某岩溶隧道水文地质分析与涌水量预测

王者鹏， 张 健， 叶志华， 孙柏林， 陈迪杨

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 3.山东农业大学 勘察设计研究院， 山东 泰安 271018； 4.湖北省保康至宜昌高速公路建设指挥部， 湖北 宜昌 444200； 5.山东大学 岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061)



某岩溶隧道水文地质分析与涌水量预测

王者鹏1，2， 张 健3， 叶志华4， 孙柏林4， 陈迪杨5

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 3.山东农业大学 勘察设计研究院， 山东 泰安 271018； 4.湖北省保康至宜昌高速公路建设指挥部， 湖北 宜昌 444200； 5.山东大学 岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061)

岩溶区隧道施工时常面临突水突泥等地质灾害的威胁，结合岩溶区某隧道，从水文地质的角度分析隧址区地层、岩溶水系统、岩溶水动力分带和地质构造等和突水突泥灾害相关的因素，根据分析结果预测岩溶突水量，分析可能发生突水、突泥的区段，为隧道安全施工提供依据。

岩溶隧道； 水文地质； 突水量预测

1 概述

我国是建成隧道最长、数量最大的国家，也是隧道穿越各种水文地质条件最复杂的国家，同时是隧道发展建设最多、最快的国家。由于地质条件复杂多变，在岩溶发育的山区，隧道施工常常面临突水突泥等地质灾害的威胁，时常造成重大的经济损失与人员伤亡事故。造成这些问题的原因，除了客观上岩溶地质条件比较复杂以外，对于岩溶隧道勘察、涌水评价理念和方法不科学等因素，导致了灾害性涌水的判别不准确，事故频发[1-6]。

本文结合某岩溶隧道的水文地质特征经行综合分析研究，对隧道涌突水进行分析预测评价，有效遏制了突水突泥等大型地质灾害的发生，隧道的安全施工得到了保障，对其类似工程具有借鉴意义。

2 工程概况

某隧道是湖北省西北部的一座分离式隧道，位于襄阳市南漳县巡检镇境内。隧道长3 865 m，属特长隧道；坡比为-0.518%，最大埋深约485.2 m，进洞口走向方位角125°，出洞口走向方位角143°；进、出洞口、洞门采用端墙式，单洞设计宽10.25 m，高5.0 m；钻爆法施工。

该隧道地层为上白垩系罗镜滩组石灰质砾岩，地表岩溶发育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大气降水直接通过落水洞、漏斗灌入地下，为典型的强岩溶隧道，隧道突水、突泥风险极大，并可能引发一系列地质灾害。

3 工程地质条件

隧道区微地貌属构造剥蚀侵蚀中低山地貌，海拔高程一般约为333.0～802.0 m，隧道穿越数座山体，经过区域地表地形整体起伏大，地形陡，排水不畅，溶蚀洼地发育。隧址区内断裂构造发育，主体构造为规模巨大的通城河断裂带，还有曾家沟断裂、尚家湾断裂、任家沟断裂，主要影响隧道的为尚家湾断裂。

隧址区地层主要为白垩系红花套组(K2hn)泥质粉砂岩、块状砾岩；白垩系罗镜滩组(K2lj)块状砾岩、泥岩及泥质粉砂岩；三叠系嘉陵江组(T1j)中厚层白云质灰岩及大冶组(T1d)薄层灰岩。白垩系岩层与三叠系岩层系非整合接触，隧道沿线岩层产状变化不大，地层产状为290°∠22°，岩体垂直裂隙发育(见图1)。

图1 隧道区工程地质剖面图Figure 1 Geological profile of tunnel

4 岩溶发育特征

4.1 岩溶形态特征

隧道区为古岩溶谷地，具有丰富的地表和地下岩溶形态。岩溶干沟遍布，沟底为岩石角砾、块石覆盖，具有较强的透水性。岩溶洼地发育，底部发育串珠洼地以及落水洞、消水洞、天窗等。落水洞、消水洞、天窗、渗坑在区内普遍存在，为地下岩溶管道和暗河的主要水流补给通道。在丘从洼地、峰丛洼地溶丘洼地处分布有岩溶管道和溶缝。

4.2 岩溶发育规律

隧道区内岩溶发育受地层岩性和地质构造的控制。隧道通过的碳酸盐组主要是三叠系下统嘉陵江组，基本为纯碳酸盐，岩溶发育强烈。区内主要存在北东向北西向两组构造，尚家湾、张家冲一带的洼地、岩溶管道主要是沿北东向构造发育；横冲一带的洼地、岩溶管道沿北西向的构造发育。

