宜万铁路八字岭隧道施工期岩溶突水灾害超前预报研究

超前预报研究

白明洲1

　许兆义1

　张庆云

2

(1.北京交通大学　北京市　100044　21吉林大学　长春市　130026)

提要　八字岭隧道是宜万铁路的重要控制性工程,以现场调查和试验分析为基础,研究了隧址区的岩溶发育规律;结合资料分析,研究了岩溶山区隧道施工突水灾害的等级类型,探讨了分析方法。针对八字岭隧道的工程地质和水文地质条件,研究了该隧道施工突水灾害危险地段和危险等级,为隧道施工防灾重点区段的确定提供了基础。关键词　八字岭隧道　施工　岩溶突水　危险性

Study on G eologic Prediction of K arst W ater Bursting H azard

in the Course of B aziling Tunnel Construction of Yiw an R ail w ay

Bai Mingzhou 1

　Xu Zhaoyi 1

　Zhang Qingyun

2

(1.Beijing Jiaotong University 　2.Jilin University )

Abstract 　Baziling tunnel is a key controled project of the whole Y iwan railway.Based on field investigation and test analysis ,the paper firstly researches karst distributing rule of this zone ,and studies grade separation of karst water bursting hazard of this tunnel construction through analyzing in formation ,then discusses analytical methods ,finally con firms the risk zone and risk grade of karst water bursting hazard of the construction through analyzing specific geological and hydrogeological conditions of Baziling tunnel ,provides the basis for determin 2ing the key prevention sectors of tunnel construction.

K eyw ords 　Baziling tunnel ;construction ;karst water bursting ;risk

基金项目:铁道部科技开发计划项目(2003G 036-1)。

作者简介:白明洲(1967-),男,副教授,主要从事工程地质学的教学与科研工作。

收稿日期:2006-08-25

1　引言

山岭隧道施工过程中的岩溶突水灾害是影响隧

道施工的重要问题,国内外学者对岩溶隧道进行了大

量的研究工作[1]

,从地质条件的角度对岩溶的形式、

发育规律、特点等方面进行的研究较多[2,3]

。关于岩溶突水危险性分析,可供借鉴的成熟经验还较少。能否妥善处理好岩溶隧道的施工突水分析预测问题将

直接关系到隧道的顺利建成和施工安全[3]

,因此,针对该岩溶隧道的特点,开展岩溶地区隧道突水灾害危险预测的研究十分必要。新建宜万铁路八字岭隧道位于湖北恩师,隧道穿过灰岩山区,隧址区岩溶十分发育,管道、溶洞、溶隙极发育。岩溶发育不均一,垂向上岩溶发育分带性明显。隧道位于岩溶水的水平带内,岩溶构造十分复杂,补给水源丰富。由于岩溶发育的因素错综复杂,发育的形态千姿百态,以及岩

溶发育的不均衡性和不规则性,施工阶段的突水、突泥对施工安全造成很大威胁。

2　工程地质条件

八字岭隧道位于泗渡河上的木尤河与救古河两个支流之间,穿越志留系(S )、泥盆系(D )、石炭系(C )、二叠系(P )和三叠系(T 1)等地层及其组成的褶皱和断层(图1),其中S 、D 、C 等地层为非可溶性岩层,作为隧道区地下水的隔水层,由P 和T 1地层及其组成的秋树岭—叉叉包—张三坡向斜、尖山坡背斜以及F 5、F 8和尖山坡断层等是本区岩溶发育的地质—水文地

质重要环境控制因素。隧道穿越秋树岭—叉叉包—张三坡向斜的长度占隧道全长的二分之一以上,该向斜是隧道上岩溶最发育的向斜蓄水构造。组成秋树岭—叉叉包—张三坡向斜的地层有S 、D 、C 、P 和T 1,以T 1为核部,向斜轴明显的划分出响洞坪—张三坡段,呈东西走向,栗子园—牛鼻子洞呈N50°～60°E 走向,其转折处位于隧道附近响洞坪—栗子园之间。南—东南翼出露地层有S 、D 、C 、P 和T 1,而北—北西翼

