重庆中梁山北段隧道堵水后地下水环境可恢复性初步探讨

刘智 卢丙清 曹聪 孙一博

摘要：重庆中梁山北段地区因隧道修建导致地区地下水环境遭受强烈破坏，本文选取已建歇马隧道为研究对象，在充分了解掌握地区水文地质条件的基础上，通过区域地下水位发育高程，搜集隧址区水文地质环境资料，分别计算隧道在排水和堵水条件下，一定时间内对地区地下水疏干情况以及恢复情况，从而科学合理的进行隧道影响评价及结论。

关键词：隧道；水文地质条件；三维数值模拟；地下水疏干情况

1 研究背景

歇马隧道位于“四山”区域的中梁山北段，区内干堰塘一带为整个中梁山仅有的两处地下水资源未遭受破坏的区域之一，分布有多处岩溶大泉和水库鱼塘，地下水资源较为丰富，老百姓灌溉、饮用等均在使用地下水。歇马隧道正好从该区域地下穿过，属典型的水平循环带以下深部岩溶中穿行隧道，研究其对水环境破坏及堵水后可恢复性，对中梁山北段乃至整个“四山”地区其他具有类似地质条件的隧道规划建设具有很高的借鉴意义。

基于上述背景，本文选取歇马隧道作为研究对象，分析区域地下水环境特点，搜集隧址区水文地质环境资料，分别计算隧道在排水和堵水条件下，一定时间内对地区地下水疏干情况以及恢复情况，初步探讨其对水环境破坏及堵水后可恢复性初步探讨。

2 基础地质特征

2.1 地形地貌

工作区山体呈“一山三岭夹两槽”的形式，最高点高程707m，最低标高为250m，相对高差457m。

2.2 地层岩性

工作区出露地层由老至新分别为二叠系上统长兴组（P2c）、三叠系下统飞仙关组（T1f）、嘉陵江组（T1j）、中统雷口坡组（T2l）、上统须家河组（T3xj），侏罗系下统珍珠冲组（J1z）、中下统自流井组（J12z）、中统新田沟组（J2x）、中统沙溪庙组（J2s）以及第四系松散堆积物构成。

2.3 地质构造

工作区具体构造部位为观音峡背斜中段。该背斜为紧密褶皱，岩层产状在两翼陡，中部较平缓，其西翼地层产状260～285°∠50～84°，局部反倾。东翼地层产状85～110°∠40～82°，近轴部岩层倾角10～25°。

2.4 岩溶地质

工作区岩溶主要发育于三叠系下统飞仙关组（T1f）、嘉陵江组（T1j）和中统雷口坡组（T2l）地层的薄～中厚层状灰岩、盐溶角砾岩及白云岩为主，受地形地貌和地质构造影响明显。

2.5 含水岩组的划分及富水性

根據调查，区内主要有以下三种主要地下水类型：

①极富水的碳酸盐类岩类岩溶水含水岩组：主要由三叠系下统嘉陵江组和中统雷口坡组（T2l）等含盐溶角砾岩、石膏层的可溶性碳酸盐岩类组成，属极富水的含水岩组。

②中等富水的层间承压孔隙裂隙含水岩组：主要由三叠系上统须家河组（T3xj）厚层长石石英砂岩、岩屑砂岩等组成，属中等富水的碎屑岩含水岩组。

③弱富水的基岩（红层）裂隙水含水岩组：主要以侏罗系（J）的紫红色泥岩夹薄层砂岩等组成，属弱富水的含水岩组。

3 歇马隧道堵水前后隧道涌水量动态变化情况

根据歇马隧道水文地质环境监测资料[3]显示：

（1）2015年9月隧道开挖掘进至雷口坡和嘉陵江岩溶地层之后，隧道涌水量突增，在此期间，主要的堵水方式是对股状涌水点进行注浆封堵，为进行全断面治理，堵水效果不明显。11月掘进至嘉陵江2段时，涌水量达到峰值，双洞总涌水量达到10600m3/d。

（2）2015年12月起，设计和施工单位对堵水方案进行了调整，分区分段，采取了普通注浆、全断面径向注浆封堵、岩腔的衬砌加固等措施。之后进（出）洞口涌水量都出现了较为明显的下降，至2017年2月，双洞总涌水量为3300m3/d，堵水效果较为明显。

（3）根据监测情况显示，歇马隧道总体堵水率为67%，低于全断面注浆堵水段落堵水率（90%）。这主要是由于变更堵水设计之前，部分段落已进行了二次衬砌，导致施工条件困难，若从施工开始即采用分区分段堵水措施，实际涌水量将进一步降低。

4 隧道对地下水影响的三维数值模拟

根据歇马隧道堵水前后的隧道涌水量，分别计算隧道在排水和堵水条件下，一定时间内对地区地下水疏干情况以及恢复情况。

4.1 方法选取及模型概化

本次数学模拟计算采用的是美国地质调查局（United States Geological Survey）开发的VISUAL MODFLOW软件。根据对研究区水文地质条件及边界条件的分析，依据渗流连续性方程和达西定律，可将研究区水文地质概念模型概化为非均质各向异性三维非稳定流，其数学模型如下式所示：

