路曉光，王慶林，張肆紅

（1.重慶市地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川東南地質大隊，重慶400038；2.云南建投博昕工程建設中心試驗有限公司，云南 昆明650217）

0 引言

在我國，巖溶是一種分布較廣的不良地質，占國土面積的1/3以上[1]，已成為巖溶地區(qū)地下工程建設面臨的主要地質問題。隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，在巖溶地區(qū)進行了大量隧道工程建設，在施工時遭遇了各種巖溶地質災害的侵擾，給國民生命財產(chǎn)安全造成了嚴重威脅。據(jù)統(tǒng)計，我國80%的巖溶隧道施工時遭遇過水害，至今仍有30%的隧道處于地下水的威脅中[2]。我國已建長隧道（長度大于3 km）中，41.27%在修建過程中遭到了地下水的危害，產(chǎn)生了隧道涌突水、巖溶塌陷等地下水環(huán)境問題[3]。因此，巖溶地區(qū)隧址區(qū)水文地質條件調(diào)查和地下水災害評價具有重要的意義。本文基于重慶市某地區(qū)巖溶區(qū)隧道工程背景，研究該區(qū)域巖溶發(fā)育特征及其影響因素，探討區(qū)域水文地質條件并進行地下水災害評價。

1 工程及隧址區(qū)概況

1.1 工程概況

為緩解重慶市黔江區(qū)老城區(qū)交通壓力，加快城鎮(zhèn)化建設進程，擬修建桐坪隧道。擬建隧道設計起點位處于黔江區(qū)城南街道南溝社區(qū)南青路，設計終點位于黔江區(qū)正陽街道桐坪村正舟路，連接桐坪路，為城市主干路，設計速度為50 km/h，標準路幅寬度為26.5/14.25 m（單洞），雙向四車道，道路左線長3350.881 m，右線長3342.725 m。其中左線隧道設計范圍為ZK0+170～ZK3+300，隧道長3130 m，右線隧道設計范圍為YK0+200～YK3+295，隧道長3095 m。道路最小圓曲線半徑為1300 m，最大縱坡為2.8%。

1.2 隧址區(qū)構造

黔江區(qū)地處四川盆地盆周山地區(qū)域，地質構造復雜，屬新華夏構造體系，北北東方向展布褶皺及伴生斷裂明顯。褶皺有咸豐背斜、濯河壩—大集場向斜、筲箕灘背斜、桑柘坪向斜、郁山背斜、普子向斜、馬槽壩向斜、老廠坪背斜、金鈴壩背斜和石柱向斜。斷層有馬喇湖—咸豐正斷層、龍?zhí)秹握龜鄬印⒋笏赫龜鄬?、郁山正斷層、龍咀河正斷層、馬武正斷層、三岔溪正斷層。出露巖層以元古界震旦系白云巖為基底，到白堊系為止，接受了厚達數(shù)千米的巨厚沉積巖系的淀積。隧址區(qū)出露的地層從老到新主要為志留系上統(tǒng)羅惹坪組～三疊系下統(tǒng)嘉陵江組的一套碳酸鹽巖類及碎屑巖類地層，巖性主要以可溶性碳酸鹽為主。

隧址區(qū)在地質構造上位于濯河壩～大集場緊束向斜的北西翼，以及濯河壩向斜與次級構造黔江向、背斜的共同轉折部位，出口處位于肖箕灘斷裂帶的影響帶，受褶鄒構造和斷層構造的影響，巖層大多單斜陡立，層間錯動局部很發(fā)育。巖層產(chǎn)狀在碳酸巖分布區(qū)一般為98°～130°∠56°～82°，在碎屑分布區(qū)一般為90°～122°∠29°～56°，往進洞口方向漸轉變?yōu)?02°～310°∠8°～28°。

1.3 巖溶發(fā)育的形態(tài)

隧址及鄰近區(qū)域可溶巖由三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、二疊系上統(tǒng)、下統(tǒng)地層、以及泥盆系水車坪組（D3s）泥質灰?guī)r、砂巖組成。其中三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）二、四段含較多的鹽溶角礫巖、膏鹽角礫巖，極易被溶蝕，同時受區(qū)域沉積環(huán)境影響，出露于所有巖層表面，是調(diào)查區(qū)內(nèi)巖溶化最高的可溶巖。嘉陵江組（T1j）一、三段與二疊系灰?guī)r質純、單層厚度大，為巖溶次發(fā)育層位。而三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r單層厚度較薄，夾較多泥質夾層與白云巖，巖溶相對中等發(fā)育。區(qū)域上表現(xiàn)為以垂直分布為主的間歇性上升，受長期溶蝕和侵蝕作用，形成了較為豐富的地表、地下巖溶形態(tài)。主要有溶溝、溶槽、落水洞、溶洞、巖溶洼地、暗河，其中比較大的巖溶洼地有8個，落水洞10個，溶洞1個，以及暗河1條（見圖 1）。