只出露P 和T 1,两翼地层不对称,同时两翼岩层倾角变化大,次一级揉皱发育,东西向的褶皱与N50°～60°E 方向的褶皱转折处不仅轴向发生变化,同时组成褶皱地层产状也发生变化。另外,此段断层也很发育,断层不仅使向斜轴向发生改变,而且对岩溶管道的延伸方向也有一定程度的影响。尖山坡背斜是由P 1和P 2等地层组成,核部为P 1地层,出露范围很窄,

穿过的断层有F 5和F 8及位于背斜核部尖山坡断层,

这些断层的存在对岩溶发育有影响和控制作用。

图1　八字岭隧道工程地质示意

3　岩溶及地下水条件

隧址区岩溶特别发育,在调查的岩溶个体形态中,落水洞、漏斗约占总数的87%,如此发育的竖向岩溶管道为汇集降雨时形成的暂时性洪水转为地下水提供了极为有利的条件。该范围内的溶洞或暗河出

口及伏流口等相对较少,仅有张三坡伏流口(图2)、大拐的溶洞、银水湾的泉水、泗渡河上的牛鼻子暗河出口、凉水井的大泉等,其中张三坡的伏流口、牛鼻子暗河出口和响洞坪的漏斗—竖井等岩溶管道(图3),都位于组成秋树岭—叉叉包—张三坡向斜核部的T 1地层中,与它们相关的还有在F 8断层上的大拐溶洞。

突发性岩溶灾害的发生几乎全部与储存在岩溶管道中大量的地下水和沉积物有直接关系,所以研究地下水形成的介质环境至关重要。从隧道疏干排水方面,可将岩溶地区地下水划分为呈面状分布的网状地下水和集中分布的管道流地下水。前者是分散居住百姓的供水水源的重要组成部分,但不是隧道施工疏干排水的主要对象,而集中分布的管道流地下水是构成突发性岩溶灾害的主要组成部分,所以研究岩溶管道中地下水的形成,即地下水的补给、径流方向,特别是径流途径和排泄地点及水量大小就成了研究突

发性岩溶灾害的主要任务。八字岭隧道区内地下水的补给有如下途径:1)张三坡伏流口吸收由北而南冲沟中的常年流水和雨季的暂时性洪水;2)响洞坪落水洞吸收的除常年流水外,还有大量的雨季暂时性洪水;3)F 8断层是一条充水和导水断层,也可能存在由断层扩展形成的岩溶管道;4)隧道线路附近的栗子园———横坑上的岩溶槽谷及其中分布的8～10个的落水洞汇集的降雨暂时性洪水。这个范围几乎控制了隧道线路以北和东北方向的三分之一左右的地区。地下水从东北方向的张三坡汇于向斜核部,从北面的大拐溶洞和响洞坪的落水洞汇于向斜核部,栗子园—横坑上岩溶槽谷吸收暂时性洪水直接汇于向斜核部。总之,从向斜两翼向向斜核部蓄水构造汇流,总体径流方向是由东北向西南,于泗渡河的牛鼻子洞地下暗河出口排出地表,补给地表水。这是一个沿向

斜蓄水构造形成的完整的地下水系统。

图2　

张三坡伏流口

图3　响洞坪的漏斗—竖井等岩溶管道

4　岩溶灾害危险性分析方法

认识一个地区的岩溶灾害危险性,目前方法有:

