高速公路隧道施工對地下水環境的影響分析

李 陽，游哲遠

（1.重慶高速巫云開建設有限公司，重慶 401147；2.招商局生態環?？萍加邢薰?，重慶 400060）

隨著社會經濟的快速發展及高速公路路網的不斷完善，我國隧道工程建設得到了前所未有的迅速發展。我國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家[1]。隧道是高速公路的重要組成部分，其施工建設顯著縮短了高速公路里程，提高了高速公路運行效率，但是，隧道工程的建設會產生一系列地下水環境問題，主要表現為兩種現象：一是隧道內涌水，這將惡化圍巖穩定狀態，導致施工困難，增大工程造價，嚴重時或將產生施工事故，造成人員傷亡；二是地表枯水，造成飲水困難。隧道施工期較長，會產生連續排放的施工廢水，如不進行嚴格管理和控制，可能會對隧道內地下水產生一定影響。

1 隧道建設誘發的地質災害實例

在隧道的建設過程中，可能會出現一系列的地質災害，這給隧道的施工安全以及建成后的運營帶來了很大影響，其中由地下水環境帶來的涌水影響非常大。此外，還有可能引發其他一系列地質災害，如突泥、地面沉降、塌陷等[2]。

2003年11月，西班牙南部一條高速鐵路隧道在施工過程中發生涌水，水量為800L/s，引發公眾抗議[3-4]。2010年9月，甘肅烏鞘嶺隧道開挖到Ⅵ級圍巖施工的地段時發生涌水事故，涌水量達8000m3/d，掌子面在166d里每天掘進平均長度不到1.2m，工期嚴重延誤[5]。2013年11月，貴州三黎高速公路盤嶺隧道施工時多個工點發生未膠結富水壓性斷層破碎帶的涌水、突泥事故，涌水量達20000m3/d，突泥量達6000m3[6]。2016年11月，廣西省河池市河百高速3標段平坎隧道發生透水事故，突泥量達10000m3，工期受到拖延，并造成5人死亡[7]?？梢?，在施工前，對發生涌水可能性較大的隧道進行施工期水文地質研究，加強超前地下水預測，提前制訂好排水方案及環境保護措施，對有效防止隧道建設施工期地下水環境影響帶來的地址災害尤為重要。

2 建設項目概況

擬建隧道穿越橫斷山脈“西山梁子”，隧道全長11615m，最大埋深約1150m，屬特長隧道。該隧址處為橫斷山脈，山高橫坡陡峻，因地形狹窄，短距離內難以展線完成升坡與降坡。為改善線性、縮短里程，減少挖方及防護工程，節省廢棄土石方處治工程，提高運營效益，建設該隧道。隧道進口處于平曲線半徑為2600m，縱坡在-1.98%與0.4%的線形內。

3 隧址區地下水環境現狀

3.1 地形地貌

隧址區屬構造侵蝕溶蝕中切割中山陡坡地形地貌，地形連綿起伏，溝壑縱橫，最高處海拔約為2930m，相對怒江高差約1875m，相對切割深度大于1000m，山體起伏很大，地形切割強烈；山體陡峻，山坡和谷坡坡度較大，一般在40°以上，溝谷多呈“V”形，縱向坡度大，階梯狀支溝發育。隧道進口段位于西山東側，發育地表水系為木瓜樹河水系及支流；出口段位于西山西側，發育地表水系為勐勒河水系及支流。

3.2 地層巖性及地質構造

隧址區出露地層主要為奧陶系上統（O3）、奧陶系中統（O2）、寒武系上統保山組中段（∈3b2）。隧道由進口至出口穿4條斷層，依次為在K1+657處穿越票柴壩斷裂F93、在K6+922處穿越巖箐斷裂F94、在K10+983處穿越紅木嶺干張扭性斷裂F90、在K12+020處穿越大風口壓扭性斷裂F58，全線穿越核桃坪復背斜。隧址區水文地質剖面見圖1。

圖1 隧址區水文地質剖面

3.3 水文地質特征

隧道通過區以碳酸鹽巖和砂泥頁巖互層組合為特征，地下水主要發育層狀巖類風化裂隙潛水和層間承壓水，溶洞水不甚發育。

受分水嶺及背斜構造影響，淺層地下水接受大氣降水補給，受微地貌控制，向附近溪溝排泄。這類地下水埋深一般變化較大，地下水埋深一般為30～50m，在山脊部位可能更大。層間承壓水接受大氣降水和淺層風化裂隙水補給，徑流受巖性和構造控制，在地下水運動受阻或含水層受到切割時，通常以泉的形式排泄。在隧址區這類地下水發育具有一定深度，但總體隨深度增加地層的含水性逐漸減弱。

3.4 隧道穿越地層巖性特征

K1+085～K1+657為奧陶系上統（O3）砂巖、粉砂巖、頁巖夾泥灰巖；K1+657～K6+922為奧陶系中統（O2），巖性為灰巖、泥灰巖、砂巖、頁巖；K6+922～K10+983為寒武系上統保山組中段（∈3b2），巖性為頁巖、粉砂巖夾泥灰巖、石灰巖；K10+983～K11+659為奧陶系中下統（O2），巖性為灰巖、泥灰巖、砂巖、頁巖；K11+659～K12+700為奧陶系上統（O3）砂巖、粉砂巖、頁巖夾泥灰巖。

