贵州某特长隧道涌水原因分析

郭 彪

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

贵州某特长隧道施工到ZK83+210掌子面时，隧道出现涌水现象。受隧道涌水影响，隧道施工暂停。为此，对该隧道进行了专项水文地质调查，以查清本次涌水的原因。

1 工程概况

拟建隧道左幅里程桩号为ZK80+745～ZK84+738,全长3993m，右幅里程桩号为K80+737～K84+744,全长4007m，为特长隧道[1]，隧道最大埋深约328m。

2 自然地理概况

2.1 地理位置及交通

拟建隧道位于贵州省铜仁市，区内有乡村公路通往各村，但路面较窄，通行能力差。

2.2 气象水文

(1)气象

隧道区多年平均降水量为1137mm，降水量分布不均，夏季最多占41.2%，冬季最少仅占6.1%。

(2)水文

场区地表水较发育。隧道进口端西侧发育一常年流水黑摊河，与线位相交；隧道出口端右侧发育一常年流水龙塘河。隧道洞身未见常年性地表径流。其中隧道里程ZK82+700～ZK83+500区间经现场水文地质调查未见常年地表水发育。

3 区域地质条件

3.1 地形、地貌

隧道区属中低山溶蚀地貌，地形较复杂。ZK82+700～ZK83+500区间经现场踏勘调查及无人机飞行航拍，ZK82+700～ZK82+900为谷地，且ZK82+750为谷底，修筑有369乡道公路。ZK82+900～ZK83+150区段山顶有农作物，并且可见溶蚀洼地发育。ZK83+150～ZK83+500区间内的ZK83+190～ZK83+250段为沟谷地貌，最大高差近40m，ZK83+310～ZK83+430区段为溶蚀洼地，最大高差近10m，该区间由于地形地貌原因易于汇水集水，调查期间未见沟谷、岩溶洼地内发育地表水。

3.2 地层岩性

隧址区内出露地层主要为第四系含砾粉质黏土，下伏奥陶系下统湄潭组页岩夹薄层灰岩、砂岩，二叠系上统长兴组、吴家坪组中厚层、厚层细粒石灰岩含燧石结核，二叠系下统栖霞组、茅口组灰岩夹炭质页岩，二叠系下统梁山组粉砂质泥岩含劣质煤线。

3.3 地质构造与地震

线路区地质构造复杂，褶皱、断层发育，主要褶皱有本庄向斜、河坝背斜、塘头向斜等；主要断层有凉风哨断层、关塘断层等。

根据地质调绘资料，场区发育两条非活动性逆断层，其中一条断层位于隧道进口西侧1.5km处，与设计线位正交，走向北北东向，断层面倾向309°，倾角80°；另一条断层位于隧道进口北西侧，距线位垂直距离2.3km，断层面倾向136°，倾角60°。

据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，设计带的抗震设防烈度为Ⅵ度，设计地震峰值加速度为0.05g。

3.4 岩溶发育特征

隧道区粉砂质泥岩、炭质页岩、泥质粉砂岩不具备岩溶发育条件，灰岩、泥灰岩分布地带岩溶比较发育，影响不可忽视。经现场地质调查、无人机多角度航拍图并结合隧道钻孔资料，场区未发现落水洞、泄水洞及暗河管道[2]。

根据地质调绘结合钻探资料，隧址区岩溶发育类型主要为岩溶洼地、溶洞及岩溶化石灰岩。

(1)岩溶洼地

隧址区发现明显岩溶洼地2处，分别位于线位ZK82+980～ZK83+010、ZK83+320～ZK83+410，见图1。

图1 岩溶洼地

(2)溶洞

受构造和岩性限制，溶洞多呈带状和块状出现，根据已有资料分析其多分布于高程700～800m的灰岩之间，溶洞多呈半充填～无充填，充填物主要为砾石及黏性土。钻探揭露厚度0.2～20.8m。

(3)岩溶化灰岩

该层仅在钻孔CYSZK06揭露，揭露厚度2.6～5.0m，钻探揭露该地层近隧道顶板。

4 场区水文地质特征

4.1 地下水类型

根据场区地层岩性及其组合特征地下水赋存条件、水理性质和水力特征，将区内地下水类型分为碳酸盐岩累岩溶水、碎屑岩类基岩裂隙水及第四系松散岩类孔隙水[2]。

4.2 含水岩组富水特征

(1)松散岩类孔隙水

富水性差，水量贫乏，对隧道影响小。

(2)碎屑岩类基岩裂隙水

富水性弱-中等，其中裂隙不发育的泥岩、粉砂质泥岩为隔水层。

(3)碳酸盐岩累岩溶水

富水性中等～强，水量较大，对隧道影响较大。

4.3 含水层及隔水层

白云岩、灰岩、泥质灰岩富水性强，为主要含水层，粉砂质泥岩、泥岩富水性弱，可视为隔水层。

4.4 地下水动态和埋藏深度

区内地下水动态变化多样，与地下水赋存状态有关，地下水广泛接受大气降水和部分地表水补给，地下水动态类型基本属于渗入-径流型。地下水埋藏深度主要体现在灰岩、泥质灰岩含水系统，受地形控制较大。根据区内水文地质条件和隧道钻孔现场水位测试分析，地下水稳定水位位于隧道底板之下，地下水埋藏较深，隧道洞身位于地下水垂直渗入带。

