趙瑜，胡波，陳海林，向偉

(重慶大學(xué) a.土木工程學(xué)院;b.庫區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國家地方聯(lián)合研究中心，重慶 400045)

中國交通事業(yè)的發(fā)展日新月異，隧道工程不僅越建越多，而且越建越長。有效的交通在很大程度上依賴于具有良好線形的公路和鐵路隧道[1]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，中國己建長隧道(長度大于3 km)中的41.27%的隧道在修建過程中幾乎不同程度遇到了地下水的危害，并產(chǎn)生了隧道涌突水、區(qū)域地下水位下降、巖溶塌陷、地下水污染和生態(tài)環(huán)境退化等一系列的地下水環(huán)境問題[2]。巖溶地區(qū)隧道地下水涌水問題是長期以來難以突破的水文地質(zhì)難題。富水巖溶地區(qū)地下水不僅危及施工安全、影響施工進(jìn)度，而且在隧道施工期大量輸排地下水情況下極大地惡化當(dāng)?shù)丨h(huán)境。2016年《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》[3]的修訂則突顯地下水環(huán)境影響研究的必要性。掌握隧道工程因素以及隧道施工和運(yùn)行不同時(shí)期對地下水環(huán)境的影響規(guī)律，是對地下水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)評價(jià)的理論基礎(chǔ)[4]。

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，滲流參數(shù)是局部和粗糙的，因此,裂隙巖體系統(tǒng)水力參數(shù)的確定非常困難。人工智能、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性研究工具的興起，對參數(shù)反演這一問題開辟了新的思路。許多學(xué)者將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用到參數(shù)反演中[[5-9]，結(jié)果表明遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均能得到滿意的結(jié)果。巖溶區(qū)隧道地下水與環(huán)境相互作用及相互影響已有不少研究[4,10-18]，隧道工程“以排為主”的設(shè)計(jì)原則已不能適應(yīng)當(dāng)前水環(huán)境保護(hù)的要求，而完全封堵地下水又會(huì)使隧道襯砌難以承受巨大的水壓力，如何控制隧道施工期和運(yùn)行期的排水量成為了隧道排水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前對于隧道施工排水量與地下水自動(dòng)修復(fù)時(shí)間的研究仍處于薄弱階段。針對于此，采用Visual Modflow建立了隧道滲流模型，基于遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并對滲透參數(shù)進(jìn)行反演，研究了隧道工程因素中埋深、排水量對地下水位變化、降落漏斗范圍的影響規(guī)律，分析了隧道施工期和運(yùn)營期的地下水環(huán)境變化規(guī)律，為隧道安全施工和地下水環(huán)境保護(hù)提供理論參考和依據(jù)。

1 隧址區(qū)水文地質(zhì)分析

1.1 隧址區(qū)構(gòu)造

川東地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以隔檔式構(gòu)造為主。即由一系列平行的背斜和向斜相間組成，其中背斜是窄而緊閉的，形態(tài)完整清楚，呈線狀延伸；而兩個(gè)背斜之間的向斜則開闊平緩。圖1為研究隧道穿越典型川東隔擋式構(gòu)造山剖面圖，背斜核部為二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)，兩翼依次為三疊系飛仙觀組(T1f)、嘉陵江組(T1j)、雷口坡組(T2l)、須家河組(T3xj)及侏羅系地層(J)。

重慶軌道交通六號線Ⅱ期工程中梁山隧道中梁山區(qū)域—觀音峽沖斷背斜即為典型的隔擋式背斜。背斜軸部位于山頂巖溶槽谷下(隧道穿越地層P2c上方)，兩翼分布有巖溶槽(地層為T1j、T2l)。該背斜特點(diǎn)導(dǎo)致其隧道修建主要存在以下問題：1)高水壓。背斜核部為碳酸鹽巖和碎屑巖類為主，給地下水提供了良好的賦存條件，而背斜兩翼隔水層，地下水區(qū)域徑流緩慢，使得背斜核部巖溶賦水層位內(nèi)的水位普遍較高，而隧址區(qū)巖層傾角較大，易形成地下水徑流(隧址區(qū)為巖溶水(地層為T1f1、T1f3、T1j、T2l)和裂隙水(地層為T3xj2、T3xj4)為主)。2)地下水環(huán)境復(fù)雜。背斜以可溶性巖和不可溶性巖交叉發(fā)育，巖溶發(fā)育，與一般的地下水徑流存在很大的差異，其水壓大小與溶洞形態(tài)、大小密切相關(guān)。3)難恢復(fù)。背斜窄而緊閉、向斜則開闊平緩、且由于背斜延伸長，地下水區(qū)域徑流緩慢、排泄不暢，隧道開挖排水情況下，一旦超過了其恢復(fù)能力，將很難恢復(fù)，對自然和地下水環(huán)境影響很大。

