重慶中梁山隧道群涌突水時空特征分析

李 近,曹 聰,許 模,范 澤 英,夏 強

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學),四川 成都 610059; 2.重慶市地質礦產勘查開發局南江水文地質工程地質隊,重慶 401147; 3.重慶市地下水資源利用與環境保護實驗室,重慶 401147)

0 引 言

在重慶都市經濟圈的5 473 km2范圍內,已建隧道50余條,據不完全統計,未來10 a內將達到上百條。重慶獨特的隔檔式構造條件,造成隧道工程施工過程中常常發生涌突水、地表水體流失、巖溶塌陷等地質災害。渝懷線鐵路歌樂山隧道在施工中遇到巖溶水災害,初期采取以排為主的治理措施,造成地表10座水庫和100多個水塘水位降低,附近6萬多居民和200多家企業單位的生產、生活用水受到不同程度的影響[1]。中梁山長江與嘉陵江之間隧道工程密集,50 km長的山體分布了近20條隧道,水文地質問題較為突出,研究程度也較高。鑒于襄渝鐵路中梁山隧道在其修建過程中出現泉水漏失、巖溶塌陷等諸多問題,付開隆通過分析區域水文地質條件,采用比擬法等多種方法對遂渝高速中梁山隧道進行了涌水量預測[2]。渝武高速北碚隧道修建過程中,大量的巖溶溶隙水與裂隙水涌入隧道,導致7.2 km2的水源枯竭[3]。龍奎采用一種非穩定涌水量的解析解公式,分段計算歇馬隧道開挖過程的涌水量[4]。Chen等以華巖隧道為例建立數值模型,指出地層巖性與水文地質特征是隧道涌水影響環境的決定條件,并將水位漏斗變化分為先垂向至最大深度、后水平向達最遠距離及最終水位全面恢復3個階段[5]。

然而,現有研究多針對單個隧道工程,以區域為研究對象的系統總結尚不多見。范明東等通過分析多條隧道涌水量實測數據,認為隧道涌水影響因素主要為隧道所穿可溶巖長度、隧道竣工年限及地層傾角[6]。鐘玲敏等分析了中梁山南段多條隧道涌水情況及涌水對水文地質條件的影響,以此驗證深部巖溶的發育特征[7]。本文將系統梳理重慶中梁山嘉陵江-長江兩江間隧道涌突水的時間與空間特征,為隔檔式構造區相似水文地質條件下的隧道工程建設提供涌突水預測、水災害防治等方面的理論依據。

1 水文地質條件與隧道工程

研究區為南北長約50 km、東西平均寬約6 km的狹長區域。區內氣候屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,多年平均氣溫18 ℃,多年平均降雨量1 000～1 300 mm,多年平均日照時長1 100～1 400 h,多年平均相對濕度70%～80%。

區內主要控制性構造為觀音峽緊窄背斜,背斜軸線大體沿南北向延伸。南北兩段核部地層為三疊系飛仙關組(T1f)泥巖夾灰巖地層,下部長興組(P2c)灰巖與其整合接觸,中段核部地層為嘉陵江組(T1j)灰巖地層;兩翼地層分別為嘉陵江組(T1j)和雷口坡組(T2l)灰巖地層、須家河組(T3xj)砂巖地層、自流井組(J1-2z)頁巖泥巖地層以及沙溪廟組(J2s)泥巖砂巖地層。整體西翼地層較陡傾,局部地層有倒轉現象;東翼相對較緩。區內斷層主要為西翼的白廟子斷層,屬壓扭性斷層,主要發育于T1j地層,走向與背斜軸線基本一致(見圖1[8])。

區內巖溶發育,主要巖溶地層為T2l、T1j、T1f3和T1f1,整體分為東西兩個巖溶槽谷,槽谷內巖溶洼地、溶洞、落水洞、地下暗河等為主要巖溶現象。溶洞、落水洞沿可溶巖地層呈帶狀分布,總體上表現為南北段分布密集,中段相對較少,且東槽谷巖溶發育程度高于西槽谷。巖溶洼地主要發育于東槽谷,總面積約為5.5 km2,約占T2l與T1j地層總面積的16%。地下暗河的發育也與背斜軸線的走向基本一致。

