安六铁路六枝向斜隧道涌水分析及整治方案研究

周关学 冯 涛 曾 诚

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

1 研究背景

隧道涌水是隧道施工过程中，围岩含水层的地下水在水头压力和其他压力的综合作用下，克服隔水层、断层以及裂隙等阻力，以突然方式从隧道洞室周边涌入坑道内的工程地质现象，是岩溶地区常见的地质灾害[1]。岩溶隧道的涌水与地下岩溶管道和岩溶水发育程度密切相关，还突出表现为受地质构造和地貌的控制，如位于褶曲轴部的碳酸盐岩，岩溶发育强度更甚于翼部，而褶曲翼部，不论向斜、背斜，如存在排泄基准面，则接近排泄基准面的部位，往往富有较为丰富的岩溶水[2]。地质勘察中要充分分析水文地质条件，采用多种方法准确预测隧道涌水量。线路选线应避开岩溶水富集地带，尽量拔高线路标高，隧道纵坡采用人字坡。

2 工程概况

2.1 工程概况

安六铁路东接沪昆客运专线安顺西站，向西经六盘水市的六枝特区，于六盘水枢纽水城站接轨，后利用既有沪昆铁路至六盘水站，运营长度124.65 km，设计速度250 km/h，是六盘水市至贵阳市的快速通道。其中岩脚至六枝南段约14.068 km，穿越六枝向斜，设置主要工程有岩脚隧道(2 407 m)、对门寨隧道(1 756 m)、大用隧道(2 160 m)、地宗隧道(3 045 m)、苏家寨大桥(395 m)、上波帕大桥(468 m)下波帕大桥(442 m)，上波帕大桥(395 m)、下玉黑大桥(764 m)、龙潭大桥(503 m)等，桥隧总长 13 125 m，桥隧比93.30%，隧道最大埋深约135 m，桥梁最大墩高44 m。

2.2 工程地质特征

2.2.1地层岩性

本段线路主要穿过三叠系(T)和二叠系(P)地层，六枝向斜轴部主要为法郎组(T2f)、关岭组(T2g)地层，两翼主要为永宁镇组(T1yn)、夜郎组(T1y)、大冶组(T1d)、大隆组(P2d)、长兴组(P2c)、龙潭组(P2l)、峨眉山玄武岩组(P2β)等地层。地表覆盖第四系全新统(Q4)黏土层。其岩性特征如表1所示。

表1 线路通过主要地层岩性特征表

2.2.2地质构造

大地构造属于扬子地台之滇黔鄂台褶皱带，处于南丹-紫云-水城断裂带上，呈NW-SE向延伸，位于一系列NW和NE向紧密全形褶皱和平行褶轴压性冲断层组成的“山”字型构造。六枝向斜北翼岩层产状N85°W/32°SE，南翼岩层产状N50°W/55°NE,有N45°E/90°和N55°W/90°两组张性节理，在岩溶化作用下形成岩溶裂隙及岩溶管道，控制六枝向斜的地下水流向。

2.3 水文地质特征

2.3.1区域水文地质条件

测区位于长江水系与珠江水系的分水岭地带，南北两侧分属不同的水文地质单元，地下水分水岭与地表水分水岭基本一致[3]。在分水岭北部, 地下水流向北及东北方向，排向乌江；在分水岭南部, 地下水流向南及南东方向, 流经六枝河支流，最后排向北盘江。测区地层岩性、地质构造和地貌控制着地下水流向[4]，六枝向斜属于珠江流域北盘江水系，地表水由向斜两翼峰丛向向斜轴部低洼溶蚀槽谷汇流入六枝河，后沿向斜轴部由北西向南东径流，汇入北盘江。地表冲沟发育,轴部溶蚀槽谷内地表水及地下水丰富，水系发达。

