西南某山区高速公路岩溶隧道的涌水灾害危险性研究

陈紫云，陈敏，代绍述，蓝香源，杨善元，胡聪

(1.成都理工大学，成都 610059；2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017；3.四川省地质矿产勘查开发局909水文地质工程地质队，江油 621701；4.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

西南某山区高速公路岩溶隧道的涌水灾害危险性研究

陈紫云1，2，陈敏3，代绍述2，蓝香源2，杨善元2，胡聪4

(1.成都理工大学，成都 610059；2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017；3.四川省地质矿产勘查开发局909水文地质工程地质队，江油 621701；4.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

西南某山区高速公路越岭岩溶隧道所处区域地质环境条件复杂，全段不仅存在通过岩溶进行地下水近、远程补给而发生涌水突泥的风险，而且勘察发现进口段存在岩溶管道与临近龙湖存在水力联系，存在湖水倒灌的风险。因此，本文以隧道近场区地质建造和构造改造格架为分析物质基础，以地质作用过程机制为分析方法，通过调查、物探及钻探等手段基本查明隧址区环境地质条件，在此基础上建立水文地质原型，对地下水、地表水的补径排关系和渗流场特征，及岩溶空间展布特征展开分析研究，定性到半定量地进行了隧道涌水危险性预测评估，并以评价成果为依据对原隧道平纵布置进行了调整，以进一步降低建设和运营期间的涌水突泥危险性。

隧道；岩溶；涌水；危害

1 岩溶隧道涌水灾害研究现状

关于隧道涌水量专题的预测预报理论研究已有半个多世纪历史，总结了大量的理论方法与经验公式，但不同的方法或公式预测结果相差较大，相比现场实际也有较大误差[1-2]。近年来，施工中也多用物探方法预测涌水，如采用地质雷达、TSP，但物探法存在多解性[3]。因此，涌水预测的根本还是应该建立在地质条件的探查，以及在地质过程机制分析基础上的研究，辅以物探、数值模拟等工具性分析、评价。

1.1 隧道涌水灾害及危害

山岭长隧道建设中，受隧址区地质条件的控制，涌水形成的灾害一直以来就是施工建设及运营中高度关注的议题[4-5]。从揭穿涌突水源及地下水的储水构造类型，涌水可分5类：地表或地下水体、含水岩层、断层破碎带、岩溶管道和其它构造破碎带[6]。持续不断的涌水对建设及运营带来不利，极大地增加了施工和运营风险。若隧道联通地下岩溶管道或是揭露岩溶区导水断层，将可能带来严重的突水事故或形成极大的风险隐患，特别是在隧道埋深大的情况下揭穿这些透水层引发涌水突泥灾害可致更加严重后果。例如[7-9]，寒岭界深埋隧道，揭穿导水断层突发涌水突泥，黄色的水携带泥沙软泥瀑布状喷涌而出，持续3月余，总涌水量达300 000 m3，修复时清除淤泥约6 850 m3，清理泥结碎石坍碴量约3 000 m3；华蓥山隧道施工中揭穿岩溶洞穴，多次发生涌水涌砂，其中最大涌突水达14 400 m3/h，施工难度极大；宜万铁路隧道自开建起相继发生了多次岩溶突水灾难，马鹿箐隧道暗河突水曾造成11人死亡，野三关隧道发生岩溶突水事故，造成52人被淹、10人失踪；G213五指山隧道贯通后发生涌水，总量达90 000 m3/d，持续时间4个月；襄渝铁路大巴山隧道出现灰岩含水层溶洞涌水突泥，最大涌水量为150 000 m3/d，施工中断3个月；等等。