[JP4]xkxHx+ykyHy+zkzHz+ε=0[JP]x，y，z∈Ω

Hx，y，z，t=H0x，y，z，0x，y，z∈Ω

KHn|Γ2=qx，y，z，tx，y，z∈Γ2，t0

式中：x—东西向坐标，y—南北向坐标，z—垂向坐标；kx，ky，kz—分别为沿x，y，z坐标方向的渗透系数函数（m/d）；

H—某空间的（x，y，z）在t时刻的水头函数（m）；

H0—某空间的（x，y，z）在t0时刻的水头函数（m）；

ε—源汇项（l/d）；t—时间（d）；Ω—模拟区；Γ2—第二类边界；

n—边界面的外法线方向；

qx，y，z，t—第二类边界上已知流量函数；

4.2 隧址区模拟范围及单元剖分

歇马隧道位于研究区中部，在施工监测期间进行了地表水文监测，并掌握了该工程项目对隧址区地下水影响程度及范围，可以作为模拟时的验证手段。

本次模拟选取模型底板为0m高程，按照100m网格将其剖分。模拟隧址区X方向总长度5020m，Y方向总长度6934m，共剖分成347行，251列，单层单元格数目为87097个；垂向Z方向的高差最大约700m，划分为10层，模型总共870970个单元格。模拟区总面积为31.3km2。

并按照含水性质进行水文参数赋值，各地层渗透性K取值基于《歇马隧道专项水文地质勘察报告》渗透系数，降雨量采取区域内的多年平均降雨量1163mm，并按照平面上出露的岩性分布及地表地形进行分区。

4.3 隧址区排水条件下模拟

在建歇马隧道北侧还分布有已建轨道6号线隧道隧道，据《歇马隧道专项水文地质勘察报告》资料[2]，未采取有效堵水措施之前，两条隧道总排水量分别能达到9728m3/d、7970 m3/d。

根据数值模拟结果，按照2015年11月隧道涌水量疏干后，歇马隧道北侧至轨道6号线之间将完全疏干。南侧疏干范围存在差异性，其中西槽谷的影响半径扩大在4公里左右，东槽谷的影响半径在3公里左右。

4.4 隧道堵水条件下模拟

通过有效堵水措施，歇马隧道涌水量减小之后，通过一个完整水文年的监测情况，隧址区东西东西槽谷的地下水均出现了不同程度的恢复。现在基于以上条件，在现状模拟的基础上，对隧道堵水后工况进行数值模拟，预测地下水位的恢复情况。

其地下水运动数学模型的建立和隧址区模拟范围及单元剖分见上节。根据《歇马隧道水文地质环境监测报告》，在采取有效堵水措施之后经过1个完整水文年的监测，2017年2月轨道6号线涌水量4640m3/d，在建歇马隧道流量为3346 m3/d。将涌水量数据代入VISUAL MODFLOW软件，预测在模型计算分别达到1825天（5年）、3650天（10年）稳定后，隧道对地区地下水疏干程度（见图2、3）。

根据数值模拟图分析

（1）隧址区在采取有效堵水措施之后，随着地下水位的不断恢复，地表疏干范围将不断减小。

（2）在堵水5年之后，隧道南侧疏干范围出现了较为明显的减小，其中西槽谷影响范围约3公里，恢复率为25%，东槽谷影响范围约2.2公里，恢复率为27%，东槽谷的恢复速度略大于西槽谷。北侧由于受到轨道6号线隧道疏干的共同影响，两条隧道的降落漏斗相互交叉，在两条隧道之间3公里的范围内仍为一连续的疏干区。

（3）在堵水10年之后，隧道北侧疏干范围开始缩小，轨道6号线和歇马隧道形成了各自独立的降落漏斗，南侧疏干范围出现了进一步减小，最终疏干范围在隧道轴线两侧0.50.9km，其中西槽谷的疏干范围略大于东槽谷。

（4）以上模拟条件是基于隧道遭遇大规模突水，形成较大疏干范围之后的恢复性预测。若在隧道施工过程中始终采取超前堵水措施，其影响范围将进一步缩小。

5 结论

（1）1隧道开挖将形成较大的集水廊道，将会造成隧道上部较大范围内的水源枯竭，按照2015年11月隧道涌水量疏干后，歇马隧道北侧至轨道6号线之间将完全疏干。南侧疏干范围存在差异性，其中西槽谷的影响半径扩大在4公里左右，东槽谷的影响半径在3公里左右。

（2）歇马隧道堵水后经过一个完整水文年，隧道涌水量明显减小，岩溶区地下水位也出现了不同程度的恢复。在此基础上通过隧址区疏干影响范围数值模拟结果显示，隧址区在采取有效堵水措施之后，随着地下水位的不断恢复，地表疏干范围将不断减小，地下水环境是可恢复的。

参考文献：

[1]DBJ50/T1892014，地下工程地質环境保护技术规范[S].

[2]重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆市一横线歇马隧道专项水文地质调查报告[R].2016.

[3]重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，歇马隧道水文地质环境监测报告[R].2016.

[4]重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆市歌乐山高风险集镇研究报告[R].2014.

[5]张庆松，韩才才，等.灰岩角砾岩破碎带涌水综合注浆治理 [J].岩土力学与工程学报，2012.12.

[6]任美鍔，刘振中，王飞燕，等.岩溶学概论[M].北京：商务印书馆，1983.

[7]许模，毛邦燕，张强.现代深部岩溶研究进展与展望[J].地球科学进展，2008，23（5）：495501.

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