襄渝铁路新大巴山隧道涌水量预测研究
发布时间:2023-08-13
(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都610031)摘要：研究目的:新大巴山隧道是襄渝铁路增建二线安康至重庆段控制性工程，由于其地下岩溶水丰富，因此隧道涌水量预测对该铁路设计和施工具有重要意义。本文采用前苏联科学家普洛特尼科夫关于天然地下水资源的“储量分类”法( 三种类型: 动储量、静储量、调节储量) ，在分析地下岩溶水垂直发育的分带性、储水构造特征、施工期间地下水涌(突) 水特征等基础上，划分出地下岩溶水储量类型，研究地下水动储量与降雨的线性关系，预测隧区百年一遇降雨条件下隧道的最大涌水量。研究结论: (1) 隧址区地下岩溶水可分为动储量和静储量两种类型; (2) 隧道地下涌水主要为动储量释放; (3) 涌水量大小与降雨量密切相关; (4) 预测的最大涌水量为215 × 104 m3 /d ; (5) 研究方法经工程实践证明较有成效，研究成果对类似工程地质条件下的隧道工程建设具有借鉴意义。关键词：普洛特尼科夫“储量分类”; 襄渝铁路; 新大巴山隧道; 涌水量预测
山区铁路越岭地段地质条件复杂的岩溶地区，隧道涌水量预测的影响因素较多，大体归纳为客观因素( 如地形地貌、气象、地层岩性、地质构造、水文地质条件等) 、人类活动因素( 方案设置、排水措施、计算参数选择等) 及时空因素( 隧道建成后，随着时空关系的延伸，原有的地质环境恶化、边界条件变异而大大改变着初始涌水量，两者相互促进、相互激化，涌水量有可能出现成倍，甚至等量级的变化) 等三种［1］。目前，隧道涌水量预测有简易水均衡法、地下水动力学法、水文地质比拟法、同位素氚(T) 法、评分法等计算方法［2］，但都不能完全兼顾考虑各影响因素，各有其局限性。特别是岩溶及岩溶水发育情况复杂的隧道，施工开挖揭示的出水形式多样，涌( 突) 水位置、水量、持续时间、频率等表现情况各不相同，理论计算往往和实际差异较大，涌水量需在施工期间进一步校核和计算，确保隧道排水系统和结构安全可靠。襄渝铁路增建第二线新大巴山隧道施工期间，为预测涌水量，本文采用了普洛特尼科夫“储量分类”法，其原理是在隧道施工阶段，通过分析地下水补给、储存、排泄的基本规律，划分地下水储量类型，研究地下水动储量与降雨的线性关系，预测最大涌水量，从而为隧道岩溶水害治理提供重要依据。
2 工程地质概况
襄渝铁路安康至重庆段增建第二线新大巴山隧道( YD2K 424 983 ～ YDK 435 641) 行政区域跨陕西、四川两省，全长10 658 m，最大埋深约800 m，隧道为单线，左侧30 m 设10 622.7 m 长的贯通平导，为襄渝铁路增建二线安康至重庆段第一特长隧道。隧道穿越嘉陵江与汉江两大水系分水岭大巴山山脉腹地，地貌为强烈切割的山岳地带，相对高差600 ～ 1 100 m; 地层除缺失石炭、泥盆系外，自震旦系至三迭系均有分布;地质构造位于扬子准地台北缘大巴山前缘拗陷带，岩体褶皱强烈、断裂发育，隧道穿主要褶皱构造16 处、断裂构造8 处［3］，各构造主要特征如表1、表2 所示。隧区主要不良地质为岩溶及岩溶水害，洞身穿可溶岩段总长约7 238 m，占隧道长度的67.9%。岩溶中等～强烈发育，地下岩溶水极发育，其中可溶岩与非可溶岩接触带、蓄水向斜、背斜构造附近、断层破碎带及影响带等高水位富水区存在涌( 突) 水( 泥) 等重大地质问题。
表1 新大巴山隧道褶皱特征一览表
3 普洛特尼科夫“储量分类”简介
20 世纪50 年代，中国水文地质工作者把地下水看作一种矿产资源，广泛地采用地下水储量这一概念来表示某一个地区地下水量的丰富程度，从( 前) 苏联引进普洛特尼科夫( Плотников) “储量分类”，将反映天然条件下地下水量状况即地下水的天然储量分为静储量、动储量和调节储量等三类。其中，静储量指储存于地下水潜水水位变动带( 年变动带或多年变动带)以下的含水层中重力水的体积，即该含水层全部疏干后所能获得的地下水的数量，它不随水文、气象因素的变化而变化，也称永久储量; 动储量指单位时间内通过垂直于流向的含水层断面的地下水体积; 调节储量指储存于潜水水位变动带中重力水的体积。
4 隧道地下水储量类型划分及意义