中梁山觀音峽背斜因其獨特地質條件形成了“一山三嶺夾兩槽”特殊景觀,本質上是可溶巖與非可溶巖因空間位置的不同而產生相互作用的結果。T1f地層的T1f2與T1f4為非可溶巖,作為相對隔水層阻礙了T1f1與T1f3中的巖溶水向兩側流動,同時出露于地表的灰巖被風化侵蝕,巖溶較不發育的地層逐漸成為山嶺;處于兩翼的T2l和T1j地層被兩側的T3xj和T1f4所阻隔,形成東西兩個巖溶槽谷,地下水在此匯集并沿地層南北向流動。區內地下水主要補給來源為大氣降雨補給,地下水排泄主要以巖溶泉點及地下暗河等形式為主,受工程建設影響,區內諸多巖溶泉點被疏干(見圖1)。

自1968年襄渝鐵路北碚隧道修建至今,中梁山已建隧道17條,包括公路隧道、鐵路隧道和城市地下軌道隧道等,隧道建設歷程及最大涌水情況如圖2所示[2,6,8-28],隧道長度多為3 500～4 500 m,最長為5 155 m 的蘭渝鐵路新龍鳳隧道,最短為僅727 m的歌樂山公路隧道,進出口平均高程處于245～350 m之間。自2000年以后,該區隧道建設密集開展。

注:縱軸隧道編號自上而下對應從北向南的空間位置。圖2 中梁山兩江段隧道建設歷程Fig.2 Construction process of tunnels in segment of Zhongliang Mountain between Yangtze River and Jialing River

2 涌突水時間特征及與降雨相關性分析

巖溶區地下水與大氣降雨之間的水力聯系較為密切。本文中梁山兩江之間的巖溶含水層為相對獨立的水文地質單元,大氣降雨為淺層地下水的最主要補給,對隧道涌突水產生了直接影響。1980年7月30～31日,中梁山最大降雨量達148 mm,隨后襄渝鐵路中梁山隧道發生了5萬m3/d的特大涌突水事件[2];2007年7月16日,施家梁隧道在多日暴雨后,涌水量達20萬m3/d[10]。研究區部分隧道的涌水量與降雨量時序如圖3所示,襄渝鐵路隧道、遂渝高速隧道以及軌道6號線隧道涌水與降雨聯系密切,涌水曲線隨降雨變化而變化的趨勢明顯,后文將進一步從施工期總涌水量與月均涌水量兩個方面論述其與降雨的相關性。

注:(a)～(d)中的涌水量監測數據為月監測值,其余涌水量均為逐日監測;所有降雨量均為逐日數據,來源于中國氣象數據網沙坪壩站點(站號57516)。圖3 隧道涌水量與降雨量時序圖Fig.3 Time series diagram of tunnel water inflow and rainfall

圖3所涉及隧道的涌水量統計特征盒須圖如圖4所示,其中涌水量數據為各隧道東口與西口、南線與北線之和。按涌水量大小分(a)、(b)兩組,其中(a)組中隧道涌水量值整體較小,可見涌水量均值最小為渝懷歌樂山隧道,為2 448 m3/d;而(b)組中雙碑隧道均值最大,為14 796 m3/d。隧道涌水量整體均值為6 446 m3/d,其中歇馬隧道和襄渝鐵路隧道(成渝開挖期)涌水量的均值與中位數相差較大,前者反映出數據呈左偏態分布,其涌水量大值較多,后者則是右偏態分布,小值占優;其他隧道整體均值與中位數相差較小,呈近似對稱分布。此外,明顯可見襄渝鐵路隧道(成渝開挖期)異常值偏多,反映出其在一段時間內存在較大涌水段。

注:②-⑧指在⑧隧道修建期對②隧道進行監測,以此類推。圖4 隧道涌水量盒須圖Fig.4 Box and whisker diagram of tunnel water inflow

圖5為各隧道施工期的平均涌水量與總降雨量的線性擬合,排除雙碑隧道后的擬合結果較好,相關系數R2接近0.7,表現出較明顯的線性趨勢,即降雨量越大,涌水量越大,反映出宏觀上隧道涌水受降雨影響顯著的特點。雙碑隧道未參與擬合,其涌水量最大但施工期總降雨量不大,主要因為該隧道涌水受構造作用影響較大,后文將對此做進一步分析。

圖5 隧道開挖期平均涌水量與總降雨量散點圖Fig.5 Scatter plot of average water inflow and total rainfall during tunnel excavation