1.2 隧道的涌水预测及研究方法

涌水预测的研究方法综合起来分为定性和定量。定性研究指以水文地质调查方法为主的地质分析[12]，包括水文地质遥感、物探(如导电性EH4、波速及放射性、TSP等)、水文地质测绘、钻孔水文地质调查(水力试验、物理井探与水位长期观测)、水文地质试验(如抽水、注水、封塞、地下水流速测定等)、水文动态观测调查(如雨量站、水压计和量水堰等)等；定量研究是在定性分析建立的水文地质模型基础上，结合其它分析技术，如理论解析、水文地质模拟或数值分析等，将调查所得到的单点及线状资料延伸至平面，甚或进一步扩充至地下三维空间情形，以分析区域地下水文变化情形。定性和定量相辅相成，不可分割。涌水预测计算方法主要有水均衡法、解析法(地下水动力学法)、经验公式法、水文地质比拟法、降水入渗法、地下径流模数法、数值分析法以及非线性理论方法等[1-2]。岩溶隧道涌水预测常用非均质的紊流方法(涌水影响因素、预测方法及危害)进行分析，并根据不同边界条件进行选择。

1.3 岩溶隧道的涌水危险性研究及评价方法

国内外学者针对岩溶隧道突涌水危险性评价开展了大量研究。韩行瑞[13-14]认为，岩溶隧道涌水是隧道与岩溶水系统在四维时空交汇的结果，基于岩溶水文地质学提出了“隧道岩溶涌水专家评判系统”，分析了隧道岩溶涌水的机制并构建了评判模型；张庆松等[15]进行了高风险岩溶隧道的突水风险评价理论和方法研究，建立了突水风险定量评价方法和灾害四色预警机制；杜毓超，等[16]以“岩溶隧道涌水专家评判系统”为依据，采用层次分析技术评判了不同岩溶水文地质条件下隧道涌水的风险性；匡星等[17]建立了岩溶隧道施工期突涌水地质灾害系统，采用模糊综合评价模型对突水、涌泥灾害危险性进行评价；毛邦燕，等[18]通过对岩溶突水、突泥机制的深入研究，提出了定性与定量评价相结合的“隧道突水、突泥危险性分级体系”；李利平，等[19]基于涌突水典型影响因素建立了岩溶隧道突涌水风险模糊层次评价模型，进行了勘察和设计两个阶段的突涌水风险预评价和施工动态评价；许振浩，等[20]基于层次分析法研究了岩溶隧道突水、突泥控制因素与因素权值，提出了岩溶隧道突水、突泥风险三阶段评估与控制方法；等等。

1.4 前人研究成果的指导意义

灾害防治的目的并非杜绝灾害事件的发生，而是保障避免受灾或控制灾害的危害性。显然，在岩溶区越岭隧道选线设计中已充分展露了避险意识，如线路选择在岩溶负地形之间，地下分水岭附近、线路高程避免位于岩溶水位以下、对处于水平径流带及深部缓流带中的隧道采用人字坡、平行导坑设在地下水上游一侧、河谷地区线路选择绕避谷坡上岩溶负地形和无水溶洞群等。但不可回避的是，长大隧道不可避免地要穿越多个不同的水文地质单元，在岩溶水环境和隧道工程活动相互作用、相互影响下，涌突水灾害的发生具有必然性。所以，需要对岩溶隧道涌突水灾害危险性展开评价研究，即评价隧道在特定时间和范围内灾害发生的可能性及危险程度[9]。总体来看，虽然评价和研究方法众多，然而每种理论都有其局限性，例如，风险层次递推模型构造得是否合理、准确是层次分析法分析能否成功的关键，运用模糊综合评判法，因为隶属函数的确定具有一定的随意性，会出现分类不清及结果不合理的情况[21]，等等。所以，实事求是地开展扎实的现场研究，选择和应用适合工程的、合理的理论或方法，才是正确认知岩溶隧道涌突水及其危险性的根本。

2 西南某山区高速公路岩溶隧道的场地特征

2.1 区域自然地理条件

因地质历史上构造作用强烈，区域上以侵蚀-堆积、侵蚀-构造和侵蚀-溶蚀地貌为主，各种地貌类型相互作用，混杂分布，使得总体地形地貌分布、组合显得较为复杂，相对高差数十至数百米，极不均匀。隧址区处于龙河、大河及支沟围切孤立地块，属构造侵蚀、溶蚀的中等切割中山地貌。近场区最高点海拔约1 610 m，总体向北倾斜，坡度15°～25°，最低点龙湖，海拔约800 m，相对高差810 m。拟建越岭隧道穿越山体海拔高程最高点约1 100 m、最低点约762 m，相对高差338 m。