2.3.2岩溶水的补给、径流、排泄

测区属亚热带季风高原高山气候，雨量充沛，多年平均年降雨量 1 487.6 mm，最大日降雨量 206.9 mm，年蒸发量1 300.8 mm，雨季多集中在5～8月，为地下水的补给提供了较为充足的水源。地下水类型为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水，岩溶水丰富。地下水由翼部向轴部汇聚，形成较为完整的补给、径流、排泄空间分布。六枝向斜两翼煤系地层为补给区，地表冲沟汇聚了大量地表水，地表水主要靠大气降雨补给，地表沟水在可溶岩与非可溶岩分界线形成断头沟、落水洞[5]，地表水以洼地、落水洞、溶腔、裂隙汇入地下岩层，补给地下形成地下水。向斜两翼碳酸盐可溶岩地层为地下水径流区，在新构造应力场的作用下，测区N45°E/90°、N55°W/90°两组张性节理裂隙处于拉张状态，为地下水储存和运移创造了有利条件，地下水在深部岩溶水以网络状岩溶裂隙管道、暗河等运移[6]。向斜轴部溶蚀槽谷为排泄区，地势低洼，为测区的地下水排泄基准面，地下水以下降泉的形式排泄在六枝河内，在六枝河两岸出露了天生桥、下波帕、玉黑达冲、上玉黑、地宗等暗河[7]。

3 隧道涌水分析及水量计算

经过水文地质分析，对六枝向斜的岩脚、对门寨、大用、地宗等隧道的涌水段落进行涌水量计算。

3.1 洼地法

洼地法计算隧道涌水量的公式：

Q=F×X×(1/T) ×0.1×0.6×α

(1)

式中：F——洼地地表汇水面积(km2)；

X——测区日最大降雨量(mm)；

T——洼地等效消水天数(d)；

α——降雨入渗系数。

各隧道采用参数及涌水量计算结果如表2所示。

表2 洼地法计算隧道涌水量汇总表

3.2 井泉补给法

通过较长时间观测隧道井泉点流量，绘制流量折线图，来预测隧道涌水量的方法叫井泉补给法。

岩脚隧道涌水量计算公式：

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4

(2)

式中：Q1——DK 32+922右侧418 m泉点流量；

Q2——DK 33+009右侧232 m泉点流量；

Q3——既有岩脚寨隧道进口暗河口流量；

Q4——黑晒村大用镇引用水源井点流量。

岩脚隧道地下水排泄到天生桥至黑晒冲沟内，冲沟内发育4个井泉点，2016年6月28日至2016年6月30日，六枝地区降特大暴雨，经统计，各井泉点最大流量分别为：27 648 m3/d、21 168 m3/d、39 657 m3/d和 42 163 m3/d，故预测岩脚隧道出口最大涌水量为 130 636 m3/d。

3.3 溶腔壁水位痕迹法

地下水在地下暗河或溶蚀通道内水平流动时，常会在溶腔壁上留下水位痕迹线，隧道开挖会揭示溶腔壁的历史上最高水位痕迹线，根据水位痕迹线与隧道轨面标高的关系，分析判定地下水对隧道影响程度。在对门寨隧道DK 34+120.9左侧50 m和DK 34+404.75左侧10～19 m两处溶腔内发现积水潭，并在溶腔壁上发现水位痕迹线。

(1)DK 34+120.9左50 m溶洞底部有地下出水点，呈积水潭，溶洞大厅溶壁可见水流痕迹线。现场测得DK 34+120.9左侧50.11 m处溶洞壁水淹痕迹高程为 1 330.99 m，DK 34+126.848左侧12.230 m处溶洞壁水淹痕迹高程为 1 341.35 m，溶洞内集水潭水位比隧道底板底面标高低31.8 m，从而判断隧道处于地下水垂直循环带内。

