化马隧道突涌水灾害分析及涌水量预测

周 泉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 工程概况

化马隧道位于甘肃省陇南市宕昌县境内，为一座双线隧道，隧道全长12 580 m。进口端DK301+384—DK303+424段穿越二叠系灰岩地层，设计为12.8‰的单面下坡。

隧道范围内主要有2条平行线路走向的河流，分别位于隧道西侧约1.5 km距离的小岷江及东侧约11 km距离的角弓沟。

化马隧道进口端施工至DK302+926时，掌子面围岩为二叠系灰岩，节理裂隙较发育，超长炮眼探测时，出现水流喷射距离瞬间达到25 m左右的高压涌水。

2 补充勘察及成果分析［1］

长大深埋岩溶隧道地质勘察工作虽有初测、定测及补充定测三个阶段，也采用了物探、钻探及大量的地质调查等手段，但由于地下岩溶分布特征的复杂性、多变性、不确定性及前期勘察手段的局限性，仍难以保证勘察成果满足施工需要。作为前期勘察延续的配合施工阶段，具有针对性强、手段多样、准确度高等特点，应做为岩溶隧道勘察的重要阶段［2］。

为了掌握本次涌水的性质，补给、径流和排泄条件及地下水空间分布特征，进行了航片判释、大范围的补充地质调查、水量和水压监测、超前地质预报及水文地质分析评价等工作，为涌水处理方案提供了充分依据。

2.1 航片判释

根据航片判释(图1)，二叠系灰岩南北两侧发育有F4，f36两条断层，山梁顶部发育溶蚀洼地群，地表植被不发育。小岷江左岸发育泉水(化马神泉)，根据岩性及隧道与地下水补给、排泄的位置关系，初步确定地下水类型为岩溶水，需进一步查明岩溶水的补给、径流、排泄特征。

图1 航片判释图

2.2 地质调查

DK302+926出现涌水的地层为二叠系灰岩，出露范围较宽，存在溶蚀洼地群，地表植被不发育，且灰岩与大里程方向的石炭系灰岩呈断层接触。为此对二叠系灰岩岩溶现象进行了补充调查，对地下岩溶水的补给、径流、排泄条件进行了深入分析研究。

2.2.1 溶蚀洼地调查

对线路左侧4.5～7.0 km处的分水岭附近溶蚀洼地进行调查，溶蚀洼地总面积约12 km2，发育有溶蚀漏斗，整体形态呈零散及串珠状分布，呈SN～N45°E方向线状排列，主要受岩层及主构造线走向控制，洼地分布高程在3 012～3 187 m。

2.2.2 角弓沟河谷调查

角弓沟沟心高程约1 900 m，沟内水量较大，在二叠系灰岩出露段岩溶现象十分明显，泉水发育，同时在角弓沟右岸化马隧道侧，有沿层理发育的伏流入口。

2.2.3 化马神泉调查

小岷江河谷化马神泉位于线路右侧垂直距离约1 500 m处，高程1 310 m，一般流量8 000 m3/d(枯)～40 000 m3/d(丰)。化马神泉附近沿河谷河床以上50～200 m沿层理零星见有洞径＜2 m的干溶洞。分析认为化马神泉为溶蚀洼地地下水集中排泄点。

对掌子面涌水及化马神泉采样，进行了水质分析化验，结果见表1。

表1 水质分析化验指标对照 mg/L

表1的水质分析结果显示，隧道水与化马神泉地下水中代表石灰岩的主要离子Ca2+和HCO－3的浓度十分接近。因此从水质分析结果来看，隧道水与化马神泉水有明显的相关性，可知隧道涌水袭夺泉水而来且连通性好［3］。

从地面补充调查分析，二叠系灰岩地下水以大气降水通过洼地补给，岩溶水系统走向与构造线走向基本一致，在小岷江以泉水形式排泄(图2，图3)。

图2 地质调查成果平面示意

图3 地下水径流剖面示意

2.3 水量、水压监测

DK302+926发生突涌水后，对涌水量进行了监测，涌水量保持在(1.5～7.0)×104m3/d，总体特征是随开挖进度、大气降水变化而变化，并表现出静储量变化对涌水量影响极大(图4)。

图4 涌水量观测曲线

对已封闭的超前钻孔水压进行了观测和量测，2011年1月5日初始超前钻孔实测水压在2.0 MPa左右，至2011年9月水压无变化。根据水量水压观测分析，地下水连通性较好，补给来源丰富。

2.4 掌子面超前地质预报［4-5］

突涌水以来，为查明掌子面前方、隧道周边，特别是顶底板岩溶发育状况［6］，按照长短结合，以短为主的原则，先后进行了TSP、红外探水、地质雷达及电法超前预报及超前探孔工作。

2.4.1 物探预报［7］

探地雷达、红外探水及电法在此隧道实际利用价值不大，探地雷达受掌子面平整度影响，红外探水受洞内其他因素干扰，电法受水泵漏电影响。TSP方法数据可靠、结论准确，故质量较高，预报长度104 m，含4个物性分带。分析结论如下(图5):①存在强反射界面，推断局部节理裂隙发育，围岩含水;②强反射界面密集分布，推断节理裂隙发育，为主要赋水段;③没有明显的反射界面存在，围岩动力学参数基本在该类岩石的正常波动范围之内，推断岩体完整性相对较好，围岩含水量相对降低;④围岩波速值出现明显的降低，泊松比增大，动态杨氏模量明显降低，推断为破碎带的可能性较大，有富水或发育岩溶的可能性。