圖1 觀音峽隔擋式構(gòu)造水文條件典型剖面Fig. 1 A typical section of hydrological conditions of Guan

1.2 工程概況

重慶軌道交通六號線二期工程中梁山隧道為單洞雙線輕軌專用隧道，該隧道設(shè)計(jì)縱坡呈“人”字坡，里程YDK47+509～YDK49+050段設(shè)計(jì)縱坡3.000‰、里程YDK49+050～YDK52+173段設(shè)計(jì)縱坡-21.000‰，進(jìn)洞口軌頂設(shè)計(jì)高程309.789 m、里程樁號YDK49+000處軌頂設(shè)計(jì)高程312.412 m(隧道最高點(diǎn))、出洞口軌頂設(shè)計(jì)高程246.829 m；隧道跨度：最大開挖寬12.720 m(IVB斷面)、凈跨9.600 m，隧道高度：最大開挖高10.621 m(IVB斷面)、凈高8.104 m。

1.3 隧道涌水、排水分析

中梁山隧道于2010年開始掘進(jìn)，根據(jù)隧道進(jìn)、出口的涌水量監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)口出水量在85.19～3 894.96 m3/d，平均日出水量約710 m3/d；隧道出口出水量在499.79～3 894.96 m3/d，平均日出水量約1 821 m3/d，隧道建設(shè)將導(dǎo)致大量的地下水排出。2012年1月在2#通風(fēng)斜井掘進(jìn)至鄭家院子煤窯(KD1)，造成了隧道涌水量突然增大，KD1流量迅速減小并最終干涸。2012年1月，隧道掘進(jìn)至孔雀谷附近時(shí)，水庫在幾天時(shí)間內(nèi)完全干涸，在經(jīng)過治理后水庫又重新開始蓄水。經(jīng)分析，此階段為地層T3xj3進(jìn)入地層T3xj2，裂隙發(fā)育，表層水與地下水聯(lián)系緊密。2012年4—5月，隧道掘進(jìn)至T1j含水層，隧道涌水量增大明顯，最大達(dá)3 849 m3/d。如圖2所示?？梢钥闯觯瑤r溶隧道在從隔水層到含水層界面處涌突水風(fēng)險(xiǎn)最大。

圖2 中梁山2#隧道進(jìn)出口總出水量變化圖Fig. 2 Variation of total water yield of 2# tunnel ingress and egress in Zhongliang

2 三維模型建立和參數(shù)反演

2.1 三維模型建立

以上述隧道地形建立地質(zhì)模型，以三疊系嘉陵江組(T1j)、三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)、三疊系飛仙觀組(T1f1、T1f3))在模型中作為主要含水層，三疊系上統(tǒng)須家河組二段和四段(T3xj2、T3xj4)作為含水層。山體東、西兩側(cè)的侏羅紀(jì)中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1z)作為弱透水層；其外的侏羅系地層(J1-2zl+J2x)作為隔水層處理。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場調(diào)查確定以隧道所在的水文地質(zhì)單元為分析模型區(qū)域。長(沿中梁山走向)為11.6 km，寬(隧道軸線方向)為5.4 km，底部高程為0 m，劃分單元格300×110×10個(gè)。三維地質(zhì)模型如圖3所示。模型采用等效連續(xù)介質(zhì)模型。

圖3 三維地質(zhì)模型Fig. 3 Three-dimensional geological

2.2 地層參數(shù)選取

按不同地質(zhì)地層賦滲流參數(shù)，參考勘察報(bào)告及區(qū)域水文地質(zhì)資料的作為初始值。并按照平面上出露的巖性分布及地表地形進(jìn)行分區(qū)賦值。給水度近似于空隙裂隙度，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)孔隙度作為儲(chǔ)水系數(shù)。地層滲透系數(shù)選取如表1所示。

