粤北某特长隧道岩溶水文地质特征初探

可伟伟

（中国建筑材料工业地质勘查中心河南总队，河南 信阳 464000）

岩溶区隧道设计和施工前，必须对隧址区水文地质条件进行深入分析，查清岩溶特征和地下水分布及运移规律，分析岩溶水文地质条件对隧道施工的影响。本文以牛塘特长隧道水文地质勘察为例，进行岩溶水文地质条件分析，并提出相应工程建议。

1.1 地形地貌

隧址区属岩溶低山峰丛地貌，地形起伏大，地形陡峭，坡度30°～60°，局部近直立形成陡崖，相对高差最大约530m，隧道进、出口均位于半山坡。

1.2 地层岩性

（1）帽子峰组（D3m）：岩性为灰、紫红等色薄层状细砂岩、粉砂岩、砂质页岩及泥质页岩互层夹粗砂岩、泥灰岩。

（2）孟公坳组+石磴子组（C1ym+C1ds）：作并层处理，整体可分为上下两段，下段主要为灰、深灰、灰黑色中—厚层状，局部巨厚层状灰岩、白云质灰岩和白云岩。上段（C1ym+ C1ds2）主要为灰、深灰和灰黑色灰岩、炭质灰岩，中—厚层状为主，局部薄层状或巨厚层状，中部常夹薄层状灰黑色泥质灰岩[1]。

（3）测水组（C1dc），下部为灰白、灰色薄层状长石石英砂岩、泥岩，局部夹煤线，上部为含砾砂岩、砂岩、泥岩夹钙质或炭质泥岩及灰岩、泥灰岩等。

（4）第四系松散层（Q4），岩性主要为粉质粘土夹少量砂，主要为灰岩风化产物，其次为砂质粘土、砾石等。

1.3 构造特征

隧址区整体处于以测水组为核部，两翼为孟公坳组+石磴子组（C1ym+C1ds）、帽子峰组（D3m）等地层的天堂顶向斜西翼—核部位置，向斜轴为北北西向。隧址区总体呈单斜构造。

隧址区未见大型构造及深大断裂发育，仅发育有小型褶皱及小规模的次级断裂，但数量较多。

1.4 水文特征

隧址区所在区域为北江水系的滨江、连江七拱水以及绥江三条不同水系的分水岭位置。地表水体为伏流及狭窄沟谷内的溪流，多属季节性及地下河溪流，冲沟发育，汇水面积大，水位及流量受季节控制明显，旱季水量小，地表多断流，雨季水量变化大，具暴涨暴落的特点。

区内地下水以碳酸盐岩裂隙溶洞水为主，含水层为石炭系孟公坳组岩溶强发育灰岩，岩溶发育不均匀，形成多个碳酸盐岩溶水文地质单元，富水不均匀。地下水径流方向与地表水基本一致，主要以泉和地下河形式集中排泄，并与地表水交换频繁。地下水水质类型 为 HCO3- Ca · Mg 型 水 ，矿 化 度 为 200.00～296.00mg/L。

2.1 岩溶管道、天窗和落水洞

2.1.1 滨江水系岩溶管道系统

该系统以牛塘—到洛岩溶管道系统和蜻蜓坳—大崩岩溶管道系统为主，其次有湾仔岩溶管道系统和东清水岩溶管道系统。牛塘—到洛地下河系统为勘察区主要的地下河系统，主干管道长度超过3km，该地下河系统主要有下牛塘分支、深沸坪分支、羊水坑分支等。

该地下河系统管道复杂，分支多，落水洞星罗棋布，洼地众多，其主要两处出口高差超过百米，沿途还发育高大溶洞，存在多层管道系统。该地下河系统下牛塘分支与K线及F4线关系密切，对隧道施工和运营安全存在较大影响。羊水坑支线对F14 A线可能存在影响，隧道施工可能会导致地下河倒流入隧道中，也应引起重视。

