方斗山隧道岩溶水文地质条件及危险性研究

徐正宣;彭芬

【摘 要】方斗山隧道是渝利铁路的控制性工程,是全线高压富水岩溶隧道的代表性工程,其地质构造及岩溶水文地质条件较为复杂,有必要查清该隧道的岩溶水文件地质条件.文章通过对该岩溶隧道的含水层岩性组合特征、可溶岩体系分布特征及岩溶水系统性的研究,得出以下结论:(1)隧址区岩溶地下水可分为3个水文地质单元.(2)预测隧道正常涌水量Q =63 000 m3/d,雨季较大涌水量按正常涌水量的数倍计算.(3)隧道可溶岩段内岩溶涌突水危险性主要为高危险区.(4)采用“绕、靠、抬”的地质选线原则,可降低隧道涌突水的风险及对隧道的危害程度. 【期刊名称】《高速铁路技术》 【年(卷),期】2017(008)004 【总页数】6页(P28-33)

【关键词】渝利铁路;方斗山隧道;岩溶水文地质条件;危险性分级 【作 者】徐正宣;彭芬

【作者单位】中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031;四川传媒学院,成都611743

【正文语种】中 文 【中图分类】U25

方斗山位于川鄂湘黔隆褶带和四川沉降褶带接合部位的川东褶带东带，方斗山山脊为区域地表分水岭，山脉呈北东～南西走向，其走向与地层界线走向基本一致，属

条形中山，具构造剥蚀～溶蚀地貌特点。方斗山隧道是渝利铁路的控制工程，也是渝利铁路高压富水岩溶隧道的代表性工程，隧道全长7 235 m，进口高程307.4 m，出口高程307.7 m，隧道最大埋深836 m，隧道纵断面为人字坡，进口端单面坡4 050 m，出口端单面坡3 450 m。隧道方向与方斗山背斜轴大角度斜交。 1.1 地层岩性

隧道区出露的地层自背斜核部至两翼主要为二叠系下统长兴组～三叠系上统须家河组的一套碎屑岩和碳酸盐岩系地层，零星覆盖第四系，与隧道工程有关的地层主要有：块石土粉质黏土漂石土须家河组砂岩夹炭质页岩、煤线(T3xj)、雷口坡组泥灰岩夹页岩(T2l)、嘉陵江组灰岩(T1j)、飞仙关组泥岩夹页岩、泥灰岩、薄层灰岩(T1f)、长兴组灰岩(P2c)、吴家坪组页岩、燧石灰岩夹煤层(P2w)、茅口组灰岩(P1m)。 1.2 地质构造

方斗山背斜位于扬子准地台重庆台坳重庆褶皱束之万州凹皱束，由紧密的背斜和宽缓的向斜组成北北东向“隔挡式构造”。隧址区主体构造为方斗山背斜，为区域性一级构造，其两侧分别为宽缓的石柱向斜及丰都向斜。背斜轴部受龙包逆断层破坏，显得狭窄而具尖棱状，节理及小褶皱发育。

褶皱：方斗山背斜总体为一线状NE～NEE向的弧形构造，枢扭起伏，背斜枢扭轴倾伏角19°，为一长轴脊形背斜。核部出露最老地层为下二叠统长兴组(P2c)，两翼依次为三叠系～侏罗系中统上沙溪庙组，两翼岩层倾角不对称，北西翼较陡。 断层：龙包逆断层(F1)为一高角度的走向逆冲断层，全长约40 km，断层走向N20°～40°E，与地层走向基本一致，倾向NW，倾角65°～80°，断层破碎带宽50～100 m。F2断层：为一高角度的走向逆冲断层，断层倾向NW，倾角70～80°，断层破碎带宽10～20 m。 1.3 洞身围岩分级

洞身围岩分级详如表1所示。 2.1 主要含水岩组及富水性

主要含水岩组及富水性如表2所示。 2.2 地表水与地下水出露特征

方斗山隧址区水系属长江水系。以方斗山山脊为区域地表分水岭，山脊北西侧地表水系主要为一些大的地表溪沟，均直接汇入长江。山脊南东侧主要为龙河水系，龙河流域北邻长江，以方斗山脉为分水岭，南邻乌江以齐跃山脉为分水岭，上源与清江和磨刀溪相邻。龙河是方斗山隧道隧址区地下水(岩溶水)的排泄基准，而长江则是控制区域地下水流动的基准面。

在自然状态下，各含水岩组具有顺背斜两翼岩层产状产出，各含水岩组往往组成具独立地下水水文地质单元，地下水在接受降雨补给后常常会在排泄基准或区域性侵蚀基准面的控制下，沿含水层走向发生顺层流动与排泄，而相对隔水层两侧含水层受水文地质条件影响，含水层之间往往无水力联系和统一的地下水水位。岩溶裂隙水及溶洞水具有分散补给、集中径流、统一排泄的特点，也具有远离排泄区岩溶水由轴部向两翼运移，靠近排泄区沿背斜轴向运移的特点。 2.3 可溶岩体系分布特征

