东构造侵蚀溶蚀中低山地貌［2］，山体走向与主构造线一致，呈北北东—北东向展布，总体地势为北西高，南东低，东侧，北东侧及南西侧分别被阿蓬江及其右岸支流段溪河，黔江河围限，整体呈现三条溪河与岩溶槽谷围限的河间地块，北西部撮箕山最高，海拔1 130 m，东部阿蓬江河床高程420～430 m。

仰头山隧道区出露地层主要以海相沉积的碳酸盐岩为主，间少量陆相沉积碎屑岩。黔江复背斜核部出露志留系碎屑岩，北西翼由泥盆系—二叠系地层组成［3］，地层产状 290°∠10°～30°;南东翼依次出露泥盆系—三叠系嘉陵江组地层，地层产状120°∠40°～70°。

2 岩溶水文地质特征

2.1 岩溶发育特征

区内岩溶发育具有明显的成层性、不均匀性和垂向分带性等特征。

据统计，区内落水洞、漏斗(38处)多集中于山盆期第一亚期(高程1 000～1 200 m)、二亚期岩溶台面(高程750～1 000 m);溶洞则集中发育于920～1 030 m、730～750 m、430～660 m高程，具有明显的成层性分布特点。

岩溶发育具不均匀性，地形上岩溶集中发育于剥夷面槽谷洼地中;就构造部位而言，岩溶集中发育于向斜近核部地带和岩相变化带附近;地层上大型岩溶形态则主要发育于二叠系下统、上统长兴组、三叠系下统地层分布区。

此外岩溶发育还具有向深性与垂向分带性特点，溶蚀沟槽中嵌套洼地，洼地中套置落水洞现象多见，岩溶发育在垂向上大体可划分为垂向洞隙带、水平管道带、深部孔隙带，岩溶形态各具特色。总体而言，隧道区岩溶多具顺层、沿构造线发育的特征，隧道工程主要从垂向洞隙带与水平管道带之间穿越，岩溶槽谷溶洞等大型岩溶形态方向多与主构造线近于一致(见图1)。

2.2 含水岩组富水性

(1)强富水 强透水的碳酸盐岩含水岩组:三叠系嘉陵江组(T1j)、三叠系大冶组下段(T1d1)、二叠系长兴组(P2c)、茅口组(P1m)碳酸盐岩，质纯层厚，出露面积大，岩溶发育，地下暗河流量一般为50～80 L/s。

(2)中等富水 中等富水的碳酸盐岩含水岩组:二叠系吴家坪组(P2w)泥质灰岩夹页岩、栖霞组(P2q)灰岩泥质灰岩夹碳质、粉砂质页岩、三叠系大冶组上段(T1d1)泥质灰岩夹页岩，巴东组第三段(T2b3)泥质灰岩夹粉砂岩、泥岩。受局部隔水层阻隔，形成接触岩溶发育带，岩溶泉流量一般为1～10 L/s。

图1 仰头山隧道地质剖面图Fig.1 Geological section of Yangtoushan tunnel

(3)隔水岩组 二叠系梁山组(P1l)，志留系、泥盆系页岩，粉细砂岩，含水透水性微弱，为区域隔水岩组，仅于局部强风化岩体及构造发育地带赋存少量裂隙水，一般泉流量＜1 L/s。

2.3 隧道岩溶水系统特征

通过对仰头山地区专项水文地质调查研究，隧道区受地形地貌地质构造地层岩性及岩溶水动力条件等因素综合作用，可大体划分为4个岩溶水系统(见图2)。主要特征分述如下:

(1)仰头岭向斜二叠系栖霞与茅口灰岩岩溶水系统 该岩溶水系统位于隧道K9+350—K10+140段处，近南北向出露，出露宽度为790 m，分布面积15.43 km2，分布高程 790 ～1 113.6 m，隧道近东西向在其下方通过该岩溶水系统(见图2)，与其距离65～488.6 m，隧道与其不直接发生水力联系，但是，有断裂与其相连，使其成为隧道工程的突水水源，而断裂则成为其突水途径。断裂部位可能会成为突水突泥地段。另外，该岩溶水可通过志留系地层中的裂隙向其下方的隧道中下渗，但因志留系地层渗透性差而含水量有限。