2.1.2 绥江水系岩溶管道系统

该系统发育有下洞塘—根竹西岩溶管道系统、蕉洞—根竹水库岩溶管道系统、石桥崆岩溶管道系统、理洞岩溶管道系统，其中蕉洞—根竹水库岩溶管道系统对K线西段出口端影响较大。蕉洞地下河系统出口段为大规模坍塌堆积形成，因隧道设计底板标高低于水库标高，地下河管道易成为沟通隧道与根竹水库的通道。因雨后水库蓄水较多，对隧道施工和运营安全构成较大威胁，应加以重视。

2.2 岩溶发育规律

隧址区处于分水岭地区，降雨极易形成地表片流及地下径流，长年累月侵蚀，逐渐发育成石芽、石柱、漏斗、落水洞等垂直岩溶形态，且表层岩溶与深部岩溶连通；
在地形相对平缓的斜坡区，溶蚀方式以水平化学溶蚀为主，岩溶首先由溶孔发育成溶洞，最终合并形成大型溶洞及地下河管道[2]。

受构造的影响，区内岩溶地下河发育多具有穿层性的特点，地下水流向多为往东及往西两个方向，而地层走向为北北西向，穿层的特点明显。此外，岩溶发育还具有多期性，岩溶管道具有多层性，其中以下洞塘地下河系统出口发育的3层高度不一的溶洞最具代表性。

地下暗河基本上以南北走向和东西走向延伸，并与冲沟谷地走向和构造带走向一致，天窗和落水洞则基本上沿地下暗河分布，多呈串珠状。

隧道区除基岩上部见溶槽外，下部未见溶洞和岩溶裂隙发育段。

2.3 控制岩溶发育因素

2.3.1 地质构造

隧址区处于天堂顶向斜西翼－核部位置，受区域构造影响，发育多条北东向小型断裂，区内地形地貌及岩溶发育多沿构造方向形成串珠状发育，如蕉洞地下河系统沿F12断裂带发育，到洛地下河系统羊水坑支线沿F7及F8断层发育。由此可见构造对区内岩溶发育具有控制性作用。

2.3.2 碳酸盐岩

构造应力作用下，碳酸盐岩发生褶皱断裂及裂隙，在当地降雨和暖湿气候作用下，碳酸盐岩内水交替循环加剧，碳酸盐岩溶解加速，极大地促进了岩溶发育。且褶皱轴部构造裂隙发育程度高，透水性强，张性结构面导水性好，岩溶极为发育[3]。

由于隧址区所在区域为三江分水岭处，大气降水及地表径流极为充沛，岩溶发育受其影响，主要以垂直发育为主，形成漏斗、落水洞和天窗等。

3.1 隧道涌水量预测及影响分析

3.1.1 隧道涌水量预测

根据隧址区水文、工程地质特征、地形地貌特征等，采用大气降雨入渗法和地下水动力学法相结合的方法对隧道进行涌水量对比预测。

（1）大气降雨入渗法。计算公式：

式中：Q——日平均降雨入渗补给量，m3/d；

F——降雨入渗的面积，m2；

α——年平均降雨入渗系数；

X——年降雨量，m。

林业作为我国的重要资源，在我国的经济建设和发展中发挥着重要作用。林区的造林改造正在继续进行。然而，在长期的改革过程中，除了上述造林成本不足和造林方法的不足之外，不可避免地会遇到一些困难。除了林区经营管理不善外，树种结构比例失衡、地方资源利用不合理、分类不清等问题也不容忽视。此外，近年来我国沙尘暴、干旱、暴雨、水土流失等气候灾害的频繁发生，对更新造林工作产生了很大影响，这就要求我们从提高更新造林的成本、改善更新造林入手。加强林区管理，分类经营，加强育苗、育苗、灌浆。为了促进林业的可持续发展，应充分利用当地环境和资源的优势，合理利用资源，丰富知识，创新技术，转变观念。