方斗山背斜出露的可溶岩可分为三套体系(如图1所示)，分别为：P2c组成的核部可溶岩体系、T1f2+3近背斜核部可溶岩以及T1j组成的翼部可溶岩体系。 (1)方斗山背斜核部可溶岩体系(P2c)

在地表仅见P2c出露。位于方斗山山脊最高处区域，接受的降雨补给量很有限，地下水活动性较差。岩溶发育程度不高。 (2)方斗山背斜翼部可溶岩体系(T1f2+3)

飞仙关组在本区内主要可以分为四段，T1f2+3内赋存的地下水在两侧分别被第一段和第四段的页岩、泥岩阻挡。与T1j难以较好的沟通并形成水力联系。因此其可

以作为一个较为完整的水文地质单元。但T1f4厚度较小，在部分地区仍有可能沟通T1j，并存在局部的水力联系。 (3)方斗山背斜翼部可溶岩体系(T1j)

该体系位于方斗山背斜的两侧，由于岩性组合特征形成了较大规模的溶蚀槽谷地形。尤其是方斗山北西翼的岩溶槽谷延伸远，槽谷内的洼地、落水洞、溶洞强烈发育，出露的泉点数目和流量相对于其它可溶岩体系明显较大。背斜南东翼相对北西翼的岩溶发育强度较低，但仍可见大面积的负地形。因此，该岩溶体系为方斗山背斜构造内岩溶发育程度最高，地下水活动性最强，与隧道建设关系最为密切的可溶岩体系。

2.4 岩溶发育空间分布特征 (1)岩溶化岩体顺层发育

岩溶沿层面裂隙发育是区内碳酸盐岩地层岩溶发育的最主要特点。其岩溶形态有溶洞、落水洞、溶蚀洼地、地下暗河等。 (2)岩溶发育具呈层性

可溶岩经历多次地质构造运动的改造，在区域内发育分布了部分夷平面及相关的溶蚀槽谷等溶蚀、剥蚀现象，它们的发育分布在不同的高程，揭示了隧址区岩溶发育阶段及岩溶发育的呈层规律。 (3)在断裂构造带处岩溶发育集中

背斜轴部附近的断裂带，因岩体破碎有利于地下水进行垂直和水平运移，也有利于地下水对岩体中的可溶岩成分进行溶解和溶滤，因此，隧址区断裂带内的可溶性岩体的岩溶化程度和深度也较相邻地段的可溶性碳酸盐岩岩溶化程度高，发育深度大。 (4)可溶性碳酸盐岩类与相对隔水层的接触带发育

由于地下水存在沿隔水层底板集中运移的特点和规律，以致这些地段岩体的岩溶化程度、深度也较相邻的可溶性碳酸盐岩类岩体高。

2.5 水文地质单元划分

区内飞仙关组第一段(T1f1)页岩、钙质页岩层位稳定、胶结致密、透水性差，将背斜两侧含水岩组有效地进行了阻隔，在方斗山山脊西侧形成了相对稳定的地下水分水岭。根据方斗山隧址区可溶岩体系分布特征、岩溶空间分布特征和地下水补径排条件等将区内地下水分为3个水文地质单元，如表3所示。 2.6 隧道涌水量预测 (1)地下径流模数法

Q=86.4 MF，正常涌水量Q=20 554 m3/d。 (2)大气降雨入渗法

Q=F·A·α/T，正常涌水量Q=63 000 m3/d。 (3)狭长水平廊道法

Q=(B·K·H2)/R，正常涌水量Q=25 621 m3/d。

上述计算方法对隧道涌水量的预测结果存在较大差异，以大气降雨入渗法计算值最大。大气降水、地表水的直接入渗是该隧道地下水的主要补给来源。隧址区地下水露头极少，且无钻孔水文地质试验数据，采用狭长水平廊道法代表性差；地下径流模数具有大面积区域性，通过区域概化得出的地下径流模数不能反映该隧道可溶岩区地下水分布不均的实际情况；参考高速公路方斗山隧道及鱼剑口水电站施工数据，推荐大气降水入渗法计算结果作为隧道涌水预测值，最大涌水量按正常涌水量的数倍计算。

在施工阶段，仅在方斗山隧道进口工区施工至D8K 160+537处揭示一个大型溶洞，溶洞纵向长度40 m，横向宽度约43 m，溶腔壁光滑，溶洞内主要是砂土夹砾石充填，枯水期水量较小，降雨期间实测涌水量如表4所示。