图5 预报位置及推断结果示意

掌子面前方物性分带的主要特征为:总体上各带与隧道轴线呈大角度斜交，各分带边界在右边墙先于左边墙出现;反射界面主要发育在测试断面下部(测试断面距隧道底面高度1 m左右)，倾向与目前掌子面附近围岩基本一致。

2.4.2 超前水平钻孔

为查明掌子面前方工程地质、水文地质特征并达到释能降压［8］的目的，在掌子面布置了超前水平钻孔。通过超前探孔判断前方岩溶水突涌水界面不规则，且水压高，说明前方储水体具有连贯性好、补给稳定的特点。

3 涌水原因分析

3.1 岩性及构造因素

二叠系灰岩为碳酸盐岩石，构成了岩溶形成的内在因素和物质基础。该套灰岩地层两侧发育断层，为相对隔水带，即形成了封闭的可溶岩储水体，严格地控制了岩溶的发育和空间分布格局，地下水径流通道与岩层走向、构造线方向一致。

本区新构造运动以差异升降为主要特征，第四纪以来受喜马拉雅造山运动的影响，该区卷入青藏高原总体隆升，使山地高程达3 700 m以上。其它地区以升降运动为主，形成高山、深谷的特殊地貌。水文网深切，小岷江阶地高程可达200 m，导致地下岩溶水流通管道空间位置、水头差变化，隧道正处于现今岩溶通道的水平径流带内，且水压高。

3.2 自然条件

隧道所属区为温带半湿润气候与高寒湿润气候的过渡带上，最高气温35℃，最低气温－16.9℃，年平均降水量583.9 mm，年平均蒸发量1 234.1 mm。地表植被不发育，致使地下水碳酸盐浓度较高，水流循环速度快，有机酸含量等适合形成中等发育的岩溶裂隙及小管道［9］类型的岩溶。

3.3 良好的补径排条件

鸡公坪溶蚀洼地群面积达12 km2，且溶蚀漏斗发育，有利于地表水汇集、下渗;地下水以岩溶裂隙水、小管道水形式径流，连通性好;该岩溶水以泉水的形式排泄，水量大，随季节变化大。

4 涌水量预测

4.1 静储水估算

隧道涌水主要由动储量和静储量组成。岩溶地区地下水由于存在有溶隙、管道、溶洞等形式的储存空间，根据长时间水量观测总结出，岩溶地区地下水的静储量水是隧道涌水的重要组成部分，不可忽视。

根据涌水特征，DK320+926段静储量按影响宽度5 km，静水头高度100～300 m，裂隙及岩溶率5% ～10%计算，静储水量＞1 000万m3。

4.2 动储量预测

受水压、影响宽度、岩溶裂隙率控制的静储量计算方法简单。动储量计算方法很多，但各种方法都有其适用范围，存在一定局限性，现简述如下。

1)枯水期地下水径流模数法与水理统计法计算的岩溶隧道枯水期涌水量应较接近，但由于未考虑隧道与含水体相对位置关系，且地表径流并不能代表地下水排泄量，所以造成较雨季的隧道实际涌水量明显偏小。

2)降雨入渗法是水均衡的简易算法，是非均质地层计算隧道涌水量的最典型、最常用的方法。但往往用汇水面积替代集水面积，入渗系数受时间、空间、气象条件影响较大，故计算结果偏差较大。适用于对涌水量做宏观、概略的预测。如正确取值则可以准确计算隧道涌水量。

3)洼地入渗量法、泉流量汇总法的应用条件为封闭洼地内大气降水全部直接进入隧道，隧道施工影响范围所有泉水水量的总和，即为地下水总排泄量，以隧道开挖后将袭夺全部泉水为前提。该方法计算结果与实际相差较大。

4)水文地质比拟法［10］、涌水曲线反馈分析法［11］均需建立在隧道涌水长期观测数据的基础上，如水文地质条件相同，涌水规律总结准确，则预测水量精度高，但工作量大，周期长。

因此，根据不同的补给条件、边界条件，应选择正确的计算方法，准确预测涌水量。

可溶岩地层隧道涌水量一般多为非均质地层，地下水流动多处于紊流状态，根据隧道涌水情况及涌水发生后进行的补充调查、超前地质预报等工作综合分析，宜采用降雨入渗法计算涌水量。

式中:Q为隧道通过含水体地段的雨季涌水量或设计频率暴雨涌水量，m3/d;α为降雨入渗系数;X为设计频率降雨量，mm;A为隧道集水面积，km2;η为地下水涌入系数，一般取η=0.2～0.6。

该地区一次最大降水量59.5 mm，汇水面积8.83 km2，α 取值0.5，计算补给量为52 539 ～157 617 m3/d。

5 结语

1)随着我国经济的发展，社会需求的增大，施工技术水平的提高，大量高等级铁路得以修建。复杂地质条件下的长大隧道越来越多，同时带来了岩溶隧道突水、突泥、淹井等重大地质灾害事故频发，对工程造成重大损失，严重影响施工进度。因此，论文以化马隧道进口突涌水为例，介绍了岩溶隧道勘察方法及涌水灾害形成原因，并对隧道涌水量预测方法进行分析、总结，对岩溶隧道工程、水文地质勘察具有借鉴意义。

2)隧道施工发生洞内突涌水现象，应通过地质调查查明其补给及排泄特征，初步判定地下水通道的走向;并辅以洞内地质超前预报等手段，查明隧道通过段落地下水空间分布特征，正确指导施工方案选择，避免事故发生。

3)岩溶隧道涌水量的预测，因补给条件不同，边界条件限制，计算结果与实际会出现较大的偏差，因此定量评价还有待进一步研究。

4)通过涌水成因分析及涌水量的预测，考虑水压的高压力状态，最终提出了迂回坑道的处置方案，取得了良好的效果。

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