5 水文地质单元分区及水资源评价

5.1 水文地质单元分区

场区地表分水岭与地下分水岭不重合，地下水分水岭为志留系与二叠系地层分界。根据地表水文网，地下水分水岭以及地质构造对地下水补、径、排条件所起的相对控制作用，按“地下水水文地质单元相对独立、完整”的原则进行划分，将场区分为龙塘河流域水文地质区(岩石产状115°∠48°)和黑摊河流域水文地质区(岩石产状123°∠26°)。

5.2水资源评价

采用大气降水入渗系数法计算区内地下水资源的天然补给量。ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737地下水天然补给量为938722.8～1571377.9m3/a。

6 涌水段所在区间涌水量预测

经对隧道两洞“人字坡”至涌水段一侧的隧道大桩号端口范围(含左洞出口及右洞入口段)，对应里程为ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737 进行计算，所得涌水量为132553.32 m3/d。

本次涌水发生于隧道左洞出口端一侧，结合场区水文地质情况折减系数取0.7，“人字坡”至隧道左洞大桩号端口范围的最大涌水量计算值为Qs=132553.32×0.7=92787.32 m3/d。

7 隧道涌水原因分析

7.1 场区地形地貌易于汇水

经场区实地踏勘调绘结合无人机技术，涌水区段地表ZK83+190～ZK83+250区段为沟谷地貌，最大高差近40m，线位ZK82+980～ZK83+010、ZK83+320～ZK83+410区段发育岩溶洼地，该区段地形地貌易于集水、汇水。该地区2020年9月月降水量达335.8mm为近2年最大值，而调查期间未见沟谷、岩溶洼地发育地表径流，说明降水能够较为顺利地流入地下形成地下水。

7.2 涌水区段岩溶发育

场区常年降水量较大，区域地层岩性以灰岩为主，岩溶较为发育。隧道涌水段地表岩溶洼地发育，根据前期钻探资料、物探解释可知隧道涌水段位于两处钻探解释岩溶发育区之间，详见图2。

图2 隧道涌水区间地层结构及揭露岩溶

隧道施工至ZK83+215掌子面时，掌子面右侧拱腰轮廓线7m 范围内出现溶洞，该溶洞近垂直隧道走向方向发育，延隧道走向宽约5m，高约8m。

为更好探明涌水区间隧道底板岩溶情况，现场进行超前钻探及雷达探测。

(1)超前钻探

为探明涌水区段在隧道地板浅层是否存在溶洞或其他不良地质，现场进行超前钻探。

超前钻探结果显示ZK13、ZK14 揭露地层为中风化灰岩，钻进6m后，无法继续钻进，揭示该位置下部为岩溶发育区。ZK18、ZK19、ZK22揭露地层为中风化灰岩，钻进过程揭露地下水，揭露埋深为1.5～7.0m，揭示该处下部为地下水运移通道。

(2)雷达探测

对ZK83+240～ZK83+150区段进行了隧底隐伏岩溶探测，探测采用地质雷达法。

经雷达数据分析：ZK83+240～ZK83+150 段隧底下方5～15m深度范围内存在不同程度的雷达电磁波异常反射区，结合地质资料证实ZK83+150～ZK83+240 段隧底下方5～15m 深度范围内岩溶发育，其中ZK83+150～ZK83+210段岩溶发育相对强烈，发育有溶蚀管道、溶蚀裂隙密集带或溶腔。

综合钻探资料、水文地质调绘、物探解释、超前钻探及雷达测线说明本区段岩溶较为发育，特别是ZK83+150～ZK83+210段岩溶发育相对强烈，该段为岩溶水通道分布密集区间，岩溶所形成的溶洞、溶隙等不良地质为地下水提供富存空间及运移通道。

7.3 隧道涌水前期降水量大

龙塘镇降雨主要集中于每年5月～9 月，且根据最新龙塘镇已测降水资料，2020年9月月降水量为335.8mm，为该地区从2014年8 月至今的最大月降水量，见图3。根据降水资料揭示隧涌水前期恰为每年降水集中阶段，且当月(2020 年9 月)降水量为近60 个月最大月降水量，调查期间未见该区域地表沟谷、岩溶洼地发育地表水，说明该期间的降水大部分已通过溶隙、裂隙等流入地下，富存于地下岩溶区或岩石节理裂隙中。

图3 2014年8月至2020年10月降水量统计

7.4 综合分析

(1)场区沟谷、岩溶洼地等地形地貌条件易于汇水、集水。

(2)根据钻探、水文地质调绘、超前钻探、雷达探测等资料证实隧洞涌水区间ZK83+145～ZK83+260为岩溶发育区且位于两处岩溶强发育区之间，该区间发育的溶隙、溶洞等为两侧岩溶强发育区提供地下水运移通道。

(3)隧道涌水前期降水量大，为地下水提供丰富补给。

(4)场区大气降水通过节理裂隙、溶隙等各种形式渗入含水层进行地下水循环。隧道发生涌水前，该地区连续多日降水，降水量较大，导致水压力较大，且位于涌水段两侧的物探异常区由于其岩溶发育强烈，储备大量地下水，且地下水通过岩溶发育段ZK83+145～ZK83+260进行运移。隧道在施工过程中打通地下水运移通道导致富存于溶洞、溶隙及岩石裂隙中的地下水突然涌出或顶破隧道地板薄弱区涌出。

8 结语

本次隧道涌水集合“有效的汇水地貌、大量的降水补给、丰富的地下水通道及存储空间”等因素于一体，由于施工过程中打通地下水运移通道，导致富存积累的地下水“瞬时”涌出。