高速公路隧道施工对地下水环境的影响分析

李 阳，游哲远

（1.重庆高速巫云开建设有限公司，重庆 401147；2.招商局生态环保科技有限公司，重庆 400060）

随着社会经济的快速发展及高速公路路网的不断完善，我国隧道工程建设得到了前所未有的迅速发展。我国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家[1]。隧道是高速公路的重要组成部分，其施工建设显著缩短了高速公路里程，提高了高速公路运行效率，但是，隧道工程的建设会产生一系列地下水环境问题，主要表现为两种现象：一是隧道内涌水，这将恶化围岩稳定状态，导致施工困难，增大工程造价，严重时或将产生施工事故，造成人员伤亡；二是地表枯水，造成饮水困难。隧道施工期较长，会产生连续排放的施工废水，如不进行严格管理和控制，可能会对隧道内地下水产生一定影响。

1 隧道建设诱发的地质灾害实例

在隧道的建设过程中，可能会出现一系列的地质灾害，这给隧道的施工安全以及建成后的运营带来了很大影响，其中由地下水环境带来的涌水影响非常大。此外，还有可能引发其他一系列地质灾害，如突泥、地面沉降、塌陷等[2]。

2003年11月，西班牙南部一条高速铁路隧道在施工过程中发生涌水，水量为800L/s，引发公众抗议[3-4]。2010年9月，甘肃乌鞘岭隧道开挖到Ⅵ级围岩施工的地段时发生涌水事故，涌水量达8000m3/d，掌子面在166d里每天掘进平均长度不到1.2m，工期严重延误[5]。2013年11月，贵州三黎高速公路盘岭隧道施工时多个工点发生未胶结富水压性断层破碎带的涌水、突泥事故，涌水量达20000m3/d，突泥量达6000m3[6]。2016年11月，广西省河池市河百高速3标段平坎隧道发生透水事故，突泥量达10000m3，工期受到拖延，并造成5人死亡[7]。可见，在施工前，对发生涌水可能性较大的隧道进行施工期水文地质研究，加强超前地下水预测，提前制订好排水方案及环境保护措施，对有效防止隧道建设施工期地下水环境影响带来的地址灾害尤为重要。

2 建设项目概况

拟建隧道穿越横断山脉“西山梁子”，隧道全长11615m，最大埋深约1150m，属特长隧道。该隧址处为横断山脉，山高横坡陡峻，因地形狭窄，短距离内难以展线完成升坡与降坡。为改善线性、缩短里程，减少挖方及防护工程，节省废弃土石方处治工程，提高运营效益，建设该隧道。隧道进口处于平曲线半径为2600m，纵坡在-1.98%与0.4%的线形内。

3 隧址区地下水环境现状

3.1 地形地貌

隧址区属构造侵蚀溶蚀中切割中山陡坡地形地貌，地形连绵起伏，沟壑纵横，最高处海拔约为2930m，相对怒江高差约1875m，相对切割深度大于1000m，山体起伏很大，地形切割强烈；山体陡峻，山坡和谷坡坡度较大，一般在40°以上，沟谷多呈“V”形，纵向坡度大，阶梯状支沟发育。隧道进口段位于西山东侧，发育地表水系为木瓜树河水系及支流；出口段位于西山西侧，发育地表水系为勐勒河水系及支流。

3.2 地层岩性及地质构造

隧址区出露地层主要为奥陶系上统（O3）、奥陶系中统（O2）、寒武系上统保山组中段（∈3b2）。隧道由进口至出口穿4条断层，依次为在K1+657处穿越票柴坝断裂F93、在K6+922处穿越岩箐断裂F94、在K10+983处穿越红木岭干张扭性断裂F90、在K12+020处穿越大风口压扭性断裂F58，全线穿越核桃坪复背斜。隧址区水文地质剖面见图1。

图1 隧址区水文地质剖面

3.3 水文地质特征

隧道通过区以碳酸盐岩和砂泥页岩互层组合为特征，地下水主要发育层状岩类风化裂隙潜水和层间承压水，溶洞水不甚发育。

受分水岭及背斜构造影响，浅层地下水接受大气降水补给，受微地貌控制，向附近溪沟排泄。这类地下水埋深一般变化较大，地下水埋深一般为30～50m，在山脊部位可能更大。层间承压水接受大气降水和浅层风化裂隙水补给，径流受岩性和构造控制，在地下水运动受阻或含水层受到切割时，通常以泉的形式排泄。在隧址区这类地下水发育具有一定深度，但总体随深度增加地层的含水性逐渐减弱。

3.4 隧道穿越地层岩性特征

K1+085～K1+657为奥陶系上统（O3）砂岩、粉砂岩、页岩夹泥灰岩；K1+657～K6+922为奥陶系中统（O2），岩性为灰岩、泥灰岩、砂岩、页岩；K6+922～K10+983为寒武系上统保山组中段（∈3b2），岩性为页岩、粉砂岩夹泥灰岩、石灰岩；K10+983～K11+659为奥陶系中下统（O2），岩性为灰岩、泥灰岩、砂岩、页岩；K11+659～K12+700为奥陶系上统（O3）砂岩、粉砂岩、页岩夹泥灰岩。