(2)黔江背斜二叠系栖霞与茅口灰岩岩溶水系统该岩溶水系统分布于隧道K12+000—K12+750段处，近南北向出露，出露宽度为750 m，分布面积4.90 km2，隧道近东西向从该岩溶水系统含水层中贯穿，隧道与岩溶水系统夹角为60°。该岩溶水系统地下水为潜水，据ZK3号孔揭示:该隧址处地下水位埋深19.53 m，水位高程794.94 m。隧址高程635 m左右，该段隧址处于全充水饱水状态，且水压大，水头压力差高达近160 m。

(3)黔江背斜二叠系长兴灰岩和三叠系大冶灰岩岩溶水系统 含水岩组下段二叠系上统长兴组(P2c)，分布于隧道K12+800—K13+100段处，近南北向出露，出露宽度为300 m，分布面积2.34 km2，隧道近东西向贯穿该岩溶水系统，隧道与其夹角为61°。含水岩组上段三叠系下统大冶组第二段(T1d2)与第三段(T1d3)，分布于隧道K13+124—K13+490段处，近南北向出露，出露宽度为366 m，分布面积2.72 km2，隧道近东西向贯穿该岩溶水系统，隧道与岩溶水系统夹角为70°。该岩溶水系统地下水为潜水。据CS16号钻孔(孔位位于ZK12+948)揭示:该处的地下水水位埋深48.5 m，水位高程771.1 m，而隧址高程630 m左右，隧址处于全充水饱水状态，且水压差高达近140 m。

(4)黔江背斜三叠系嘉陵江灰岩岩溶水系统 该岩溶水系统分布于隧道出口段平缓地带，近南北向出露，出露宽度为198 m，分布面积8.32 km2，隧道近东西向贯穿该岩溶水系统西北局部，隧道与岩溶水系统夹角为66°。该岩溶水系统地下水为潜水。据CS6号钻孔(孔位位于ZK13+541)揭示:该处的地下水水位埋深15.0 m，水位高程631.35 m，而隧址高程622 m左右，隧址出口处，处于半充水饱水状态，水压差不足10 m。

2.4 岩溶水文地质结构特征

受多个相对隔水层的阻隔及岩溶发育的不均一性影响，区内水文地质结构较为复杂，在栖霞组、大冶组地层分布区，岩溶水多以表层岩溶泉的形式排泄，即使在茅口组、嘉陵江组等纯碳酸盐岩分布区，受构造及地形条件制约，岩溶水也不具有统一的地下水位，深部岩溶水主要以水平岩溶管道的方式径流，排泄点均接近于当地最低侵蚀基准面高程，而此岩性区泉水出露高程远高于暗河出口，二者无水力联系，不具统一的地下水面。

图2 工作区岩溶水系统图Fig.2 System diagram of karst water in working area

岩溶水径流方向总体受构造线方向控制，大体以撮箕山一带地表分水岭为界，分别向北东、南西径流。地质构造对于岩溶管道的发育与定型起着主导控制作用，主要体现在与主构造线方向一致的张性节理裂隙或断裂发育。黔江复背斜轴面倾向北西，北东向及北北东向两组节理发育，北西翼岩层缓倾，且受下伏志留系砂页岩阻隔，仅有表层岩溶泉出露。南东翼岩层产状较陡，地下水在纵向径流过程中受横向或倾向优势结构面控制，具有自南西向北东径流的特点，最终于南东翼发育有多个地下暗河集中排泄点，形成纵横交错的岩溶管道系统。

3 隧道涌水量预测

3.1 计算方法与参数选取

仰头山隧道多为背斜翼部富水，各隧洞段处于岩溶地下水的饱气带、水平循环带，水文地质条件差异性较大。从目前的勘测精度来看，适宜于水文分析法中的径流模数法和水均衡法中的降水入渗法作总体性概略评估。此二种方法对统一含水层强岩溶带、地下水水平径流带的涌水预测有较好效果。然后在此基础上，根据已有勘察资料，采用水动力学方法中的古德曼公式法、裘布依公式法进行验算，以利于分析对比。本次计算参数是在试验取值，区域与经验参数类比取值并参考邻区同类含水岩组参数的基础上综合分析确定。计算参数见表1，计算结果见表2。

(1)径流模数法:

式中:Q——隧道通过含水地段的正常涌水量(m3/d);M——平均地下径流模数(m3/d·km2);F——隧道通过含水体地段的集水面积(km2)。

(2)降雨入渗法:

式中:Xdcp——多年月最大降水量的日均降水量(mm);α——降水入渗系数;η——根据水文地质条件的涌水折减系数。

(3)古德曼公式法:

式中:Q0——隧道通过含水体地段的最大涌水量(m3/d);K——含水体渗透系数(m/d);H——静止水位至洞内横断面等价圆中心的距离(m);L——隧道通过含水体得长度(m)。