圖1 隧址區(qū)典型巖溶形態(tài)

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

2.1 巖溶發(fā)育的呈層性

調(diào)查區(qū)的主要巖溶形態(tài)是在區(qū)域間歇性抬升運動和巖溶發(fā)育的產(chǎn)物。特別是第四系以來由于地殼處于間歇性上升，使槽谷不斷發(fā)育分化，不同形態(tài)類型的差異日益顯著，相互高差日益增大。地殼抬升時期，巖溶水以豎向的溶蝕、侵蝕作用為主，地表向垂直方向發(fā)展，從而在可溶巖分布區(qū)域地面形成豎向的巖溶形態(tài)，主要表現(xiàn)為漏斗、落水洞及天窗等。地殼相對穩(wěn)定時期，巖溶水以側向溶蝕、侵蝕作用為主，地表向夷平方向發(fā)展，形成各級剝夷面，在可溶巖分布區(qū)域形成水平洞隙，主要表現(xiàn)為溶洞和暗河管道。

2.2 巖溶發(fā)育的順層性

通過對調(diào)查區(qū)的調(diào)查，控制本區(qū)的巖溶發(fā)育的主要因素是南西北東走向的地質構造，以及這種構造條件下的巖性條帶狀展布。調(diào)查區(qū)地層呈層狀，局部含隔水層相間產(chǎn)出，相鄰地層巖體巖溶化特征、規(guī)律存在差異，從平面圖上看，區(qū)內(nèi)巖溶漏斗、落水洞串珠狀延伸方向與巖層走向方向基本相同，暗河發(fā)育方向亦與巖層走向基本相同。

2.3 巖溶發(fā)育的不均勻性

受諸多因素控制，巖溶在巖體內(nèi)的發(fā)育是不均勻的，甚至是極不均勻的，即巖溶化程度是不同的。也就是說，在有利的部位可形成規(guī)模較大的地下廓道式洞穴，在不利的部位僅有溶隙或小溶孔發(fā)育。

2.4 巖溶發(fā)育的垂直分帶性

由于本區(qū)地殼呈大面積間歇性上升，使得巖溶發(fā)育的速率小于地殼上升的速度。這就造成巖溶發(fā)育隨深度的增加而減弱的大格局。在近地表地帶，巖溶水交替循環(huán)劇烈，巖溶十分發(fā)育，巖溶洞隙規(guī)模大、數(shù)量多。而在地下深處，地下水交替運動十分緩慢，僅發(fā)育一些溶孔和小溶隙。故形成了巖溶發(fā)育的垂直分帶特征。

2.5 巖溶發(fā)育的向深性

巖溶發(fā)育的“向深性”就是巖溶作用急劇向地球深處發(fā)育的特性。這是裸露型巖溶巖石地區(qū)巖溶發(fā)育的主要特性之一。在新構造運動作用下，地殼呈大面積間隙性上升之中，侵蝕基準面和溶蝕基準面則隨之急劇下切，形成高山峽谷巖溶地貌。地下水為適應不斷下降的排泄基準面，隨之向深處徑流，包氣帶也隨之不斷加厚。表現(xiàn)在中高山嵌巖溶洼地、洼地底部套生著漏斗，漏斗底部又發(fā)育著深達數(shù)十米至幾十米的落水洞，落水洞末端又與地下河相連。區(qū)內(nèi)落水洞、漏水洞分別深達幾十米，就是這一特性的典型，說明了巖溶發(fā)育的繼承性和向深性特點。同時，部分地下河或巖溶泉的洞穴管道為適應不同時期的侵蝕基準面而導致洞穴的多層性。也是巖溶發(fā)育向深性的真實反映。垂向洞隙的向深發(fā)育，是造成區(qū)內(nèi)地下水深埋的根本原因。

2.6 巖溶發(fā)育的多系統(tǒng)性

區(qū)域上，碳酸鹽巖地層在時空分布上的不一致性，造成巖溶發(fā)育的多系統(tǒng)性。區(qū)內(nèi)巖溶主要位于二疊系中統(tǒng)與下統(tǒng)這兩大套碳酸鹽巖地層中，三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、志留系（S）、泥盆系（D）夾較多泥質物形成不透水層而形成可溶巖相對分隔狀態(tài)。