隧址区域上属亚热带湿润季风气候，雨热同季。多年平均气温17.3℃；最热7月的平均26.0℃，最冷1月平均7.3℃；极端气温最高38.1℃，最低-3.3℃。多年平均降水量1 335.5 mm，集中在6～8月，占全年降水量59%；极端降水量年最大1 948.8 mm，年最小913.1 mm；月均最大321.7 mm(8月)，月均最小13.6 mm(12月)。近场区因地形地貌条件复杂多变，兼受环周山脉阻挡，使得气候类型多样，但总体受东南季风的控制，气候垂直分布明显，隧址区显得平均气温较低、阴湿多雾、降水丰沛，年均温10.9℃～15.3℃，1月均温5℃～0℃，7月均温18℃～24℃；年雨雾日300 d左右，主要气象灾害有雷暴、暴雨、阴雨、低温等。

隧址区域上属长江水系，干流全长1 070 km，流域面积9.2×104km2，比降大，水流急，多年平均流量1 407 m3/s，最大洪水流量10 400 m3/s，最小枯水流量320 m3/s。近场区地表水系为大河、龙河及支沟，补给源主要为大气降水。拟建隧道穿越大渡河水文地质单元的龙河和大河两个次级单元，且隧道穿越的山岭为两个次级单元的分水岭。

2.2 岩土体性质及其组合

隧址区出露易溶的白云质灰岩、白云岩、灰质白云岩、泥质白云岩、砂质白云岩及砂泥岩夹层等，溶蚀性差异较大，岩溶洼地、漏斗弱发育，落水洞、溶孔、溶沟、溶槽较发育，存在明显空间差异，规模较小。由于构造挤压作用，近场区地层呈现高度的走向一致性：NW-SE，从而使得隧道穿越了大量地层，走向与构造线和地层走向大致正交。由东至西由三叠系上统须家河组(T3xj)的灰质页岩、粉砂岩、长石石英砂岩、砂质页岩、粉砂岩(多个沉积旋回，含有煤层)，三叠系中统雷口坡组(T2l)浅海至滨海的膏溶角砾岩、绿豆岩、石灰岩及白云岩、钙质页岩、白云质灰岩夹瘤状石灰岩及角砾状灰岩、白云岩组成(表1)。

表1 近场区地层简表

2.3 地质构造与地震地质

近场区地层近单斜，产状约300°～330°∠17°～30°，最大主应力为压应力，方向近东西向，发育与之匹配的裂隙系统。地质构造区域上主要成生于喜山期，构造线展布具一定的方向性，新构造运动表现特征明显，且具断块运动特征；区内褶皱、断层发育，构造形迹以南北向为主，北东向、北西向和东西向次之。褶皱特征向斜开阔、背斜狭窄，断层断距一般较大，部分断层切入基底，并存在多期活动特征。新构造运动较为明显，反映强烈，以间歇性垂直抬升运动为主，小地震活动较频繁。区内阶地较发育，龙镇至大河镇之间保存较全，多为地壳上升、河流下切形成的堆积阶地，主要发育三级，保留最完整的是Ⅰ级阶地和Ⅲ级阶地，尤以Ⅲ级阶地分布最广，形成河流两岸高台地居民聚居区。随着地壳的抬升，河谷下切，因两岸斜坡高陡，形成滑坡，堵塞龙河堰塞形成龙湖；地壳再次抬升，大坪山形成，之后地壳处于相对停歇期，缓慢地上升形成斜坡，在大坪山至太平村一带形成倾斜型夷平面，形成了现今大体构造格架，见图1。

图1 隧道近场区构造纲要简图

(1) 磅磅背斜(11)

为轴面西倾斜歪背斜，轴向近南北，长约9 km，核部较宽缓，最老地层为三叠系飞仙关组，两翼地层为三叠系嘉陵江组～三叠系须家河组，西翼倾角较缓(10°～30°)，东翼倾角较陡(20°～50°)。

(2) 碧山向斜(10)

