岩溶隧道涌水来源及对地下水环境的影响

李志源 王维富 徐学存

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081；2.浩吉铁路股份有限公司，北京 100073）

在我国南方岩溶地区，岩溶泉及地下河是重要的供水水源［1］。铁路隧道通过岩溶山区时容易发生突涌水灾害，不仅给工程施工带来困难而且会影响隧道区域地下水环境，可能造成周边岩溶泉或地下河断流甚至干涸［2-4］。发生突涌水灾害时，查明涌水的来源和通道，判断涌水点与周边岩溶泉及暗河的关系，可以为查明隧道水源问题提供依据，对于隧道正常施工和周边地下水环境保护具有重要意义。

由于岩溶发育的复杂性，传统的水文地质调查等方法不易查明涌水来源和通道［5-7］，近年来常辅以同位素分析法、示踪法、水化学分析等方法。李光伟等［8］通过分段监测岩溶泉水补给区河水流量，分析岩溶泉水化学特征，利用同位素分析法计算补给高程等，研究了保山隧道易罗池岩溶水系统形成机制。李云［9］通过示踪试验和水位监测，发现南山隧道与涂山湖水库小湖存在3条导水性通道。范威等［10］在钟家山隧道综合利用水文地质调查、水化学分析法和示踪试验法，查明了F2和F3断层是主要涌突水途径。刘强等［11］通过高密度电法、化学示踪法和地质雷达法，发现南石壁隧道突涌水主要由地表降水汇集而成。李方华［12］采用示踪试验、地下水化学组份测试、降雨量与地下水观测等手段，分析了高家坪隧道周边岩溶水系统的边界和水力联系。

萍乐坳陷带一座铁路隧道施工期间单点隧底涌水量最高约5 万m3/d，对隧道正常施工和今后运营带来较大的安全隐患，同时周边村庄主要供水水源鸡足寺暗河流量出现下降，引起纠纷已影响隧道正常施工。因此查明涌水来源及路径，判断对周边水源的实际影响成为亟需解决的重要问题。通过水文地质调查初步判断岩溶水径流方向，以音频大地电磁测深法和高密度电阻率法相结合的方法确认径流通道，示踪试验法和动态监测法判断隧道涌水与周边水源关系，探讨岩溶隧道涌水来源及对环境的影响，为岩溶区隧道安全施工和环境保护提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道情况

该隧道位于江西省分宜县境内，起讫里程为DK1762+767—DK1765+165，长度2 398 m，单线隧道，进口内轨顶面标高130.217 m，出口内轨顶面标高117.988 m，最大埋深约355.3 m。隧道内设单面下坡，坡度为-5.1%，长度为2 398 m。

1.2 区域地质条件

隧道位于赣中地区，属亚热带湿润性气候，年平均降雨量1 594.8 mm，降雨主要集中在4—6月。

隧址区处于萍乐坳陷带西段，南邻武功造山带［13］。区内地层主要有二叠系中统小江边组（P2x）、茅口组下段（P2m1）和茅口组上段（P2m2），二叠系上统乐平组官山段（P3lg）和老山段（P3ll），第四系上更新统冲积层（Q3al）。小江边组为页岩夹灰岩及少量燧石结核，相比茅口组泥晶灰岩透水性较弱。

隧址区褶皱构造有1 处向斜和1 处背斜，向斜轴部在地表DK1763+700—DK1763+750，轴向近东西向，两翼地层倾角较陡；背斜轴部在DK1764+350 附近与隧道轴线相交，轴向同样近东西向，核部受张拉作用，节理裂隙发育，岩体较破碎。

隧址区2 条断层与隧道相交，F1 断层在地表DK1763+700附近出露，走向近东西向，倾向小里程方向，倾角约78°；F2 断层位于地表DK1764+000—DK1765+175左侧约150～200 m，倾向线路，走向为NNE。

1.3 施工涌水特征

隧道施工揭露6处有水溶洞（表1），其中DK1763+777和DK1764+409处溶洞水量较大，分别使用波纹管改排至隧道排水沟，保留了原过水通道。

表1 隧道开挖揭露有水溶洞及涌水处理情况

施工过程中DK1764+490—DK1764+510 段未揭露大型溶洞，但开挖后该段隧底出现冒水，初次降雨后涌水量达2.5万m3/d，并夹带大量磨圆度较好的砂、角砾、卵砾石等。随着充填物的流失，涌水水质逐渐转清，径流通道通畅后再次降雨最高涌水量达5万m3/d，同时该区段隧顶先后出现2处相邻的岩溶塌陷。该区段基底注浆加固后未再出现涌水现象，隧道竣工后，洞身出水点主要集中在DK1763+780 和DK1764+110附近，出水量2 000～7 000 m3/d。