5 岩溶水文地质特征

5.1 岩溶含水层

隧道区主要揭露了三叠系和白垩系地层，第四系残坡积主要分布于洼地和斜坡地带。

① 纯碳酸岩含水岩组。该含水岩组含水量丰富，岩溶发育强烈；区内主要为三叠系下统嘉陵江组(T1j)，灰色中～厚层状白云岩、白云质灰岩含水层，含水介质主要为溶隙及岩溶管道，隧道长约800 m在该层中。

② 不纯碳酸岩连续性溶洞裂隙含水岩组。该含水岩组含水量丰富，岩溶强发育；隧道大部分白垩系罗镜滩组(K2lj)灰紫色、灰色厚层石灰质砾岩、砂砾岩区，砾石多为灰质角砾，钙质交接，孔隙、裂隙发育，为特殊的强岩溶含水层。

5.2 岩溶垂向水动力分带

通过对尚家湾地区水文地质调查研究发现，该区岩溶垂向水动力分带有表层岩溶带、垂向渗滤带、季节变动带、水平径流带[6-8]，见图2。

① 表层岩溶带：由于土层相当普遍，该带厚度较大，形成较多小泉水，隧道出口处有多处表层泉。

② 垂向渗滤带：主要地表径流通过纵向岩溶裂隙、消水洞、溶缝等下渗，该带岩溶发育程度极不均一，发育深度变化大，一般为20～100 m。

③ 季节变动带：受降雨影响，地下水赋存的深度产生季节性变动，是岩溶作用较强的地带，隧址区变化带厚度为20～30 m。

④ 水平径流带：由于隧址区地形高差较大，溶蚀切割较深，水平径流带埋藏较深，一般在160～200 m以下。

图2 隧道区岩溶水动力分带图Figure 2 Hydraulic belt of karst water of tunnel

5.3 岩溶水系统特征

隧址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作用，可划分为 2个岩溶水系统：

① 隧道岩溶水系统：该岩溶水系统主管道与隧道轴线立交，对隧道影响较大。系统以北东向展布于尚家湾一带，出口为一溶洞，高程为315.0 m，以季节性泉的形式出露，洪水流量可达40～60 L/s；其西边界为尚家湾洼地与曾家沟的地表分水岭，东边界为白果树垭-王家塘一带的地表分水岭，分布面积3.5 km2。补给渗流区发育于隧道大部分白垩系罗镜滩组(K2lj)灰紫色、灰色厚层石灰质砾岩、砂砾岩区，排泄区发育于三叠系下统嘉陵江组(T1j)，灰色中～厚层状白云岩、白云质灰岩区。

② 横冲岩溶水系统：该系统位于隧道北侧，对隧道影响相对较小。

从水文地质特征分析，尚家湾岩溶水系统地下水主要岩溶管道为储存空间和运移通道，地下水接受大气降水，通过洼地灌入式补给，径流排泄通畅，流量季节变化明显，该系统是造成该隧道突水灾害的次要岩溶水系统。

6 隧道岩溶涌水分析

6.1 隧道岩溶涌水评价

从岩溶垂向水动力分带和枯水期水头高度分析，隧址区岩溶水位大部处于饱气带和季节变动带中(见表1)。

综合岩溶水位、岩溶水系统和地质构造分析，本隧道具备了岩溶涌水的必要条件，其涌水机率极大。YK64+450～YK64+600和YK68+000～YK68+070段隧道硐身处于季节变动带，但从区域水文地质分析，此段处于岩溶水系统的补给、径流区，产生季节性突水机率较小；但该段要注意溶洞充填物坍塌的问题和雨季，特别是大雨过后极易产生突水、突泥等灾害。K64+600～YK68+000段，隧道硐身处于饱水带，特别是K65+100～YK66+200段处于浅饱水带，且构造发育，可能遇到裂隙状溶洞、岩溶管道或大型洞穴，造成突水。故此段硐身揭露大型溶洞的机率较高，初期涌水主要来源于静储量，其压力高、水量大、突然性强，极易造成重大事故。后期水压力随之降低，水流量也逐渐减小，最后趋于稳定。

表1 隧道岩溶水位分类表Table1 Sortedtableofthekarstwaterleve序号桩号岩溶水位分类与岩溶水系统的关系1YK64+300～YK64+450包气带2YK64+450～YK64+600季节变动带3YK64+600～YK68+000饱水带尚家湾岩溶水系统的下部4YK68+000～YK68+070季节变动带5YK68+070～YK68+159包气带横冲岩溶水系统的下部