(2)在DK 34+404左侧10～19 m处，溶洞底有缓慢流动的流水沟，并呈积水潭，水位在隧底以下10.1 m，积水潭水位标高为 1 368.65 m(2017年12月8日测量)，洞壁可见历史最高水位线标高 1 371.77 m，该水位较筏板顶面低约3.5 m。2018年8月7日，暴雨使积水潭向上返水，最高水位高程达 1 374.07 m，较筏板顶面仅低1.2 m，由于施工破坏了溶洞内地下水的径流通道，地下水流动受阻，隧底溶洞内地下水上升，涌水至隧底，造成隧底水害。

3.4 实测断面流量法

为准确计算隧道涌水量，将隧道出水点及涌水点的地下水集中汇入隧道中心水沟，实测中心水沟断面流量的方法即为实测断面流量法。

大用隧道出口DK 38+320～DK 38+710段位于六枝向斜轴部，向斜轴部发现大型充填溶洞[8]，并出现溶腔涌水现象，施工中在里程 DK 38+710、DK 38+704、DK 38+480、DK 38+430、DK 38+415、DK 38+352、DK 38+325、DK 38+320共8处出现出水点及涌水点。2017年5月1日至2017年8月17日对其进行了一个雨季的观测，并绘制了流量曲线折线图。其中2017年6月11日六枝地区出现特大暴雨，隧道涌水点汇入中心水沟的水量为隧道最大值。采用中心水沟实测断面流量法计算隧道最大涌水量，流量计算公式为：

Q=L/T×S

(3)

式中：L——指定流距；

S——水流截面面积；

T——时间。

经计算，大用隧道六枝向斜轴部 DK 38+320～DK 38+710段隧道涌水量为 152 064 m3/d。

3.5 流量汇总法

实测隧道每个出水点及涌水点的流量，逐点汇总其流量，来估算隧道涌水量的方法叫流量汇总法。

地宗隧道进口DK 42+200～DK 42+411和 DK 43+325～DK 43+496段地表水冲沟、洼地、落水洞、断头沟发育，隧道洞身发育地下暗河及岩溶管道水，隧道开挖时出现了涌水现象，其中 DK 43+418处拱顶涌水最大量，呈放射状涌出。通过2017年4月24日至2017年9月7日对隧道涌水量的观测，发现在2017年6月22日和2017年6月30日两次时间点出现隧道涌出水量最大。隧道观测出水点位置及最大流量值汇总如表3所示。

表3 地宗隧道涌出水点位置及流量汇总表

经计算，地宗隧道进口DK 42+200～DK 42+411和DK 43+325～DK 43+496两段隧道涌水量总计153 854 m3/d。

4 隧道病害整治方案研究

位于六枝向斜的4座隧道在施工过程中都出现了较大涌水，因此，本文研究了设置泄水洞的方案来整治隧道涌水。经分析，4座隧道涌水都位于地下水上游侧，故将泄水洞设置于上游来水侧。岩脚隧道和对门寨隧道位于六枝向斜的北翼，地下水由线路右侧流向左侧，故岩脚隧道和对门寨隧道泄水洞设置于线路右侧来水侧；大用隧道位于六枝向斜轴部，隧道施工中左、右侧边墙均出现了涌水，故大用隧道向斜轴部段左、右侧均设置泄水洞；地宗隧道位于六枝向斜南翼，地下水由线路左侧流向右侧，故地宗隧道泄水洞设置于线路左侧。结合隧道纵坡及人字坡情况，泄水洞顺坡排水。

4.1 岩脚隧道

进口里程DK 30+694，出口里程DK 33+105，全长 2 407 m，进口以16‰上坡，出口以3‰下坡。施工揭示 DK 32+343～DK 32+360段暗河管道出现涌水、涌泥沙，DK 32+908处有岩溶涌水情况，计算隧道涌水量约 149 000 m3/d，经研究，于隧道 DK 32+300～DK 33+101段线路右侧设置泄水洞，泄水洞长 824 m，并于 DK 32+343、DK 32+360、DK 32+908共3处设置集水廊道，岩脚隧道泄水洞平面如图1所示。