2 岩溶涌水来源研究

为了查明主要涌水区段DK1764+490—DK1764+510 段涌水来源，在隧址区开展了野外水文地质调查和地表物探工作，调查岩溶发育形态和岩溶水出露规律，结合地质条件初步推测岩溶水径流方向。采用音频大地电磁测深法结合高密度电阻率法验证推测，最后确认岩溶水主要来源。

2.1 地质条件分析

图1 隧址区水文地质平面图

水文地质调查结果见图1。区内岩溶组合形态有峰丛谷地、溶丘洼地、坡立谷、槽谷等。隧道出口段西侧1.5 km 有岩溶槽谷地貌，呈东西向条状分布，长约3 km，南北向平均宽约300 m，两侧坡脚分布有岩溶泉和溶洞，地表水从两侧汇集后在槽谷东南侧出口流出。隧道东侧为峰丛谷地，孔目江上游分支涂塘水自北向南从此处流过，坡脚及谷地内分布多处岩溶泉和暗河，其中江下村附近集中分布有4处上升泉，流量均长期稳定在100 m3/d以上。

从岩溶组合形态和岩溶水出露规律来看，西侧岩溶槽谷有利于地表水汇集入渗补给，地表高程在115 m以上，东侧岩溶谷地集中分布岩溶上升泉，平均高程约78 m，因此初步推测隧道基底以下存在东西向径流通道，地下水在西侧槽谷地区接受补给后在东侧谷地排出。

从可溶岩分布和地质构造条件来看，背斜轴部透水性较微弱的小江边组地层位于茅口组底部，控制了地下水的活动深度，因此在背斜轴部可能沿茅口组灰岩和小江边组泥页岩的接触面发育有东西向的径流通道。

2.2 物探法

2.2.1 试验方法

利用音频大地电磁测深法和高密度电阻率法分别对深部和浅部异常进行探测，结果可互相验证，提高可靠性［14］。如图1 所示，在隧道西侧南北向布设2 条测线，共完成2 400 m电磁测深和1 200 m电法测量。

2.2.2 试验结果

音频大地电磁测深法探测结果见图2。可知：

1）在西测线里程1 100～1 200 段，高程200～100 m及50 m 以下，均出现局部的低阻圈闭、半圈闭异常，可判断为溶洞发育。对应东测线1 080～1 150 段，高程50 m 以下，也出现局部的低阻圈闭异常，推测岩溶发育，东西方向连通性较好。该异常带对应隧道里程DK1794+100附近。

图2 音频大地电磁法探测成果

2）在西测线里程1 520～1 560 段和东测线1 300～1 400 段，高程50 m 以下均出现条带状低阻异常，推断存在断层FD1，倾角约60°，倾向小里程方向，岩溶发育，导水性好。该断层对应隧道里程DK1764+280附近。

3）在西测线里程 1 720～1 800 段高程 150 m 以下及东测线1 580～1 680 段高程100 m 以下，有较大规模的局部低阻异常，推断为断层FD2，倾向小里程方向，倾角约60°，溶洞发育，导水性较好。该断层对应隧道里程DK1764+550附近。

图3 高密度电阻率法探测结果

图3 为高密度电阻率法探测结果，可见电阻率成像剖面图中的低电阻率异常形态与音频大地电磁测深探测结果有较好的吻合度，印证了断层FD1和FD2的存在。

2.3 涌水来源分析

综合地质条件分析和物探成果，可以判断在背斜轴部两侧分别存在断层FD1和FD2，导水性好，为良好的岩溶水径流通道。岩溶水在西侧岩溶槽谷接受地表水补给后，沿通道向东流动，遇到隧道开挖压力释放从隧底涌出，成为DK1764+490—DK1764+510 段涌水主要来源。

3 地下水环境影响

隧道周边分布有北山口暗河出口、鸡足寺暗河出口、江下泉群等岩溶地下水出露点，其中鸡足寺暗河出口在隧道施工期间出现流量减少甚至断流现象。通过现场示踪试验来判断该暗河流量下降与隧道的关联，同时调查监测周边岩溶水点位，探讨对周边地下水环境的影响。