4 隧道施工對地下水環境的影響分析

4.1 解析法計算隧道影響半徑

采用解析法計算隧道影響半徑，公式如下：

式中：R為影響半徑，m；H為潛水含水層厚度，m；K為含水層滲透系數，m/d；W為降水補給強度，m/d；μ為重力給水度，無量綱；t為排水時間，d。

此次計算所需的滲透系數K采用區域水文地質報告中的相關資料，并結合隧道附近已有資料及巖石試驗來確定；降雨補給強度W依據隧道穿越區，選取隧址區平均降雨量；含水層厚度H從各隧洞縱剖面量取平均值；排水時間t預計隧道開工到施工完成約5年（1825d）。參數取值及計算影響結果見表1。

表1 解析法計算影響半徑結果

由表1可知，隧道穿越含水層厚度較大的頁巖、粉砂巖夾泥灰巖、石灰巖地層，預測影響范圍較大，影響半徑R為1155m；穿越粉砂巖、頁巖夾砂巖及灰巖、泥灰巖地層，預測影響范圍中等，影響半徑R為581～716m。

4.2 隧道涌水狀況分析與計算

隧道涌水量除受巖溶發育和水文地質條件控制外，還具有季節性變化大的特點，因此預測隧道涌水量時，要分別計算正常涌水量與雨季最大涌水量值。涌水量預測正確性主要取決于對隧道充水條件的正確分析及計算參數和計算方法的合理選用。根據所取得的資料及對隧道區巖溶水文地質條件的了解，擬選取地下水徑流模數法對隧道涌水量進行分段評價。隧道處于分水嶺交界處，隧道涌水的主要來源為影響半徑內的地下水，在此處假設影響范圍內地下水互相流通，方便計算與分析，計算影響半徑為最大影響半徑，即1155m范圍內。

（1）大氣降水入滲法涌水計算與分析。采用大氣降水入滲法計算如下：

式中：Q2為地下水涌水量，m3/年；W為年降水量，m；α為降水入滲系數，無量綱；F為影響區域面積，m2。大氣降水入滲法計算隧道地下水涌水量見表2。

表2 大氣降水入滲法計算隧道地下水涌水量

由此計算的涌水量Q是年平均量，實際區域降水存在時間與空間的分布不均，降水主要集中在5—10月，如果選擇雨季施工涌水量會更大。

（2）地下水徑流模數法涌水計算與分析。地下水徑流模數法預測涌水量，計算公式為：

式中：Qs為預測隧道正常涌水量，m3/d；86.4為換算系數；M為地下徑流模數，L/（s·km2）；A為隧道通過含水體地段的集水面積，km2。

根據徑流模數法計算，該隧道正常涌水量為11630m3/d，最大涌水量為1.5×11630=17445m3/d。地下水徑流模數法計算隧道地下水涌水量見表3。

（3）計算結果的印證、對比。降水入滲法計算的隧道正常涌水量為12422m3/d，徑流模數法計算的隧道正常涌水量為11630m3/d，兩者相差792m3/d，占降水入滲法計算的隧道正常涌水量的6.38%，占徑流模量法計算的隧道正常涌水量的6.81%。通過兩種方法計算得到的隧道正常涌水量計算結果相差不大，可以互相印證。

表3 地下水徑流模數法計算隧道地下水涌水量

根據以上估算結果和分析，推薦采用降水入滲法計算的隧道正常涌水量即12422m3/d（453.41萬m3/年）作為隧道涌水量。

5 施工期地下水環境保護措施與建議

（1）隧道穿越多條大斷層，對于斷層、節理裂隙發育等地下水發育地段，根據隧道涌水量，建議采用封水隧道。并且應該結合隧址區生態環境的承受能力和施工經濟條件兩方面因素控制隧道的涌水量，保持地下水環境的相對平衡。

（2）穿越復雜巖層的隧道施工應制訂完善的施工方案，對圍巖應進行超前預注漿處理，加固圍巖，形成止水帷幕，注漿效果達到預定要求后方可繼續開挖。加強對軟弱圍巖和斷層破碎帶的支護，嚴密監測隧道涌水量與位移量。如遇涌水突增和位移突變情況應立即撤出人員及設備減少損失。

（3）對于出現涌水狀況的部位，應加強對地下水涌水量的觀測和水質分析，對涌水位置、涌水形態、涌水量大小、涌水量動態變化、含泥沙情況、水的侵蝕性等進行詳細監控，及時評價涌水對地下水環境的影響。

（4）因為隧址所在區域為巖溶地區，地質構造背景復雜、地質研究程度較低、斷裂較發育，所以可能還存在尚未發現的斷裂、地下巖溶通道等影響地下水發育的其他因素，因此應在施工階段進一步加強隧址區水文地質勘察工作，以保障施工安全。

6 結束語

在現有地質和水文地質研究基礎上，對擬施工隧道進行影響范圍、涌水量的預測和評價，這對保護隧道建設的地下水環境具有一定的指導意義。但因隧道選址所處區域水文地質條件復雜，故應在施工時加強水文地質勘查工作，在保證施工安全的同時更全面地了解隧道建設對地下水環境的影響。