从以上实测结果可以看出，按大气降雨入渗法预测的正常涌水量基本可靠，最大涌水量达到正常涌水量的8倍。

3.1 隧道涌突水危险性分级标准

根据测区的岩溶发育特征，初步考虑将隧道涌突水危险性划分为5个等级，其危险程度从高到低分别为极危险区、高危险区、中危险区、较危险区、低危险区，级别为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ。分值满分设为100分，危险性越高分值越高，反之亦然。划分的5个等级所对应的分值依次为>75、75～60、60～35、35～20、<20。隧道涌突水危险性分值为所选取岩石的可溶性(K1)、地质构造(K2)、地表岩溶地貌(K3)、地下水化学特征(K4)、隧道埋深与地下水位的关系(K5)5个评价指标评分值的相加。

THK=λ1K1+λ2K2+λ3K3+λ4K4+λ5K5

式中：THK——岩溶隧道涌突水危险性指数，其值越大，隧道越易涌突水； λi——评价指标权重； Ki——第i个评价指标。 3.2 隧道涌突水危险性分级评价

根据上述对岩溶隧道涌突水危险性分级标准和地质勘察资料对方斗山隧道的5个指标进行赋值，结果如表5所示。危险等级段数及长度对比图分别如图2、图3所示。

由表5及图2、图3可见极高危险段占总长度的6%，高危险段占总长度的84%，方斗山隧道可溶岩段内岩溶涌突水危险性主要为高危险区。DK 160+722～DK 161+080段危险性等级为Ⅴ级，这段地下水的径流条件好，一般岩溶都较发育，地表有洼地、竖井、岩溶漏斗等。隧道在通过断层时的涌突水危险性较大，在隧道施工中应特别注意对涌突水灾害的防护。

3.3 隧道物探成果、深孔钻探成果与THK危险性评价的综合对比

本隧道分别采用了两种大地电磁法(CSAMT、EH4)进行物探工作，并布置了11个深孔钻探，通过与THK危险性评价的分析对比，可知隧道大角度穿越方斗山背斜，

背斜东翼受龙河切割影响，其岩溶发育程度较西翼低。物探揭示洞身里程DK 162+367.3～DK 162+416段的相对低阻条带为T1f2+3灰岩地层的反映，推测可能存在溶洞，经Z-方-8号深孔钻孔揭示，该处发育一巨型溶洞(孔深416.76～602 m)。后在DK 161+500～DK 163+500段布置3条纵测线和4条横测线，依据各测线等值线走势，推测出溶洞空间规模及形态，如图4所示。其中，左测线和中线低阻异常较明显，所推测区域为溶洞的可靠性较高，而右测线异常相对较弱，与深孔钻孔资料所揭示溶洞的部位基本吻合。隧道物探成果、深孔钻探成果与THK危险性评价结论基本吻合。 3.4 成果应用

通过方斗山隧道水文地质条件研究，指导方斗山隧道进行防灾减灾地质选线，对线路采用“绕、靠、抬”的地质选线原则，绕开了3处较大的暗河，靠近已建成的鱼剑口水电站的引水隧道，将线路最高标高由 280 m抬高到300 m，最大埋深由836 m减为713 m，使得原长7 235 m的隧道缩短为4 918 m，地下静水压由6 MPa降低至3.1 MPa，降低了隧道涌突水的风险及对隧道的危害程度，创造了高压富水岩溶区隧道施工零伤亡、零事故的记录。

(1)渝利铁路方斗山隧道位于川鄂湘黔隆褶带和四川沉降褶带的接合部位的川东褶带东带，为典型的川东“隔挡式构造”，原方案隧道最大静水压力高达6 MPa，方斗山隧道以大角度横穿该背斜，工程地质及水文地质条件复杂。

(2)方斗山背斜出露的可溶岩可分为三套体系，分别为P2c组成的核部可溶岩体系、T1f2+3近背斜核部可溶岩体系以及T1j组成的翼部可溶岩体系。其中T1j组成的翼部可溶岩体系为方斗山背斜构造内岩溶发育程度最高、地下水活动性最强、与隧道建设关系最为密切的可溶岩体系。

(3)隧址区的岩溶地下水可分为3个水文地质单元，分别为西翼子系统、核部子系统、东翼子系统。龙河是方斗山隧道隧址区地下水(岩溶水)的排泄基准，而长江则

是控制区域地下水流动的基准面。

(4)隧道预测正常涌水量Q=63 000 m3/d，雨季较大涌水量按正常涌水量的数倍计算。

(5)方斗山隧道可溶岩段内岩溶涌突水危险性总体为高危险，其中极高危险段占总长度的6%，高危险段占总长度的84%，中等危险段占总长度的10%。仅在DK 160+722～DK 161+080段为高危险段，主要与断层发育有关。

(6)利用岩溶水文地质条件及危险性的研究成果，对线路采用“绕、靠、抬”的地质选线原则，绕开了3处较大的暗河，靠近已建成的鱼剑口水电站的引水隧道，将线路最高标高由280 m抬高到300 m，降低了隧道涌突水的风险及对隧道的危害程度，创造了高压富水岩溶区隧道施工零伤亡、零事故的记录。

(7)该研究成果可为高压富水岩溶地区隧道勘察设计及地质选线提供指导及借鉴。

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