轴向近南北，长约8 km，核部宽缓，最新地层为三叠系须家河组，两翼较对称，为三叠系雷口坡组，西翼倾角15°～40°，东翼倾角10°～30°，整体向北倾伏，向南仰起并收敛。

(3) 澁水断层(23)

位于隧道进口东侧约200～300 m，走向近南北，被龙湖断层错为两段，南段断面西倾，为西盘上升东盘下降逆断层，断距约50 m；北段延伸情况不明。

(4) 龙湖断层(26)

位于隧道进口北东约1 000～1 200 m，走向东西向，延伸长度约5 km，几乎全被第四系掩盖，断面性质不明，从龙湖形态分析，应为平移正断层。

(5) 朱山断层(25)

为逆断层，位于隧道出口以北250～300 m，走向北东向，延伸长度约1.2 km，断面倾向北西，倾角约25°～30°，北西盘上升并伴有牵引现象，破碎带宽约1 m，断失地层厚度约40 m。

(6) 灌顶断层(24)

逆断层，位于隧道出口北西1 000～1 100 m，走向近南北，延伸约7 km，断面倾西，倾角约48°，破碎带宽约5 m，角砾岩发育，一般3～5 cm大小，呈次棱角状，断距约400 m。

2.4 区域水文地质条件

(1) 松散堆积层孔隙水

赋存于残坡积含砾粉质黏土、碎砾石层中，接受大气降水的入渗补给，向坡下沟谷及下卧层分散排泄。

(2) 基岩裂隙水

赋存于基岩裂隙中，接受大气降水的补给，向坡下沟谷内排泄并汇入龙湖及大河中；隧道洞身段非可溶岩岩石裂隙发育，具有一定的透水能力，但因含水层与透水性更强的可溶岩地层互层产出，因此赋存条件一般，含水量一般。

(3) 岩溶水

为场地主要的地下水赋存地质体，拟建隧道穿越三叠系雷口坡组可溶性地层，层内的岩溶水主要赋存于灰岩、白云质灰岩、白云岩等可溶岩溶洞、暗河、溶蚀管(通)道、溶腔、溶蚀沟槽、溶蚀孔洞及溶蚀裂隙中，受大气降水、上覆含水层地下水及远地岩溶水的补给。岩溶水类型还可以细分为碳酸盐岩类裂隙溶洞水和碳酸盐岩、碎屑岩互层裂隙溶洞水两类，前者主要接受大气降雨的贯入式补给，地下水陡涨陡落，消退迅速，不易储存，故常表现为干溶洞；后者主要接受大气降雨、溪沟水的补给，沿裂隙、溶隙径流，于龙河岸、大河岸等地势低洼处以下降泉的形式排泄。

2.5 建设场地条件对隧道涌水的控制分析

近场区发育的断裂构造如澁水断层、龙湖断层、朱山断层、灌顶断层几乎成为研究地块的构造切割边界。隧址区北部的龙湖，正常蓄水位在800～801 m，而隧道底板高程部分低于龙湖正常蓄水位，隧道经过区域仅澁水断层可能成为导水断裂，且根据水文调查和物探成果(图2)，地下分布一岩溶管道，疑沿澁水断裂的某破碎带展布，极有可能造成湖水倒灌，具有发生大规模涌突水的危险性。地表岩溶现象较发育，主要表现为落水洞、岩溶漏斗、岩溶洼地、岩溶泉等，在暴雨季节，地表分布的干溶洞将大量成为深部岩溶管道的补给通道，在隧道雨季施工过程中，可能出现短时间的涌水量增加，以及存在降雨滞后性，与降雨量和降雨时间之间形成较为良好的线性相关关系。另外，因为隧址区雷口坡组可溶岩的潮坪相建造原因，普遍存在质地不纯，溶蚀性和相对隔水性差异化显著，控制了岩溶发育强度，且其空间非均质性使得岩溶以顺层发育为主，顺垂直层面以张裂隙径流为主。同时，因受非可溶岩的阻隔，在可溶岩和非可溶岩的接触带常有落水洞的发育分布，隧道施工过程中存在出现少量层间涌水的可能。