计算结果见表1。

表1 大气降雨入渗系数法涌水量估算表

（2）地下水动力学法。地下水动力学法采用裘布依公式法和古德曼经验式。

①采用裘布依公式法。计算公式：

式中：Q——涌水量，m3/d；

B——隧道穿过含水层中的长度，m；

K——含水岩层的渗透系数，m/d，取平均值；

H——含水层底板(隧道底板)至静止水位高度，m，取平均值；

h——水位下降曲线在隧道边墙上的高度；

R——影响半径，m，取平均值；

②古德曼经验式。计算公式：

式中：Q——隧道最大涌水量，m3/d；

L——隧道穿过含水层中的长度，m；

K——含水岩层的渗透系数，m/d，取平均值；

H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m，取平均值；

d——洞身横断面等价圆直径，m。

计算结果见表2。

表2 地下水动力学法涌水量估算表

三种方法预测的涌水量基本一致，但存在些许差异，原因在于：大气降水以地表入渗为主进行计算，地表入渗系数较岩石渗透系数大，且降雨入渗计算结果为资源量，较地下水动力学法偏大。

3.1.2 隧道涌水影响分析

隧址区可能集中涌、突水灾害主要位置为碳酸盐岩段与辉长岩接触带、构造破碎带、物探推测岩溶裂隙发育带、隧道上部暗河经过地段及灰岩自身未探测地段，所有涌突水均为岩溶裂隙或溶洞承压水为主[4]。

岩溶水若处理不当，将给隧道工程带来危害，由于岩溶水具有与一般水流不同的特点，岩溶发育不均一性，很难准确掌握其水量及变化规律。因此，在对岩溶水量的预测上宁大勿小，在排水建筑物的设计上，宜宁宽勿窄；
在工程处理上，因地制宜，采用封堵为主，堵塞、疏导、排泄相结合等综合工程措施，形成完整的防排水系统[5]。

3.2 岩溶对隧道的影响

隧道所在区域水文地质条件整体较为复杂，含水层主要为灰岩层，浅部岩溶发育强烈且十分不均，富水性中等—丰富，透水性普遍较好，深部（隧道及基围岩）岩溶不发育，岩石较坚硬完整，所见裂隙多被方解石充填。

隧道入口端地下水整体向东及北东径流，与北侧的到洛地下河系统可能存在导水通道，隧道施工过程中应重视其影响，避免突水事故。线路中部牛塘一带，岩溶发育强烈且不均，多地下河管道，该地下河系统所在岩溶含水层富水性好，补给面积大，含水量丰富，且设计隧道多处穿越其分支管道，施工过程中若造成隧道与管道的沟通，易形成大规模的突水，应引起重视。隧道出口端，地表岩溶发育强烈，见大量的溶穴和溶槽等，对隧道施工影响较大。

隧道开挖排泄地下水能够引起岩溶地面塌陷，其原因在于：隧道开挖排泄地下水，改变水动力条件，降落漏斗范围内水力坡度突然增大，流速加快，对岩土体的浮托力降低，地下水流对原有洞穴、溶隙、裂隙中充填的土、碎石及破碎带中岩屑等的潜蚀、冲蚀以及液化作用加剧，宜造成隧道突水、突泥、涌砂等危害[6]。

隧道址松散覆盖层厚度0.50～2.05m，且不连续分布，多岩石裸露；
地下水位埋深大，一般7.00～56.00 m，均在松散覆盖层埋藏深度之下；
地下水主要是浅层岩溶蚀槽，以管道流为主，隧道及其围岩，溶洞和岩溶裂隙不发育，透水性等级为微透水。

因此，隧道开挖排泄地下水不易引起岩溶地面塌陷。

（1）隧址区位于灰岩区，石灰岩溶洞发育，且具有复杂性、不均一性、隐蔽性和突发性的特点，同时其受断裂构造及岩溶发育等因素的影响，可能会产生突水、突泥、掉块等施工安全问题。因此，应加强超前探水、对敏感点的变形监测、对隧址区水点的水位水量进行监测等方面工作，做好预警工作，信息化施工，并做好应急措施，确保施工安全。

（2）由于地下岩溶等特殊地质条件，隧址区水文地质存在着部分的不可预测性，建议在施工图阶段多种手段开展预报性勘察及技术设计，进行隧道动态设计和施工，同时，还应切实做好且有针对性地防止突发事件的方案预设计。