新大巴山隧道地下水主要为岩溶水，地下水天然储量的划分与岩溶的垂直分带性［4］相关。隧道进口地面高程702.92 m，洞身地面最高点高程1523.91 m，出口地面高程754.83 m，区内地下水垂直分带特征为: 标高1 200 m 以上为垂直渗流带，地下水以垂直运动为主; 标高1 200 ～ 800 m 为季节交替带，地下水运动随季节变化，水位升降剧烈时以垂直运动为主，水位变化不大时以水平运动为主; 标高800 m 以下为水平径流带，地下水以水平运动为主。标高800 m 以上地下水储量以动储量为主，随季节变动( 特别是连续降雨后) 变化幅度较大; 标高800 m 以下地下水储量相对较稳定，以静储量为主。岩溶的垂直分带性分析在隧道涌水量及突水病害预测方面具有重要意义，特别是隧道位于岩溶水平径流带时，易形成灾害性突涌水［6］，这从西南地区多处岩溶隧道施工中也均得到验证。新大巴山隧道进口路基面高程699.07 m，洞身排水分界点路基面高程758.34 m，出口路基面高程742.96 m，工程位于地下水水平径流带内，隧道岩溶水害治理遵循“以排为主，防、排、截相结合”的原则，隧道通过区的静储量和动储量均将释放，其中地下水静储量释放的风险存在于施工开挖过程中，排泄量逐渐趋于稳定甚至消失，与降雨关系密切的地下水动储量的排泄，对隧道防排水系统设计和施工及运营安全尤为重要。新大巴山隧道施工阶段，采用普洛特尼科夫“储量分类”法，考虑岩溶管道有疏通趋势，将降雨顺裂隙、管道下渗作为动储量排放的主要补给源，逐段( 点) 分析划分隧道涌水类型，研究涌水量与降雨关系，预测隧道分段涌水量及最大涌水量。
5 地下水储量分类预测隧道涌水量
5.1.1 地下水富水区段落划分
新大巴山隧道地下水富水区，按地层岩性和地质构造等主要储水控制因素分为八段: 大阴坡富水段( YDK424 983～YDK425 350) 、向阳坪蓄水构造(YDK425 650～YDK426 000) 、后寨沟-庙梁上向斜蓄水构造( YDK 426 580 ～ YDK 427 060) 、庙梁上向斜蓄水构造( YDK 427 300 ～ 900) 、鲁家坪－莲花池逆断层蓄水构造( YDK 428 150 ～ 400) 、唐湾－瓦厂断层蓄水构造( YDK 429 500 ～ YDK 430 600) 、荆竹坝－ 偏岩子富水地段( YDK 432 240 ～YDK 433 260) 、偏岩子富水地段( YDK 433 260～YDK 434 570) 。5.1.1 地下水富水区段落划分
隧道施工期间岩溶涌水的基本类型是: 初期涌水→衰减涌水→稳定涌水［4］，其特征如下:一是，静储量完全释放: 在无稳定补给源时，隧道开挖时遇大量涌水、突泥( 砂) ，水量达到峰值后逐渐衰减，最后仅有滴水、渗水，甚至无水。二是，静储量和动储量相对平衡释放: 在有稳定补给源时，经过一段时间，补给和释放达到平衡，涌水量保持较稳定状态。三是，动储量释放: 隧道岩溶水静储量释放后，部分岩溶管道疏通，降落漏斗有扩大趋势，在可溶岩与非可溶岩接触带、蓄水向斜核部、背斜两翼带、断层破碎带及影响带等地段，涌水量动态变化与降雨量关系明显，雨季特别是连续大雨后涌水量猛增。新大巴山隧道施工阶段，逐点( 段) 观测、核实涌水特征，连续降雨天观测记录时间间隔缩短至小时以下，详细建立观测台账，台账内容包括涌水点里程范围、涌水点位置( 拱顶、边墙、拱底、泄水孔、溶洞处、岩溶裂隙处等) 、开挖到出水点位置的时间( 年、月、日) 、初次涌水时间( 年、月、日) 、初次涌水量、历次较大涌水时间( 年、月、日) 及涌水量、泥砂含量等，同时收集当地气象局最新提供的日降雨量、百年一遇降雨量等数据( 根据万源市气象局推算，万源地区可能遇“百年一遇”日降雨量为362.5 mm) 。通过对地下水涌水量台账汇总分析，结合施工开挖时间、涌水历时时间、降雨情况，将刚开挖时突水并逐渐衰减的涌水类型归为地下水静储量释放，将降雨期间特别是暴雨时段涌水变化明显的出水量归为与降雨有关的动储量。根据施工涌水量台账记录，分析统计各段与降雨密切相关的实测涌水量，如表3 所示。
表3 施工中隧道涌水量实测统计表
5.3 最大涌水量预测
根据施工期间涌水、涌泥( 砂) 统计情况，隧道涌水量与降雨量线性相关，在逐点( 段) 划分出静储量、动储量类型后，预测隧道最大涌水量主要以施工实测各出水点( 段) 最大动储量排放量及对应日降雨量为基数，线性推算出百年一遇最大涌水量; 其他与降雨基本无关的稳定出水地段，最大涌水量预测采用实测值简单相加; 零星滴渗水地段，根据经验，可溶岩地段最大涌水量每延米采用2m3 /d，非可溶岩地段最大涌水量每延米采用1m3/d。根据上述原则，分段( 点) 计算，新大巴山隧道在百年一遇日降雨量情况下，最大涌水量预测如表4所示。表4 隧道预测最大涌水量表
6 结论
新大巴山隧道水文地质与工程地质条件复杂，涌突水、突泥( 砂) 等岩溶病害严重，施工期间将隧道考虑为一个集水廊道，对地下水动储量、静储量进行鉴别，结合地区气象条件，预测最大涌水量，对隧道岩溶水害治理、确保运营后铁路隧道工程安全较为有效。襄渝铁路运营期间，当地多次遇连续特大暴雨，该隧道防排水系统经受住了考验，能够确保地下水排泄顺畅。
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