图2 物探(AMT)揭露的隧道纵断面水文地质条件

3 隧道影响区的地下渗流场特征分析

3.1 建造和构造改造决定渗流场的总体格架

隧道近场区地层由三叠系上统垮洪洞组、须家河组、三叠系中统雷口坡组组成，属于陆相→滨海、浅海相(下统)、泻湖相(中统)、滨海沼泽相→河流相(上统)这个完整的沉积旋回的部分片段。总体而言，隧址区易溶性的碳酸盐岩主要由三叠系雷口坡组地层组成，为潮坪相碎屑岩复理石建造，总厚度241～466 m，通常在岩组之间或岩组之内，皆具有碳酸盐岩与泥质白云岩、含钙质泥岩层相间的结构特点，从而使得岩溶发育受到了一定的限制。在雷口坡组之上覆须家河组和垮洪洞组，以及下伏飞仙关组具有典型砂泥岩复理石建造特征，且须家河组地层含煤线，上下地层是区域内的相对隔水层(图3)。

图3 易溶岩层及岩溶的分布情况

在三叠系的构造改造中，在近东西向主压应力作用下形成了系列的南北向复式褶曲构造及其相关断裂，并多有向北宽缓倾伏、向南收敛仰起的特征，褶曲构造的岩性为雷口坡组易溶性岩层和须家河组、飞仙关组相对隔水层间隔产出，并在场区北侧倾伏区形成了平移错断，隔断了北部与场区的构造和水力联系。该区总体构造格架使得总体地势上南高北低，岩性组合上从东向西易溶岩层和隔水层交替产出，控制了近场区渗流场发育水平特征：相对最低溶蚀夷平面为龙湖，南侧隧址区自南向北可能形成多个近似平行的独立岩溶通道，且岩溶发育具有成层性，通道之间通过挤压构造破碎带溶蚀贯通形成水力联系。

由地层建造和构造分析，以及钻探揭露，近场区渗流场总体具有如下特征：在新构造运动的作用下，拟建隧道址区以整体区域性间歇性抬升为主；故地壳平稳期地表表现为缓坡平台地形，地下岩溶表现为水平循环带，如水平溶洞、暗河等；地壳抬升期地表则表现为陡坡，地下岩溶以垂直岩溶为主，如岩溶漏斗、落水洞等；往往在两级水平溶洞之间由竖向岩溶连接，地下水也随之向低一级水平岩溶循环、运移；岩溶夷平面与最低侵蚀基准面之间具有为倾斜岩溶特征，溶洞的倾角与坡面倾角近乎一致，深部垂直岩溶不发育。

3.2 岩溶管道的空间特征

岩溶作用的发生、发展和岩溶地貌是受岩石可溶性、透水性、水的溶蚀力和水动力条件等各种因素综合作用的结果，并受系列自然因素的影响和制约。隧道近场区内，由于各种影响因素是相互联系、相互包含的，最终通过不同环境下的岩石可溶性、地下渗流场和地下水溶蚀力的结合，表现为一定的岩溶形式和发育程度，三者不同的结合与匹配则表现为不同的岩溶现象：顺着岩层面和陡倾节理裂隙面形成了溶洞、溶孔、溶腔或暗河管道，有的呈直线型，有的追踪层面和陡倾裂隙发育形成折线形，地表洼地、漏斗、落水洞走向与地下岩溶密切相关。

区内岩溶空间发育具有较强的规律性，岩溶发育的垂直循环带厚度小，岩溶交替循环带分布较厚，而水平岩溶及地下水循环带则表现在靠近龙湖一侧的一定水平深度内，深部滞流带岩溶不发育，地下水赋存空间较小。根据调查、钻探、物探成果分析，岩溶管道空间展布如下：

(1) 隧道穿越山岭的岩溶夷平面

地壳长时间相对稳定，发生强烈的水平溶蚀及侵蚀等夷平作用，后期地壳开始缓慢抬升，加之受岩层及构造的影响，表层须家河组砂泥岩被侵蚀，导致形成当山岭夷平面为倾斜面。

(2) 垂直岩溶发育的竖向渗流带

随着地壳抬升，原水平为主的溶蚀侵蚀作用转变为垂直岩溶，原相对平缓的夷平面上地下水沿隔水层顶面、构造轴线及裂隙组合线发生向下侵蚀、溶蚀，形成坡面浅层垂直渗流带，并因垂直抬升后速度变缓，垂直与水平合力作用下，形成倾斜岩溶管道。