2.1 隧道月均涌水量與降雨相關性

較大時間尺度下的數據分析能夠減小特殊值的影響,更好地反映數據整體變化情況。以隧道月均涌水量與月總降雨量繪制時序圖(見圖6),明顯可見圖6(b),(c),(e)隧道涌水與降雨之間相關性較好,圖6(e)還表現出較明顯的滯后性特征。此外,隨著隧道工程的推進,部分隧道涌水量最終趨于相對穩定的狀態,隧道涌水受降雨影響較小,如圖6(b),(c),(f)～(i)所示。

圖6 隧道月均涌水量與月總降雨量時序圖Fig.6 Time series diagram of monthly average water inflow and monthly total rainfall in the tunnel

以隧道月均涌水量與月總降雨量繪制散點圖并進行線性擬合(見圖7),擬合結果總體上較好地反映了隧道涌水隨降雨量增大而增大的特征。線性擬合的斜率能夠體現隧道涌水對降雨的響應速率。按時間順序來看,早期(2004～2007年)修建的遂渝高速隧道、襄渝鐵路隧道斜率最大,對降雨響應較快,后期(2012～2017年)修建的軌道6號線隧道、歇馬隧道等斜率偏小,對降雨的響應較慢。此外,針對同一條隧道,襄渝鐵路隧道與遂渝高速隧道在早期(2004～2007年)的擬合曲線斜率也大于后期(2012～2014年)。分析此原因可能與地下水位下降有關,即早期水位較高時,含水層飽水,隧道涌突水對降雨的響應較為迅速;而隨著隧道持續疏排山體中地下水,地下水位整體下降,故后期的隧道涌水對降雨的響應速度變緩。

圖7 中梁山部分隧道月均涌水量與月總降雨量散點圖Fig.7 Scatter diagram of monthly average water inflow and monthly total rainfall in some tunnels in Zhongliangshan

2.2 涌水對降雨的敏感性分類

依據隧道涌水的涌水量(Q)與時間(T)的關系曲線及降雨量時序曲線特征,并結合涌水來源以及滲流通道的連通性,可對隧道涌水類型進行劃分[29]。依據圖6各隧道Q-T曲線特征,對其涌水類型進行分類。

(1) 降雨補給型。隧道涌水來源以降雨為主,其滲流通道連通性較差,隧道涌水對降雨表現為明顯的滯后性,曲線整體隨降雨表現為緩漲、緩降的趨勢。將軌道6號線隧道劃分為此類型(圖6(e))。

(2) 地下水補給型。隧道涌水來源以含水層為主,隧道開挖揭露含水層,涌水曲線變化較大,當含水層能夠持續補給時,涌水量趨于穩定狀態,曲線整體形態與降雨相關性差。將渝懷歌樂山隧道(圖6(a))、成渝客運專線隧道(圖6(f))、襄渝鐵路中梁山隧道(成渝開挖期,圖6(g))、遂渝高速中梁山隧道(成渝開挖期,圖6(h))、歇馬隧道(圖6(i))劃分為此類型。

(3) 混合補給型。隧道涌水來源為含水層及大氣降雨,涌水曲線特征受二者共同控制,含水層水量較小時,涌水隨降雨發生變化,并表現出一定的滯后性;含水層水量較大時,受降雨影響變小,當含水層補給充足時,隧道涌水趨于穩定狀態,補給缺乏時,涌水則逐漸下降。將襄渝鐵路中梁山隧道(遂渝開挖期,圖6(b))、遂渝高速中梁山隧道(圖6(c))、雙碑隧道(圖6(d))劃分為此類型。

3 涌突水空間特征

區域水文地質條件是隧道涌突水發生的前提,涌突水隨地層巖性、地質構造等條件的空間差異而表現出不同的特征。吳明亮等依據隔檔式構造區巖溶地下水的水平分帶及垂直分帶特征將隧道涌突水劃分為8種類型[30]。本文主要對地層巖性、地質構造、隧道埋深等進行分析,總結中梁山各隧道涌突水的空間特征。

3.1 地層巖性及巖溶發育

整理現有隧道涌突水的長期觀測資料,統計了不同隧道在各個地層中的單位長度涌水量及各地層單位長度涌水量所占比重(見圖8)。

圖8 中梁山地層單位長度涌水量Fig.8 Water inflow per unit length of Zhongliang Mountain strata

3.1.1可溶巖與非可溶巖

圖8(a)中的歇馬隧道與雙碑隧道及圖8(b)均反映出隧道涌水在可溶巖中與在非可溶巖地層中的差異,可溶巖地層單位長度涌水量占比可達到91%,遠大于非可溶巖地層。在可溶巖與非可溶巖接觸界限附近,巖溶發育程度高,地層富水性較好,極易引發涌突水事件。歇馬隧道在開挖至T3xj與T2l界限處時,隧道涌水產生突增現象;施家梁隧道則因界限附近巖溶發育,淺表發育的落水洞連通巖溶管道,與地表水力聯系密切,因而在降雨后發生涌突水事件。