表1 地層滲透系數(shù)選取Table 1 Selection of coefficient of permeability

2.3 參數(shù)反演

地層初始滲透系數(shù)結(jié)合勘查報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)選取，通過Modflow數(shù)值模擬軟件模擬地下水位初始滲流場。不同滲透系數(shù)反應(yīng)地下水位變化，記錄每組滲透系數(shù)值和觀測水頭值。遺傳算法種群規(guī)模為10，進(jìn)化次數(shù)50次，交叉概率為0.3，變異概率為0.1。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層6個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱含層5個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層8個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了得到更多的訓(xùn)練樣本，采用有限元對三維滲流進(jìn)行計(jì)算，得到100組訓(xùn)練樣本。把計(jì)算水頭當(dāng)作輸入訓(xùn)練樣本，滲透系數(shù)作為輸出樣本，觀測水頭是鉆孔取得的實(shí)際水位值，當(dāng)作預(yù)測數(shù)據(jù)。利用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手段，對滲透系數(shù)值進(jìn)行反演。參數(shù)反演結(jié)果如表2所示。

表2 參數(shù)反演結(jié)果

圖4 反演擬合曲線Fig. 4 Tnefitting curve of

圖4為反演擬合曲線。水頭校正是用已知的水頭和對應(yīng)的計(jì)算水頭比較，兩者間的誤差在精度范圍內(nèi)說明模型準(zhǔn)確，達(dá)到模擬精度，可以采用該模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)勘察資料，隧址區(qū)分布有6個(gè)鉆孔，通過鉆孔可以直接得到該鉆孔水位。在模型中添加6個(gè)觀測井，將計(jì)算水位和觀測水位進(jìn)行對比，如表3所示。

表3 觀測點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 The error statistics of observation point

從表3可以看出，對比6個(gè)觀測井，所有點(diǎn)都落在置信區(qū)間內(nèi)，誤差均小于0.5 m，符合國標(biāo)要求。后面將采用該反演結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 隧道工程因素對地下水環(huán)境的影響規(guī)律

校正好的模型符合真實(shí)的地質(zhì)條件，可以用來模擬隧道施工滲流場的演變規(guī)律，模擬的穩(wěn)定流水位作為非穩(wěn)定流的初始水位。圖5為初始水位等值線圖。

圖5 初始地下水位Fig.5 Initial groundwater

3.1 隧道高程對地下水環(huán)境影響規(guī)律

模型原型隧道進(jìn)洞口軌頂設(shè)計(jì)高程309.789 m、隧道最高點(diǎn)設(shè)計(jì)高程312.412 m、出洞口軌頂設(shè)計(jì)高程246.829 m。隧道高程越高，埋深越小，同時(shí)相對于地下水位埋深越小。根據(jù)隧道排水量監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)設(shè)定排水量為2 500 m3/d，分別設(shè)置隧道高程為250、300、350、400 m，分析不同埋深條件下隧道施工對地下水環(huán)境的影響。

圖6 不同隧道高程的滲流場圖Fig.6 The seepage field of tunnel with the different

圖6為不同隧道高程(埋深)條件下的地下水位圖。從圖6可以看出，隧道施工時(shí)持續(xù)排水，隧道高程越低，即天然水位相對越高，隧道處水頭越高，地下水位降深越大，降落漏斗范圍越大，地下水流失量越大。降落漏斗影響范圍并不嚴(yán)格的沿隧道軸向?qū)ΨQ分布，降落漏斗范圍呈現(xiàn)出隧道北側(cè)大于南側(cè)，西側(cè)大于東側(cè)。這與隧道兩側(cè)相對水頭高度和地下水徑流有關(guān)，南側(cè)補(bǔ)給范圍更廣，影響較小，北側(cè)為觀音峽背斜北部邊界，與嘉陵江相鄰，其地下水儲(chǔ)存量較小有關(guān)；同時(shí)，隧道出口(西側(cè))埋深低于進(jìn)口(東側(cè))。在隧道開挖后，沿線含水層被破壞，水位降深很快，影響范圍較廣。

圖7 最大地下水位降深和降落漏斗范圍隨隧道高程變化曲線Fig.7 The maximum water level drawdown and scope of depression cone with different tunnel

從圖6和圖7可以看出，隨著隧道高程的增大，地下水位降深減小，降落漏斗范圍變小，隧道高程升高150 m(即地下水位相對下降150 m)時(shí)，最大地下水位降深減小約50%，降落漏斗范圍減小約50%；在高水位、排水量較大情況下，地下水環(huán)境改變明顯，最大水位降深達(dá)到了97 m。隧道高程增大后圍巖處水頭降低，孔隙水壓力減少，在同等隧道堵水措施條件下，隧道滲水量減少。可見，隧道選址高程在地下水位之下時(shí)，應(yīng)盡量淺埋，既保證隧道施工安全，又減少對水環(huán)境的影響。