(3) 交替循环带

后期地壳抬升速度慢，岩溶的水平与垂直强度基本相当、循环交替，形成与坡面大致平行的岩溶管道，且管道底部岩溶明显变弱，表现为溶洞顺层面及追踪张裂隙发育，总体向龙湖急剧倾斜，其坡度与坡面倾角近于一致。

(4) 水平径流带

隧道进口段为与龙湖高程相近的侵蚀基准面，在800 m、795 m高程段分布水平岩溶，但这些溶洞向山内则迅速升高，在山体表部表现出水平径流带特征，山体深部则表现为倾斜岩溶管道特征。

(5) 深部滞流带

位于交替循环带以下、水平径流带以内的区域，以溶隙为主，且愈往深部岩溶发育越微弱，含水性也越来越差，没有大的地下水赋存空间，以裂隙径流为主。

3.3 地表水和地下水的补径排关系

隧道近场区地下水接受大气降水的补给，因岩石溶蚀性差异，补给方式和途径存在差异(图4，表2)。

图4 隧道近场区水文地质单元划分

(1) 碎屑岩受构造影响，总体较为破碎，降雨易沿裂隙入渗、就近补给、就近排泄。

(2) 中部易溶性岩层受断层及褶皱构造影响，纵张裂隙和横张裂隙发育，尤其背斜轴部张裂隙集中发育，形成串珠状岩溶漏斗及落水洞，创造了良好的汇流条件和入渗通道，形成“落水”贯入式补给特征。

(3) 在可溶岩和相对隔水层的接触带，因储水及补给空间差异，界线处常形成落水洞，且多呈现贯入式补给特征。

隧址区被龙河、大河、丁坪沟及南侧断崖围切，总体呈现孤立“岛状”地形特征，地形坡度较大，总体向北/北西倾斜，坡面沟壑纵横，受此影响，径流具有如下特点：

(1)地表径流补给面积广，沟谷纵坡比降大，坡面坡度较大，地表水易迅速汇集，排泄入龙河、大河支流大沟及丁坪沟，降雨来得快、消得快、消得彻底。

(2) 地下径流水力坡度大，溶洞纵坡降大，地下径流向北排入龙湖，向东排入丁坪沟，向西排入大河，不利于长期储存，具有落水洞贯入式补给，迅速从岩溶管道集中排泄，消退较快之特点。

表2 隧道近场区水文地质单元划分及补、径、排关系

4 隧道的涌水量预测与成灾环境条件评价

4.1 隧道和岩溶管道的空间关系

拟建隧道设计为双洞双向，受出口段标高和地形控制，隧道纵断面设计为单向坡，因考虑到龙湖水可能倒灌的影响，拟调整为非对称的人字形双向坡，进口标高约807 m，凸曲线顶部高程约814 m，出口高程约750 m，左线全长3 197.00 m，右线全长3 170.00 m。

隧道进口紧邻龙湖，高出湖水面约10 m，出口低于湖水面约60 m。在隧道前段(进口段约600 m)穿越背斜核部，如图5。洞底标高与水平岩溶管道近乎持平，拟建隧道主要位于地下水的交替循环带内，受拉张裂隙的作用，以垂直的岩溶裂隙与地表水联系；通过背斜核部后，穿越地层转换为单斜产出，倾角约20°～25°，原水平的岩溶管道逐步变化为典型的倾斜的管道。

分段来看，拟建隧道进口段约600 m位于交替循环带上，中部500 m段位于深部滞流带内；出口段处于交替循环带内，靠近龙湖的水平径流带未及隧道部位。

4.2 隧道开挖与地下径流的关系

(1) 隧道走向与岩层走向呈大角度相交，横穿整个山岭，不论是采取单向掘进还是双向掘进施工工艺，均将对各个水文地质单元的地下水进行分解。

(2) 隧址区围岩的岩性组合差异，决定了岩体的透水性差异(图5)，当揭穿①层相对隔水层进入含水层②时，涌出的水是含水层②中的地下水；隧洞继续掘进至相对隔水层③时，涌水量迅速减小，进入含水层④时，含水层④中的地下水涌出，这样周而复始，将对各个水文地质单元内的计算涌水量产生分解。