3.1.2東翼與西翼

研究區南北兩端隧道西翼地層單位長度涌水量大于東翼,見圖8(a),以歇馬隧道最為明顯,其西翼T2l+T1j地層單位長度涌水量為12.2 m3/(d·m),東翼T2l+T1j地層僅4.9 m3/(d·m);靠近中部的渝懷歌樂山隧道和雙碑隧道則有差別,其T1f地層為東翼大于西翼,T2l+T1j地層則是西翼大于東翼,其中雙碑隧道西翼與東翼T2l+T1j地層的單位長度涌水量差值可達32.4 m3/(d·m)。從東西翼單位長度涌水量占比來看,西翼總體占比為67.72%(見圖8(b)),也大于東翼。整體而言,各個隧道西翼的涌水量大于東翼。

3.2 地質構造

3.2.1地層產狀

觀音峽背斜西翼地層傾角65°～80°,部分區域近似直立狀,東翼地層傾角40°～60°,總體上西翼較東翼更加陡傾(見圖1中各剖面圖),范明東等依據隧道竣工后實測涌水量值與地層傾角做線性擬合,結果表明二者呈正相關性,且擬合度較高。前述西翼地層單位長度涌水量總體大于東翼的特征,主要與地層產狀直接相關,即直立地層更利于地下水的順層下滲,由此進一步推測:與東翼巖溶地層相比,西翼巖溶地層深部的巖溶現象更為發育。

3.2.2背斜縱向構造特征

前人對中梁山觀音峽背斜地質構造的認識,通常只關注橫向(東西向)所表現的背斜形態,而忽略了沿背斜軸線的縱向構造特征及其影響。自南北向來看(見圖9),褶皺特征也較為明顯,中梁鎮、金剛村一帶為向斜核部,T2l+T1j地層在此出露但厚度不大;由此往南北方向,地勢漸高,而較老的T1f地層廣泛出露,天池村、永寧寺村分別為南北背斜的核部?；诖藰嬙焯卣?推測天池村-新店村、永寧寺村-龍車村一帶應分別為南北的地下水分水嶺,此范圍內的地下水有向中部金剛村一帶匯集的構造優勢。雙碑隧道的涌水量為研究區最大,且受降雨影響較小,即反映了此構造特征。

圖9 中梁山沿觀音峽背斜軸線縱向剖面Fig.9 Longitudinal section of Zhongliang Mountain along the Guanyinxia anticline axis

在成渝客運專線隧道施工期間,襄渝鐵路隧道的平均涌水量為9 834 m3/d,大于其北側的遂渝大學城隧道及成渝客運專線隧道,反映出新店村至金剛村地下水自南向北流動的特點。這一特點還可據同一隧道的南線與北線的涌水量差異來佐證(見圖10)。成渝客運專線隧道無論東段或西段,以及鄰近的遂渝大學城隧道,均是南線涌水量大于北線,這表明了地下水在地層向北傾斜的構造作用下向北流動的特點。此外,中梁山北端龍車村附近的歇馬隧道平均涌水量為4 559 m3/d,大于北側軌道6號線隧道的2 705 m3/d,可初步判斷地下水流的方向為自南向北,與此處地層向北傾斜的構造特征一致。

圖10 成渝客運專線隧道與遂渝高速隧道涌水量盒須圖Fig.10 Box diagram of water inflow in the Cheng-Yu Passenger Dedicated Line Tunnel and Sui-Yu Expressway Tunnel

3.2.3斷 層

西翼白廟子斷層的發育也是重要影響因素,白廟子斷層屬壓扭性斷層,其性質可作為相對隔水層,雖不如拉張性斷層那樣使斷層周圍導水性增大,但因其隔水作用,易使可溶巖地層一側儲水量變大,當突然揭穿斷層時,易發生涌突水事件。以軌道1號線隧道為例,隧道出口段施工至斷層附近時,隧道多處出現股狀涌水現象,其原因為施工揭穿斷層破碎帶,使本身導水性較差的破碎帶導水性增大,形成導水通道并連通含水層引發涌突水[1]。