通過對數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，富水巖溶區(qū)在施工期排水量較大情況下，水位降深和降落漏斗范圍均變化很快，施工期地下水環(huán)境保護(hù)工程控制方法及措施：在富水巖溶地區(qū)，應(yīng)盡量選擇高位隧道。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析[18-19]，高位隧道施工風(fēng)險(xiǎn)低，對襯砌和注漿要求均較低，高位隧道對地下水環(huán)境影響較小，且增加隧道高程效果顯著。

3.2 排水量對地下水環(huán)境影響規(guī)律

根據(jù)隧道施工期進(jìn)出口排水量監(jiān)測結(jié)果，平均排水量約2 531 m3/d，分別模擬排水量為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 m3/d的滲流場，探討不同的排水量對地下水滲流場的影響，各排水量條件下滲流場(90 d)如圖8所示。

從圖8和圖9可以看出，模擬表明：隧道施工期排水量為500 m3/d時(shí)，在90 d后地下水位降落漏斗已經(jīng)形成。降落漏斗范圍沿隧道軸線并不嚴(yán)格對稱，與不同高程類似，北側(cè)大于南側(cè)，西側(cè)大于東側(cè)，分析其原因，隧道西側(cè)(出口)隧道高程較東側(cè)(進(jìn)口)低，排水量較東側(cè)(進(jìn)口)大。隨著隧道排水量的增加，地下水環(huán)境影響范圍和最大水位降深均加，隧道排水量從500 m3/d增加到3 500 m3/d時(shí)，最大地下水位降深增加了約4倍，地下水影響范圍增加約1倍。

圖8 不同排水量的地下滲流場圖Fig.8 The seepage field with different water discharge

圖9 最大地下水位降深和降落漏斗范圍隨排水量變化曲線Fig.9 The maximum water level drawdown and scope of depression cone with different water

3.3 施工期地下水環(huán)境隨時(shí)間的變化規(guī)律

假設(shè)隧道施工期間排水量為2 500 m3/d，根據(jù)隧道施工進(jìn)程，隧道施工工期為2年，分為8個(gè)應(yīng)力期，每個(gè)應(yīng)力周期為90 d，模擬隧道非穩(wěn)定滲流的動(dòng)態(tài)變化，如圖10所示。經(jīng)分析，地下水位變化很快的可能原因?yàn)閹r溶區(qū)隧道一旦穿越含水層，其地下水位迅速下降。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著地下水位的下降，地下水與地表徑流發(fā)生相應(yīng)改變，直接造成了隧址區(qū)巖溶泉的出水量減少甚至消失、機(jī)井水位的下降或者干涸。地下水位下降同時(shí)造成原來農(nóng)田的含水量降低，甚至變?yōu)楹档亍?/p>

圖10 隧道施工期間地下水滲流場Fig.10 The seepage field during tunnel

3.4 運(yùn)營期地下水環(huán)境隨時(shí)間的變化規(guī)律

模擬發(fā)現(xiàn)，隧道完工后地下水位降深最大達(dá)到97 m，影響范圍2 km。說明隧道開挖破壞了地下水循環(huán)系統(tǒng)，改變了滲流路徑。通過圖10滲流場變化可以看出，影響最大的是隧道軸線頂部以上部分?，F(xiàn)分別模擬運(yùn)營期為0.5、1、2、3、5、10、20 a時(shí)地下水滲流場，如圖11所示。

觀測井水頭的變化即地下水降深。從圖11可以看出，隧道運(yùn)營1 a內(nèi)地下水位上升較快，隧道軸線頂部降落漏斗慢慢減小。5 a后減小到約30 m處，之后隨著時(shí)間推移，地下水位基本穩(wěn)定，降深維持在約30 m。分析其原因是隧道開挖破壞了地下水循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)改變了地表水徑流，使得水位難以恢復(fù)到初始水位。隧道完工時(shí)降落漏斗范圍向隧道中線兩側(cè)延伸2 km，5 a后影響范圍擴(kuò)大到約4 km，以后不再發(fā)生較大變化。

圖11 隧道地下水位降深時(shí)間效應(yīng)Fig.11 The time effect of groundwater level

經(jīng)分析，由于隧道運(yùn)營期間堵水作用，隧道兩側(cè)較遠(yuǎn)區(qū)域地下水向隧道軸線附近區(qū)域補(bǔ)給，使得隧道軸線附近水位有所上升，然而影響范圍卻向兩側(cè)逐漸擴(kuò)展。通過調(diào)查和監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，重慶軌道交通六號線二期中梁山隧道施工期間大量疏干地下水，對周邊環(huán)境造成不可恢復(fù)的影響。