图5 揭穿含水层的涌水方式示意图

(3) 雷口坡组(T2l)的泥质白云岩、砂质白云岩及钙质砂泥岩溶蚀作用微弱，渗透性相对较差，为相对隔水层，具有明显的层间地下水特征，即使在一个单元内，都有可能存在多个独立的含水层，涌水量将分解。

4.3 地表水成为隧道涌水稳定补给源的可能性评价

在隧道前段，地表发育系列的串珠状岩溶漏斗及落水洞(图6)，同时受侵蚀溶蚀的综合影响，形成明显的“背斜谷”。这种地貌为地下水的汇集、入渗补给创造了良好的汇流条件和入渗通道，以“落水贯入式”补给为特点，补给地下岩溶管道。加之该区构造位置刚好处于磅磅背斜核部(图7)，岩体纵张裂隙发育，在骤然降雨或雨季(丰水期)地下水量均可能发生突变，导致岩溶管道发生贯通性充水，可致隧道开挖过程中涌水量骤增，甚至可能发生突水、突泥灾害。在隧道后段，发育地形坡度相对较陡，且在干沟布设的钻孔资料显示，该处地下水位较浅，地表有下降泉出露，说明发育的岩溶沟谷袭夺了大部分山地的地下水，从而下渗对地下水补给量较小。因此，隧道掘进过程中地表水成为隧道涌水稳定补给源的可能性大大降低。

图6 地表落水洞

图7 磅磅背斜核部形成的溶蚀背斜谷

4.4 隧道线位调整与涌水突泥危险性评估

拟建隧道斜交切穿磅磅背斜核部岩溶管道，因前后段高程控制，初步设计阶段隧道设置为单向坡，但考虑底板高程低于龙湖正常蓄水位，且存在湖水沿岩溶管道倒灌的条件，隧道纵断面拟调整为凸型人字坡，提高穿越与龙湖相连的岩溶管道段的隧道底板高程，调整后为807～814 m。但是，路线调整并未从根本上解决岩溶隧道的涌水问题，仍需要慎重评价。

由近场区及隧道场地的环境地质条件来分析，隧道遭遇的岩溶工程水文地质问题与涌水、突泥存在严格的因果关系。并且，龙湖水的倒灌可能性与隧道涌水关联度也非常高，因此，这些事件都需要进行研究和评价(表3)。

在未考虑龙湖水倒灌的情况下，隧道涌水的主要补给源为大气降水，虽然关于涌水量的计算或评估方法众多，这里较为适宜的还是采用降雨入渗估算法，计算公式如下：

表3 隧道遭遇岩溶工程水文地质问题类型及特征

式中，QS为正常涌水量(m3/d)；A为汇水面积(km2)；W为年均降雨量、年最大降雨量(月最大降雨量×12)(mm)；α为降水入渗系数。

隧道穿越段的汇水面积(A)为其水文地质单元面积，降雨入渗系数值根据地区经验宜取0.05～0.25，多年平均降水量W为1 335.5 mm，月最大降雨量Wmax为321.7 mm，结果见表4。理论上讲，任何独立的地下水流场系统均遵循地下水均衡的原理，补给量与排泄量近乎一致，这样才能维持地下水平衡。而本区因潮坪相白云岩、白云质灰岩复理产出且层厚较薄，含少量夹层，岩溶发育的层间性突出、连续性差，被频繁出露的钙质砂泥岩、泥质白云岩等分割。故理论上讲，岩溶空腔的发育规模多数较小，实际调查和勘察也初步证实，隧道高程以上未揭露储水构造及封闭的地下储水体囤储成囊性水体。因此，通过对比计算成果和泉水排泄调查结果，可以初步得出结论，大气降水入渗的部分并没有全部保留，大部分都已排泄出区内，龙河、龙湖、大河的侵蚀基准面以下还有隐伏地下水排泄点未能揭露，隐伏的排泄量也无法准确评估，但可以确认的是实际涌水量比计算最大涌水量要小很多，这已经可以较好地为涌水预测和防治提供指导。