4 隧道施工对地下水环境的影响分析

4.1 解析法计算隧道影响半径

采用解析法计算隧道影响半径，公式如下：

式中：R为影响半径，m；H为潜水含水层厚度，m；K为含水层渗透系数，m/d；W为降水补给强度，m/d；μ为重力给水度，无量纲；t为排水时间，d。

此次计算所需的渗透系数K采用区域水文地质报告中的相关资料，并结合隧道附近已有资料及岩石试验来确定；降雨补给强度W依据隧道穿越区，选取隧址区平均降雨量；含水层厚度H从各隧洞纵剖面量取平均值；排水时间t预计隧道开工到施工完成约5年（1825d）。参数取值及计算影响结果见表1。

表1 解析法计算影响半径结果

由表1可知，隧道穿越含水层厚度较大的页岩、粉砂岩夹泥灰岩、石灰岩地层，预测影响范围较大，影响半径R为1155m；穿越粉砂岩、页岩夹砂岩及灰岩、泥灰岩地层，预测影响范围中等，影响半径R为581～716m。

4.2 隧道涌水状况分析与计算

隧道涌水量除受岩溶发育和水文地质条件控制外，还具有季节性变化大的特点，因此预测隧道涌水量时，要分别计算正常涌水量与雨季最大涌水量值。涌水量预测正确性主要取决于对隧道充水条件的正确分析及计算参数和计算方法的合理选用。根据所取得的资料及对隧道区岩溶水文地质条件的了解，拟选取地下水径流模数法对隧道涌水量进行分段评价。隧道处于分水岭交界处，隧道涌水的主要来源为影响半径内的地下水，在此处假设影响范围内地下水互相流通，方便计算与分析，计算影响半径为最大影响半径，即1155m范围内。

（1）大气降水入渗法涌水计算与分析。采用大气降水入渗法计算如下：

式中：Q2为地下水涌水量，m3/年；W为年降水量，m；α为降水入渗系数，无量纲；F为影响区域面积，m2。大气降水入渗法计算隧道地下水涌水量见表2。

表2 大气降水入渗法计算隧道地下水涌水量

由此计算的涌水量Q是年平均量，实际区域降水存在时间与空间的分布不均，降水主要集中在5—10月，如果选择雨季施工涌水量会更大。

（2）地下水径流模数法涌水计算与分析。地下水径流模数法预测涌水量，计算公式为：

式中：Qs为预测隧道正常涌水量，m3/d；86.4为换算系数；M为地下径流模数，L/（s·km2）；A为隧道通过含水体地段的集水面积，km2。

根据径流模数法计算，该隧道正常涌水量为11630m3/d，最大涌水量为1.5×11630=17445m3/d。地下水径流模数法计算隧道地下水涌水量见表3。

（3）计算结果的印证、对比。降水入渗法计算的隧道正常涌水量为12422m3/d，径流模数法计算的隧道正常涌水量为11630m3/d，两者相差792m3/d，占降水入渗法计算的隧道正常涌水量的6.38%，占径流模量法计算的隧道正常涌水量的6.81%。通过两种方法计算得到的隧道正常涌水量计算结果相差不大，可以互相印证。

表3 地下水径流模数法计算隧道地下水涌水量

根据以上估算结果和分析，推荐采用降水入渗法计算的隧道正常涌水量即12422m3/d（453.41万m3/年）作为隧道涌水量。

5 施工期地下水环境保护措施与建议

（1）隧道穿越多条大断层，对于断层、节理裂隙发育等地下水发育地段，根据隧道涌水量，建议采用封水隧道。并且应该结合隧址区生态环境的承受能力和施工经济条件两方面因素控制隧道的涌水量，保持地下水环境的相对平衡。

（2）穿越复杂岩层的隧道施工应制订完善的施工方案，对围岩应进行超前预注浆处理，加固围岩，形成止水帷幕，注浆效果达到预定要求后方可继续开挖。加强对软弱围岩和断层破碎带的支护，严密监测隧道涌水量与位移量。如遇涌水突增和位移突变情况应立即撤出人员及设备减少损失。

（3）对于出现涌水状况的部位，应加强对地下水涌水量的观测和水质分析，对涌水位置、涌水形态、涌水量大小、涌水量动态变化、含泥沙情况、水的侵蚀性等进行详细监控，及时评价涌水对地下水环境的影响。

（4）因为隧址所在区域为岩溶地区，地质构造背景复杂、地质研究程度较低、断裂较发育，所以可能还存在尚未发现的断裂、地下岩溶通道等影响地下水发育的其他因素，因此应在施工阶段进一步加强隧址区水文地质勘察工作，以保障施工安全。

6 结束语

在现有地质和水文地质研究基础上，对拟施工隧道进行影响范围、涌水量的预测和评价，这对保护隧道建设的地下水环境具有一定的指导意义。但因隧道选址所处区域水文地质条件复杂，故应在施工时加强水文地质勘查工作，在保证施工安全的同时更全面地了解隧道建设对地下水环境的影响。