图1 岩脚隧道泄水洞平面示意图

4.2 对门寨隧道

进口里程DK 33+844，出口里程 DK 35+600，全长 1 756 m，全隧以5‰单面上坡。施工过程中，DK 34+120～DK 34+215、DK 34+343～DK 34+440 2段遇到岩溶管道及溶洞大厅，DK 34+410～DK 34+415左侧积水潭洞壁历史最高水位高程 1 374.074 m，极端暴雨后的出水量约 41 000 m3/d。经研究在 DK 33+844～DK 34+747.22段线路右侧增设泄水洞，泄水洞全长982 m，并于 DK 34+404、DK 34+740两处设置集水廊道。对门寨隧道泄水洞平面如图2所示。

4.3 大用隧道

进口里程DK 36+898，出口里程DK 39+054，全长 2 156 m，进口至DK 37+500为25‰下坡，DK 37+500至出口为10‰下坡。DK 38+710～DK 38+320段位于六枝向斜核部，为排泄基准面，有较为丰富的岩溶水，施工过程中多次揭示溶洞及溶蚀裂隙，且溶洞有股状水流出或涌水，极端暴雨后DK 38+390～DK 38+900段线路右侧涌水量为 78 200 m3/d，DK 38+300～DK 38+600段线路左侧涌水量为 109 200 m3/d，实测DK 38+320～DK 38+710段隧道最大涌水量为=1 526 00 m3/d。经研究，在DK 38+55.45～DK 38+545.55段设置左线泄水洞； DK 38+301.7～DK 39+064.99段设置右线低位泄水洞；DK 38+277.23～DK 38+470段设置右线高位泄水洞；于 DK 38+570处设置下穿正洞段连接左右线泄水洞，并于 ZDK 38+266.7、ZDK 38+395、ZDK 38+445、ZDK 38+495、ZDK 38+540、Y1DK 38+292、Y2DK 38+479、Y1DK 38+430、Y2DK 38+679.3、Y2DK 38+703.1共10处设置集水廊道。大用隧道泄水洞平面如图3所示。

图2 对门寨隧道泄水洞平面示意图

图3 大用隧道泄水洞平面示意图

4.4 地宗隧道

进口里程DK 41+720，出口里程DK 44+765，全长 3 045 m。进口至DK 44+050为20‰上坡，DK 44+050至出口为10.2‰的下坡。施工过程中DK 41+746～DK 41+890、DK 42+201～DK 42+411、DK 43+325～DK 43+668 等段落多处揭示大溶洞及溶蚀裂隙，且有股状水流出或涌水，地表洼地出现岩溶塌陷、开裂、坍方冒顶、水井失水干枯等环境地质问题[9]。极端暴雨后涌水量为 144 800 m3/d， 2016年5月至2018年7月隧道最大涌水量 153 854 m3/d。经研究从DK 41+720～DK 43+710段左侧设置泄水洞，泄水洞长2 017 m，并于XDK 41+741、XDK 41+863、XDK 42+115、XDK 42+135、XDK 42+210、XDK 42+245、XDK 42+260、XDK 42+402、XDK 43+337、XDK 43+420、XDK 43+475、XDK 43+495、XDK 43+671共13处设置集水廊道。地宗隧道泄水洞平面如图4所示。

图4 地宗隧道泄水洞平面示意图

5 结论

线路选线应避免隧道通过富水向斜地下暗河径流排泄区，必须通过时，应尽量拔高线路标高，将隧道设置于岩溶水的垂直循环带内，隧道纵坡采用人字坡。

对岩溶隧道建议采用封闭洼地法、溶腔壁地下水位痕迹线法、井泉补给法及隧道内溶洞涌水量观测等多种方法预测隧道涌水量，综合对比分析后确定推荐隧道涌水量。

在隧道来水侧设置泄水洞，并于泄水洞与正洞出水点设置集水廊道，通过对地下水进行充分引排，确保隧道衬砌结构及后期铁路运营的安全。