表4 隧道穿越地段涌水量计算表

关于纵坡调整后是否仍存在袭夺龙湖水形成倒灌的问题，隧道通过磅磅背斜轴部以后，底板高程由814 m逐步下降至出口的750 m左右，最低点低于龙湖正常水位约51 m，具备隧道施工疏干龙湖水的表面地形条件。但结合地质、物探和钻探成果分析，隧道后段与龙湖渐行渐远，之间存在一个浑厚的山体，平距1 500～3 000 m，且通过枯水季节对基岩裂隙水的调查，它们之间存在地下水分水岭，主要的含水层为须家河组的砂泥岩，因此基本不具备湖水倒灌的水文地质条件。

5 主要结论及认识

(1) 该岩溶隧道场地条件受建造、构造控制，在线位调整的情况下，施工过程中涌突水风险将进一步降低；但是该拟建隧道可能出现出水点多，以岩溶线状渗流、裂隙面状渗流为主，或可存在线状射流，单点出水量相对较小，贯入式突水突泥的可能性小；隧道前后段受构造影响差异大，岩溶水力联系截然不同，进口段600 m范围内因受磅磅背斜构造影响，尤其背斜近核部，岩体纵张裂隙发育、岩体破碎、岩溶发育，在骤然降雨或丰水期施工发生涌水突泥的可能性非常大；隧道后段底板高程虽低于龙湖，但湖隧之间无岩溶管道贯通，亦无导水断层联系，还存在地下分水岭，缺乏疏干龙湖倒灌的必要水文地质条件；因隧道竖曲线的非对称分布，双向掘进施工将导致进口倒坡段不能自然排水，且存在雨季涌水突泥的风险，而隧道施工又不可能在一个水文年内完成，故该段隧道施工被淹风险极大。

(2) 我国西南山区岩溶分布广泛，随着更多山区高速公路的建设，越岭隧道将面临复杂的地质环境条件，涌水灾害问题也将变得突出。建立较为准确的水文地质模型，是开展隧道涌水灾害的前提条件，采用综合水文地质勘查手段配合水文地质分析，相互对比，有的放矢地修订设计方案，将不失为解决这一难题的有力手段。

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THE STUDYOFWATER-GUSHING DISASTER AND RISK IN ONE HIGHWAY TUNNEL OF CHINA WESTERN KARST-MOUNTAINOUS AREA

CHEN Zi-yun1,2, CHEN Min3, DAI Shao-shu2, LAN Xiang-yuan2, YANG Shan-yuan2, HU Cong4

(1.Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059,China; 2.Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu Sichuan 610017,China; 3.No. 909 Hydrogeological and Engineering Geological Party, SBGEEMR，Jiangyou Sichuan 621701,China； 4.Southwest Jiaotong University School of Civil Engineering,Chengdu 610031,China)

Certain mountain area highway the mountains southwest regional geological environment of karst tunnel condition is complex, entire section exists not only through the karst groundwater near, remote supplies and the risk of outburst water mud, but also because of soluble and nearby longhu hydraulic pipe imported segment risk of contact with the water flow backward.Near-zone therefore, based on the tunnel geological formation and structural framework for the analysis of material base, based on geological process mechanism analysis method, through survey, geophysical exploration and drilling, basic examine the environmental geological conditions, based on the hydrological geological prototype, the relationship between groundwater and surface water runoff, and the spatial distribution characteristics of karst research, analysis of the quantitative to qualitative to half tunnel water gushing prediction risk assessment, and based on the evaluation results on the original tunnel longitudinal adjusted, more reduced the construction and operation period of water gushing mud risk.

Tunnel; Karst; water-gushing; Disaster

1006-4362(2017)02-0060-10

2017-01-15 改回日期： 2017-03-20

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A

陈紫云(1982- )，男，博士研究生，高级工程师，主要从事公路岩土工程、地质工程方面的生产和科研工作。 E-mail:673529430@qq.com