3.3 隧道埋深

埋深是隧道涌水量預測評價中的重要參數,隧道埋深通常反映了隧道上覆含水層的水位高度。對巖溶區隧道而言,埋深往往還反映了巖溶發育程度以及巖體滲透性的大小,因此不同埋深的隧道涌突水表現出較大的差異[31-32]。Holm?y等針對挪威多條隧道的研究表明,隧道涌水量隨上覆巖層厚度增大而增大[33]。

圖11為隧道在嘉陵江組地層的平均埋深與最大涌水量及單位長度涌水量的關系曲線,隧道平均埋深為242 m,其中軌道6號線隧道平均埋深最大,為339 m,華福隧道最小,僅126 m?？梢园l現:位于中梁山南段的隧道,如隧道⑦、、⑧、②,其最大涌水量與隧道平均埋深呈正相關關系;處于北段的隧道則呈現負相關的關系,如隧道、⑤、、⑨;對于單位長度涌水量而言,因數據量有限,僅對有長期觀測數據的5條隧道進行分析,其結果也表明埋深對涌水量存在正負兩種影響。因此,對中梁山區域隧道建設而言,在一定范圍內存在一個埋深使得隧道涌水量達到最大。

圖11 隧道埋深與涌突水的關系Fig.11 Relationship between tunnel burial depth and water inrush

4 隧道涌水對環境影響評價

隧道排水易引發地下水疏干、地表水疏干、地面塌陷等諸多環境問題,考慮災害的發育特征、地表水及地下水的疏干情況、工程地質條件等因素,將研究區分為地質環境影響程度嚴重區(I區)、地質環境影響程度中等區(Ⅱ區)、地質環境影響程度一般區(Ⅲ區)。

根據圖12[28],I區總面積83.78 km2,占研究區總面積的37.54%,主要位于巖溶區內受隧道和地下礦山影響強烈的區域,區內井、泉點流量大多完全干涸,僅在雨季有水流出,雨后3～15 d迅速干涸。部分泉點有水流出,但流量衰減嚴重,地表的水庫、池塘和溪溝水量嚴重衰減,大部分干涸。Ⅱ區總面積33.80 km2,為總面積的15.14%,主要位于須家河地層內受隧道和地下礦山影響中等的區域,區域內泉點和地表水體水量減少過半,連續干旱一段時間以后會造成當地居民飲水困難。Ⅲ區總面積105.60 km2,占總面積的47.32%,主要位于侏羅系地層區域以及受地下空間影響較小的可溶巖區域。區內井、泉等地下水體以及水庫、池塘、溪溝等地面水體水量較以往基本無變化或變化很小,對當地人生活生產用水問題影響較小。

圖12 環境影響分區[28]Fig.12 Environmental impact zoning

5 結 論

本文基于重慶中梁山兩江間1970～2020年隧道工程的涌突水量實測數據,結合研究區水文地質條件、降雨量資料,開展統計分析,系統總結了涌突水量的時間與空間特征,進行了隧道涌水對環境影響評價,主要結論如下:

(1) 時間方面,從年際尺度上,隧道涌水量與降雨量呈明顯的線性相關,即涌水量總體隨降雨的增大而增大,反映出研究區地下水系統較為開放,主要補給來源為大氣降雨補給;隧道月均涌水量與降雨量的相關性分析表明,早期(大致以2010年劃分)的隧道涌水對降雨響應更為迅速,后期則變緩,反映出區域地下水位整體下降后,山體深部對降雨響應變緩;依據隧道涌水與降雨時序圖的曲線特征,可將隧道涌突水類型分為降雨補給型、地下水補給型和混合補給型。

(2) 空間方面,可溶巖地層為隧道涌突水的主要地層,單位長度涌水量占比達91%;由于背斜西翼地層較東翼陡傾,西翼的涌水量總體約為東翼的2倍;沿觀音峽背斜軸線的縱向褶皺顯著控制了地下水流方向,山體不同段落隧道平均涌水量南北向上的差異充分反映出這一規律;隧道埋深方面,南段隧道涌水量隨埋深增大而增大,北段則相反。

(3) 對研究區進行環境影響評價,將其分為Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區。Ⅰ區多為可溶巖地層,占比37.54%,影響嚴重;Ⅱ區多為砂巖地層,占比15.14%,影響相對較輕;Ⅲ區多處于侏羅系地層,占比47.32%,影響程度最小。