3 區(qū)域水文地質條件

隧址及鄰近區(qū)因巖溶作用形成較多的落水洞、洼地、槽谷，并有地下暗河分布，桐坪隧道可溶分布段無大的地表水體分布，降水主要沿裂隙、落水洞、漏斗等匯入巖溶管道及暗河排泄。區(qū)內(nèi)有暗河出口、泉點及煤礦共計18處，調(diào)查期間，出口、泉點的流量在0.1 L/s～35 L/s之間。

區(qū)內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、可溶性巖類溶洞溶隙水。其中調(diào)查區(qū)以可溶性巖類溶洞溶隙水為主。棲霞組、茅口組及大冶組地層的石灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖，為該區(qū)主要巖溶含水巖組。該組巖溶發(fā)育強烈，其中暗河、溶洞強烈發(fā)育。該含水巖組地下水含量豐富，對隧道影響及危害程度大，為強富水區(qū)。在施工過程中存在涌水、突泥和塌方的可能。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受自然環(huán)境影響較大，只有實際種植才能真正反映出種植技術的作用。首先，為了提高小麥抗逆穩(wěn)產(chǎn)高品質栽培技術的知名度，和江蘇省農(nóng)委作栽站合作，在江蘇省糧食高產(chǎn)創(chuàng)建工程中進行示范推廣。其次，和江蘇省農(nóng)墾局達成合作，充分發(fā)揮農(nóng)墾局下屬農(nóng)場稻麥生產(chǎn)現(xiàn)代化的優(yōu)勢條件，展示小麥增產(chǎn)抗倒伏新技術，起到了示范效應。再次，適應當下農(nóng)村新型種糧主體調(diào)整的現(xiàn)狀，探索在種糧大戶、家庭農(nóng)場和合作社等3者之間開展新技術培訓和示范推廣的新模式、新途徑，進行了一些試驗。

根據(jù)采取的水樣水質試驗分析結果，按環(huán)境類型評價，該區(qū)為Ⅱ類環(huán)境SO42-、Mg2+、總礦化度對混凝土結構均有微腐蝕性；按地層滲透性評價，在B類條件下對混凝土結構有微腐蝕性（pH值為微腐蝕性，侵蝕性CO2為微腐蝕性）。

4 地下水災害評價

4.1 隧道涌水量評價

隧道的涌水預測是長時間以來困擾生產(chǎn)實踐的難題，在巖溶地區(qū)尤其如此。對于條件復雜的深埋長隧道涌水量預測準確率低，其原因主要是：（1）巖溶地下水賦存極不均衡，主要呈獨立的管道流，無統(tǒng)一的地下水潛水面，所以，很難確定隧道內(nèi)確切涌水部位及水量的大??；（2）調(diào)查區(qū)域有限及勘察精度不夠，又無動態(tài)觀測資料及試驗資料較少，不能準確地描述地質條件及水動力場特征；（3）合理的計算方法和參數(shù)難以確定。

本工程水文地質區(qū)為山脊富水帶，選用大氣降雨入滲系數(shù)法、地下徑流模數(shù)法分別計算擬建隧道穿越可溶巖段及非可溶性地層的地下水涌水量。

4.1.1 大氣降水入滲法

大氣降水入滲法計算公式見式（1）：

式中：Q為隧道涌水量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)；W為年平均降雨量，根據(jù)氣象資料該地區(qū)多年平均降雨量1200.3 mm；A為隧道通過含水體地段的集水面積。

根據(jù)黔江幅水文地質資料，擬建場地巖性入滲系數(shù)α取值：碎屑巖：0.01-0.1；碎屑巖（背斜、向斜）：0.05～0.2；碳酸鹽（T1-P2）：0.3～0.8。大氣降水滲入法計算隧道涌水量見表1。

表1 涌水量計算表（大氣降水入滲法）

需要注意的是，這里計算是常規(guī)隧道施工方法(鉆爆法)情況下對單洞涌水量的預測。本隧道為雙線隧道，所提供的涌水量為兩隧洞的總涌水量。若兩洞同時施工，單洞涌水量約為總涌水量的二分之一，若不同時施工則其涌水量不能按總涌水量的二分之一考慮。

另外，隧道涌水量計算是假設含水巖層是均質體，但實際上含水巖層極不均一，而且采用了封堵措施后地下水徑流將變得更加復雜化，降雨后涌水量大增的情況必須引起高度重視。因此，在施工中遇到突發(fā)涌水、大量涌水等特別情況時其設計封堵措施不應受上述計算的限制。