(4)裘布依公式法:

式中:Qs——隧道正常涌水量(m3/d);K——含水体的渗透系数(m/d);H——洞底以上潜水含水体厚度(m);h——洞内排水沟假设水深(m);Ry——隧道涌水地段的引用补给半径(m);L——隧道通过含水体的长度(m)。

表1 涌水量预测成果表Table 1 Result table of forcasting of water inflow

表2 涌水量预测成果表Table 2 Result table of forcasting of water inflow

3.2 计算结果评述

综上，表1中径流模数法反映的是区域性岩溶与地质条件得出的涌水量，可视为“平均”稳定涌水量，对各洞段条件差异性反映不明显，尤其是碎屑岩洞段涌水量明显偏大，降水入渗法反映的是各时期的涌水量，未充分考虑岩溶发育差异性，因此在强降雨时期，涌水量偏大。降雨量取值为多年月最大降水量的日均降水量，计算结果与径流模数法相近，可视为隧道的最大涌水量;降水量取值分别为当地多年平均年最大及日最大降雨量，最大日涌水量达近50万m3，此为日降水量182.5 mm，且隧道掘进遭遇大型岩溶管道出现的涌水量，由于隧道处于水平管道与深部空隙带之间，在遇最大降水量时同时遭遇大型管道的机率较小，故该涌水量出现可能性较小，但从安全角度出发，涌水量预测数值建议丰水期为1 000～40 000 m3/d，丰水期最大值为50×104m3/d。

4 问题讨论与建议

(1)仰头山隧道具有长度大、埋藏深的特点，由于隧道段大部分处于岩溶强烈发育的地下水补给径流带与深部循环带内，因而施工遭受突水突泥的可能性较大，其部位主要是K11+900—K13+600碳酸盐岩分布区段。尤其是 ZK12+010—ZK12+865、ZK12+010、ZK12+865洞段的岩相变化接触带，地下水富集活动强烈，不但易产生突水突泥问题，还可能导致结构破坏，岩性软弱的断层破坏带、煤层、页岩产生冒顶灾害，应予密切关注。

(2)对隧道区人口较为集中地区的水文地质条件及可能引发的环境地质问题进一步加强水文地质调查研究，寻找新的水源，查明作为当地群众主要生产生活用水水源的岩溶裂隙泉与隧道工程的内在联系，同时对隧道施工揭露的集中涌水管道进行适当堵水封闭引流，以减少涌水量，尽量减少对地下水环境的破坏影响。

(3)对可能存在涌水涌泥的地段进一步勘查论证，加强隧洞施工超前预报工作，并制定详细的应急处置预案，一旦遭遇突水突泥及时采取适宜措施进行防治。遭遇溶洞较小，地下水流量不大时，可直接进行封堵;水压及水量较大时则应采取引流排导。

［1］ 楚德亮，陈海洋.重庆黔江—恩施高速公路项目仰山头隧道水文地质调查报告［R］.武汉:湖北省地质环境总站，2011.

［2］ 吴碧辉.重庆市黔江区地质灾害调查与区划报告［R］.重庆:地质矿产开发总公司，2002.

［3］ 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.仰山头隧道工程地质勘查报告［R］.武汉:中交第二公路勘察设计研究院有限公司，2010.

(责任编辑:李 雯)

Hydrogeology Characteristics of Karst Water about Yangtoushan Tunnel and Forecast of Water Fathering

CHEN Xianlan1，WANG Yuchi2，LV Ling2，ZHANG Qinli2
(1.Civil Air Defence Office of Jinmen，Jinmen，Hubei448124;2.Hubei Geological Environment Station，Wuhan，Hubei430034)

The paper discusses hydrogeology characteristics from the following aspects:karst development characteristics，water abundance of aquifer，system characteristics of groundwater and structural characteristics of groundwater.The authors make use of rainfall infiltration method，runoff modulus method，Goodman formula method and J.Dupuit formula method to forecast water inflow of tunnel.Combined with distribution characteristics of karst conduit development，the authors discuss these segment may occur inrush of clay and water，provide the basis for prevention of water fathering and environmental protection.

tunnel;karst;hydrogeology characteristics;forecasting of water inflow

P641;U453.6+1

A

1671－1211(2014)02－0172－05

2013－05－08;改回日期:2014－02－17

陈先兰 (1966－)，女，工程师，安全工程专业，从事地震地质灾害预测预报工作。E－mail:272273768@qq.com

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