3.1 示踪试验

3.1.1 试验目的和方法

F1断层分布方向与鸡足寺暗河出口相对应，断层地表分水岭附近为岩溶洼地，其中落水洞和漏斗呈串珠状分布，推测与鸡足寺暗河有关。

为了验证这一判断，在隧道西侧岩溶洼地内一大型落水洞（参见图1）中沿水流投放了1 kg 荧光增白剂，在隧道出口排水沟以及鸡足寺暗河出口进行人工取样检测，监测示踪剂浓度变化。

3.1.2 试验结果

监测点试验前荧光增白剂的背景值均为0，示踪剂投放后浓度变化见图4。可知，在隧道出口排水沟及鸡足寺暗河出口均检测到有示踪剂排出，说明鸡足寺暗河和隧道某一区段涌水具有同一补给来源。

图4 接收监测点示踪剂浓度变化曲线

在隧道出口排水沟检出示踪剂后，进入隧道对各涌水区段泄水孔出水取样进行了检测。各出水点示踪剂最高检出浓度见表2。可知，在洞内各出水点中DK1763+790—DK1764+050（F1断层附近）区段示踪剂检出浓度最高，验证了鸡足寺暗河通过F1断层接受地表降水补给。

表2 各出水点示踪剂最高检出浓度

3.2 水文调查监测

在鸡足寺暗河等隧道周边主要水源点位，进行了1 个完整水文年的调查与监测，观察受隧道施工影响实际情况。

1）鸡足寺暗河出口

据当地记录，该暗河出口正常情况下雨季流量约10 000～15 000 m3/d，非雨季流量约200～500 m3/d。鸡足寺暗河出口流量变化见图5。可知，隧道涌水发生后，暗河出口在雨季最高流量约3 500 m3/d，非雨季流量约200 m3/d，隧道施工后暗河流量减少但未完全干涸。

图5 鸡足寺暗河出口流量变化

2）艾家水库

艾家水库位于隧道出口段右侧约300 m 处，为小型（Ⅱ型）水库，主要靠岩溶泉水和降雨补给。艾家水库水位变化见图6。可知，隧道涌水发生后，该水库水位在雨季能升至高位，且维持至雨季结束，未受隧道涌水影响发生大规模渗漏。

图6 艾家水库水位变化

3）其他点位

经过1 个水文年的调查监测，发现隧道周边的江下泉群、冉家泉水和霞贡塘坝上升泉，以及北山口暗河，均未发生流量异常减少情况。

3.3 环境影响分析

隧道DK1764+469—DK1764+531 区段隧底进行了全面注浆加固，注浆孔钻至溶洞底板以下1 m，已将隧底存在的岩溶空洞封闭，封堵后该区段未再发生涌水现象，因此未对径流带下游江下泉群造成影响，同时邻近的艾家水库也未发生大规模渗漏。

如表1 所示，隧道开挖至F1 断层附近，拱顶揭示串珠状溶洞，左右两侧拱腰分布有溶槽。隧道施工将左右溶槽用混凝土完全封闭，阻断了部分岩溶通道；拱顶岩溶水被引排入隧道侧沟排走，减少了下游排泄量，是鸡足寺暗河流量减少的主要原因。隧顶东侧岩溶洼地也可为其提供部分补给，因此在雨季流量还能部分恢复。

4 结论

1）在向斜轴部沿小江边组和茅口组接触带发育有东西向的岩溶强径流带，并接受西侧岩溶槽谷地表水补给，是DK1764+490—DK1764+510 段隧底涌水主要来源。

2）隧道施工时在F1断层附近封堵溶槽，排放岩溶水，改变了部分暗河水流向，是鸡足寺暗河流量减少的主要原因。在DK1764+490—DK1764+510 隧底涌水区段注浆，有效封堵了涌水通道，未对下游江下泉群和邻近艾家水库造成影响。

3）水文地质调查可了解岩溶形态和区域构造分布规律，判断岩溶水径流方向；音频大地电磁测深法和高密度电阻率法可分别对深部和浅部岩溶发育情况进行探测、确认；示踪试验法可以验证隧道涌水与周边水源补给来源的关系；动态监测法可以实际监测地表水源受隧道施工影响情况，判断施工处理措施有效性。以上方法组合有利于岩溶区铁路隧道调查、准确判断岩溶隧道突涌水来源及对地下水环境的影响。