實(shí)際工程中人們更關(guān)注運(yùn)營期地下水環(huán)境情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究[4,18]，運(yùn)營期地下水環(huán)境保護(hù)控制方法及措施：主要是控制好隧道施工期排水量，同時(shí)減小運(yùn)營期滲水量(如施工階段進(jìn)行注漿、襯砌等方法加大圍巖和隧道的抗?jié)B性)，可有效保護(hù)地下水環(huán)境。

4 結(jié)果分析

隧道工程與水環(huán)境的相互作用包括水環(huán)境對隧道工程的作用和隧道工程對水環(huán)境的反作用2個(gè)方面。水環(huán)境對隧道工程的作用表現(xiàn)為隧洞涌漏水和承受水壓力。隧道工程對水環(huán)境的反作用導(dǎo)致洞頂?shù)沫h(huán)境災(zāi)害：隧道涌排水使地下水逐漸疏干，使地下水位不斷下降，地下水疏干漏斗不斷擴(kuò)大，水環(huán)境失去平衡。而如何平衡這兩方面關(guān)系則是隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

中梁山觀音峽背斜由南至北地質(zhì)構(gòu)造較為相近，對已建成的隧道對地下水環(huán)境影響進(jìn)行分析對于未來隧道修建的環(huán)境影響有重要的借鑒意義。

表4 中梁山南側(cè)部分隧道工程與地下水相互作用[19,有改動(dòng)]

圖12 模擬與實(shí)際結(jié)果對比圖Fig.12 Comparison of simulation and actual

通過表4和圖12分析可知，中梁山隧道工程的影響均在所處的局部系統(tǒng)范圍內(nèi)，各隧道影響程度有限，并未影響至深部徑流的地下水。從圖12(a)和12(b)、12(c)和12(d)對比分析可以看出，模擬結(jié)果和調(diào)查結(jié)果均顯示隧道高程對地下水環(huán)境影響很大。模擬結(jié)果基本符合實(shí)際情況。但需要注意的是本次模擬均只模擬了一條隧道，而研究區(qū)兩側(cè)均有隧道(歇馬隧道在其后修建)，隧道修建后地下水影響范圍和最大水位降深可能與實(shí)際有細(xì)微出入。

5 結(jié)論

1)對隧址區(qū)水文地質(zhì)進(jìn)行分析，總結(jié)出巖溶地區(qū)隧道難題：高水壓、地下水環(huán)境復(fù)雜、難恢復(fù)的特點(diǎn)，其主要地層含水為巖溶水(主要地層為T1f1、T1f3、T1j、T2l)和裂隙水(主要地層為T3xj2、T3xj4)，隧道施工期間涌水和排水量均表明巖溶地區(qū)隧道施工隔水層和含水層交界處涌水風(fēng)險(xiǎn)非常大，應(yīng)注意防排水措施。

2)采用遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)方法對含水層滲透系數(shù)進(jìn)行參數(shù)反演，通過與調(diào)查結(jié)果對比，模擬結(jié)果理想，表明遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)方法在參數(shù)反演的可行性，以及模型概化的準(zhǔn)確性。

3)分別對隧道工程因素中的隧道埋深和排水量對地下水環(huán)境的影響進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，隨著隧道高程的增大，地下水位降深減小，降落漏斗范圍變??；隨著施工期排水量的增大，最大地下水位降深增加，降落漏斗范圍變大；研究區(qū)降落漏斗范圍并不嚴(yán)格對稱分布，呈現(xiàn)出西側(cè)大于東側(cè)、北側(cè)大于南側(cè)的趨勢。富水巖溶地區(qū)開挖隧道對地下水環(huán)境影響很大，隧道選線時(shí)應(yīng)盡量選擇高位隧道和控制施工期排水量。

4)分別對隧道施工期(2 a)和運(yùn)營期(20 a)進(jìn)行地下水滲流場模擬，結(jié)果表明，施工期內(nèi)，降落漏斗在建設(shè)初期就已初步形成；運(yùn)營期內(nèi)，地下水位在1年內(nèi)恢復(fù)較快，5 a后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在現(xiàn)有施工排水量情況，如果不采取相關(guān)措施，隧道地下水環(huán)境20 a內(nèi)并不能完全恢復(fù)。

5)隧道開挖使原來的滲流場發(fā)生變化，當(dāng)排水量較大時(shí)，即使?jié)B流場穩(wěn)定后，地下水也難以恢復(fù)到初始水平；中梁山地區(qū)隧道建設(shè)應(yīng)該加深分析隧道群對地下水環(huán)境影響，同時(shí)在施工過程中應(yīng)該采取相應(yīng)的控制措施。