4.1.2 地下徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)法計算公式見式（2）：

式中：Q 為地下徑流量，m3/d；M 為地下徑流模數(shù)，L/（s·km2）；F為含水層出露面積，km2，在1∶10000水文地質圖上CAD直接量測。

計算選用地下水徑流模數(shù)值參考區(qū)域水文地質報告(黔江幅)，不同的地層巖性、富水性及巖溶發(fā)育程度時枯季徑流模數(shù)的取值和計算結果見表2。

表2 隧道涌水量預測表（地下徑流模數(shù)法）

同上，可得則平水期和豐水期涌水量分別為5946.56 m3/d和8919.84 m3/d。

4.1.3 計算結果評述

根據(jù)上述計算成果，發(fā)現(xiàn)以上兩種計算方法所得出的結果相差較大，大氣降水入滲法得到的涌水量為地下徑流模數(shù)法的2.7倍。其原因在于大氣降水入滲法給出的是任意條件下進入施工地段的總的可能涌水量，地下水徑流模數(shù)法則是根據(jù)區(qū)域水文地質普查報告（黔江幅），不同的地層巖性、富水性及巖溶發(fā)育程度選用不同的枯季徑流模數(shù)值，再根據(jù)隧道的匯水面積確定的宏觀、概率的隧道涌水量預測值[7]。根據(jù)場區(qū)的巖溶發(fā)育特征和水文地質條件，考慮到隧道施工用水的突發(fā)性和不可預測性，建議采用最大涌水量，即全隧道枯期、平水期和豐水期涌水量分別為16069.52 m3/d、32139.04 m3/d和48208.56 m3/d。

4.2 主要環(huán)境地質問題

（1）隧道是一種較大規(guī)模的地下工程，根據(jù)建設設計方案，本隧道工程施工建設橫穿區(qū)內(nèi)多個含水層，由于地下水滲流影響，隧道開挖過程中將會有大量地下水涌入，隧道的長期排水將導致地下水位下降，并逐步擴大形成地下水疏干區(qū)。

（2）隧道水主要來源于含水層中的疏干水量和地表水的補給，當排泄達到一定的規(guī)模時，則會形成地下水降落漏斗，隨著漏斗的滲透能力越來越強，促使大量地表水滲入地下，從而導致地表的泉點、水井、水庫和堰塘等的干枯，溪溝斷流等現(xiàn)象的發(fā)生，會嚴重影響隧道沿線村民的生產(chǎn)生活。

（3）隧道施工過程中產(chǎn)生的大量廢水的排放將會對該地區(qū)地表水造成污染，其來源為隧道開挖過程中鉆渣混合天然涌水形成的泥漿，其次為隧道施工的爆破、施工機械設備的油污滲漏均會對天然涌水的水質造成污染，另外還有施工人員生活產(chǎn)生的垃圾、生活廢水及糞便污水等。

（4）隧道在施工中放炮將產(chǎn)生劇烈的震動波，地下震動產(chǎn)生的氣壓和液壓的沖擊，破壞性大，可導致深部巖溶管道與淺部巖溶管道聯(lián)通。另外大量的地下水排泄，使得地下水位迅速下降，淺部的豎向巖溶管道中的土體由于潛蝕作用和真空吸蝕，巖溶洞隙充填物又不斷地被地下水帶走，其下部形成空洞，土體在重力作用下，地表出現(xiàn)拉裂縫、下沉跡象，最終形成塌陷。

（5）在擬建隧道沿線有已關閉的黔江區(qū)龍橋煤礦分布，礦山老采空區(qū)開采標高為640 m～830 m，此處隧道設計標高約為577 m。在隧道開挖過程應重點監(jiān)測，加強預報，防止隧道施工時產(chǎn)生塌陷，避免在隧道開挖時形成突水。

5 結論

（1）對隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律進行分析，總結出該區(qū)域地質構造、地層巖性和地形地貌特征對巖溶發(fā)育的影響方式。

（2）采用大氣降水入滲法和地下徑流模數(shù)法分別計算隧道涌水量，發(fā)現(xiàn)前者得到的結果為后者的2.7倍。分析兩種方法所得結果差異的原因；根據(jù)場區(qū)的巖溶發(fā)育特征和水文地質條件并考慮到隧道施工用水的突發(fā)性和不可預測性，建議采用大氣降水入滲法。

（3）隧道工程中可能遇到隧道開挖形成較大的集水廊道造成隧道兩側較大范圍內(nèi)的水源枯竭、巖溶塌陷，隧道涌水及施工過程中的廢水、廢渣外排污染問題，針對以上環(huán)境地質問題進行了分析。