6.2 隧道岩溶涌水量预测

对于涌水量预测，综合考虑隧道所处的岩溶水动力分带和岩溶发育程度及岩溶发育特征，涌水来源主要是大气降雨通过洼地、漏斗、落水洞直接入渗引起，所以预测方法采用洼地渗入法(大气降水入渗系数法)和地下水疏干法[9]。对于位于浅饱水带的隧道，水头高度50～100 m，且发育有岩溶裂隙、岩溶管道。隧道涌水量需要考虑静储量(QS)和雨期动储量(Qf)。计算参数见表2，计算结果见表3。

① 静储量(Qs)涌水：

式中：N为涌入系数；μ为给水度；H为隧道底板以上含水层厚度，m；Fs为降落区汇水面积，km2；Ts为疏干时间，d。

表2 涌水量预测成果参数表Table2 Parametertableofforcastingofwaterinflow桩号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 涌水量预测成果表Table3 Resulttableofforcastingofwaterinflow桩号YK65+000～YK66+300YK66+300～YK67+550QS/(m3·d-1)1.80×1041.34×104Qf/(m3·d-1)1.88×1040.60×104

② 雨期动储量(Qf)涌水：

式中：N为涌入系数；α为入渗系数；A为降雨量，mm；Ff为降落区汇水面积，km2；Tf为降雨周期，d。

6.3 涌水量预测结果分析

综合表1计算结果、岩溶水系统、岩溶水动力分带和工程地质特征，对YK65+000～YK66+300段和YK66+300～YK67+550段分析见表4。

6.4 隧道施工实测涌水量情况

该隧道在整个施工工程之中共发生了4次突水突泥和5处岩溶管道，具体见表5，图3。

表4 隧道涌水量预测成果分析表Table4 Analsisresulttableofforcastingofwaterinflow桩号结果分析施工建议YK65+000～YK66+3001.本段处于地下浅饱水带,岩溶相当发育,隧道涌水难免;2.枯水季节:隧道施工揭露的岩溶管道的最大初始流量为1.80×104m3/d,流量为衰减型流量;3.丰水季节:2天降雨100mm引起的涌水量为1.88×104m3/d,隧道涌水滞后12～24hYK66+300～YK67+5501.本段处于地下浅饱水带,岩溶相当发育,隧道涌水难免;2.枯水季节:隧道施工揭露的岩溶管道的最大初始流量为1.38×104m3/d,流量为衰减型流量;3.丰水季节:2天降雨100mm引起的涌水量为0.6×104m3/d,隧道涌水滞后12～24h。由于径流该段的雨水直接影响不大1.建议隧道施工在枯水季节快速通过;2.做好超前地质预报和监测工作,及时发现灾害源及时采取处理措施,确保安全施工

表5 隧道涌水情况表Table5 Resulttableofwaterinflow桩号涌水时间涌水量/(m3·h-1)突泥量/m3突水、突泥时间YK65+4212013-07-197007700雨后1dYK65+9202013-09-066506800雨后1.6dYK66+4802013-11-285803600无雨YK67+3362014-06-217704400雨后2d

图3 雨后隧道涌水现场照片Figure 3 Photo of water bursting in the tunnel after rainstorm

从实际突水量与预测突水量来看，实际涌水量略小，但与预测涌水量相差不是太大；突水时间一般在雨后1～2 d，说明突水受降雨的影响较大。涌水量预测与实际情况基本相符，表明预报方法是合理的。

7 结论

① 该隧道为典型的强岩溶隧道。地层为上白垩系罗镜滩组石灰质砾岩，地表岩溶发育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大气降水直接通过落水洞、漏斗灌入地下。

② 综合岩溶水位、岩溶水系统和地质构造分析，该隧道具备了岩溶涌水的必要条件。隧道硐身处于饱水带、季节变动带，隧道施工揭露大型溶洞的机率较高，特别是大雨过后极易产生突水、突泥等灾害。涌水具有压力高、水量大、突然性强等特点，极易造成重大事故。

③ 通过实际突水量、突水时间与预测突水量、突水时间的对比，涌水量预测与实际情况基本相符，表明突水量预测是合理的。

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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

国家自然科学基金面上基金(51479106)；湖北省交通运输厅科研项目(BYXYKY2012-003)

王者鹏(1982 — )，男，山东潍坊人，博士研究生，主要进行矿山安全方面的研究。通讯作者：张 健，E-mail：zhangj614@163.com

U 456.3+2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0007 — 04