1)地表岩溶调查;2)示踪剂试验;3)岩溶管道沉积物来源分析法;4)地下溶洞、暗河探测;5)物探方法;6)钻探等多种探测方法。目前解决岩溶灾害问题,需要

目前岩溶地区深埋长隧道施工中所遇到的岩溶管道类型及其灾害有如下类型:1)当隧道施工揭露充满地下水的岩溶管道时,地下水似高压水笼瞬间以巨大压力喷射而出;有的则是地下水夹杂着大量泥砂和石块等混合物,似山洪暴发,势不可挡的涌入坑道,造成人员伤亡。2)有时施工遇到的是大型溶腔,而腔内有常年流水。3)有的施工时是干涸的管道,当雨季连续降雨后发生突水、涌泥,淹没坑道等,施工期间反复上演,威胁施工正常进行等。4)反坡不利于排水,由于泄水洞或排水设施能力有限等原因造成涌水淹没掌子面和隧道。总之,由于长时间的突水、涌泥砂,淹没坑道,需长时间的放水—排水或季节性突水、涌泥、淹没坑道反复无常的发生等,不仅延误工期,还提高工程造价,甚至造成人员伤亡。所以,划分岩溶灾害类型应以保证施工人员安全和以灾害对施工影响程度等为划分的基本原则,按揭露岩溶管道涌—突水量大小划分,划分为A、B、C、D四级,见表1。该分级是按溶洞涌—突水量对施工影响程度划分的。表中所说的地下水压力是指地下水的动水压力和静水压力的总和。

表1　岩溶突水灾害分级

灾害分级涌—突水量分级

Π(m3・h-1)

说明

A Q>10000突水型。地下水瞬间以>0.5MPa的水压射出,水量>10000m3Πh,短时间淹没施工掌子面和坑道中施工设施,甚至危及施工人员生命安全,突水时间长达数小时,甚至数十小时后突水水量才逐渐开始减小至稳定。

B Q=1000～10000涌—突水型。是突水与涌水间的过渡类型。可能突水,也可能涌水。涌水是指地下水压<0.5MPa,沿揭露溶洞口流出,由于水量较大,可迫使施工停止,一般不危及施工人员安全,在短时间内地下水流量达到稳定。

C Q=100～1000涌水型。地下水压力很小,只靠动水压力流动,不影响施工进行,需加强排水。

D Q=10～100地下水缓慢流动,边沟排水就能满足施工要求,基本上不影响施工。

5　八字岭隧道岩溶灾害危险性

511　地下水含水层特征

八字岭隧道主要穿越秋树岭—叉叉包—张三坡

向斜构造,向斜中的地下水特征为以P

2w为隔水层与

以P

2c

+T1d+T1j为含水层的潜水;以P2w和以S-D-C

为隔水层与P

1m+q为含水层的承压水;也有可能出现

以P

2w 和T1

1d

为隔水层与以P

2c

为含水层的承压水。

以P

2w 为隔水层与以P

2c

+T1d+T1j为含水层的潜

水,补给区位于泗渡河与救古河之间的P

2c

+T1d+T1j 地层分布范围内的岩溶洼地、槽谷及其中的落水洞或漏斗组合;还有与其相邻的尖山坡背斜倾伏端使补给区面积扩大;另外还有来自区外,发源于伏流口洞的溪流,通过伏流口注入张三坡的密水洞。地下分水岭偏向救古河一侧,距救古河仅1km左右,所以大量地下水排向泗渡河,如牛鼻子洞。

以P

2w 和T1

1d

为隔水层与以P

2c

为含水层的承压

水:含水层厚度薄,出露面积较小,补给条件远不及其

他含水层,地下水排向泗渡河,如凉水井。

以S-D-C和P

2c为隔水层与以P1m+q为含水层的承压水:南翼出露面积较大,北翼没有出露。因此,

秋树岭—叉叉包—张三坡向斜中P

1m+q承压含水层很

可能转化为夹在S-D-C和P

2w 间的向斜层间含水

层,上部为潜水,向深部转变为承压水。在南翼出露

面积上,发育有一定数量的岩溶洼地和落水洞,是地

下水的补给区,向西边的泗渡河和东边的救古河排

泄。

512　岩溶管道分布特征

秋树岭—叉叉包—张三坡向斜中岩溶管道分布

复杂。

1)张三坡密水洞暗河系统。

该暗河发育在组成秋树岭—叉叉包—张三坡向

斜核部的T

1j地层中,洞口位于向斜轴面以北200m处

的接近枢纽部位,即地层倾角由40°变为20°,由倾角

陡变缓转折部位是局部应力集中地段。洞身发育方

向基本上可划分为N80°～90°E,即近东西向,S250°～

260°W和S150°～175°E(N30°～50°W)等三个方向;暗

河进口段,洞身呈N80°～90°E,T

1j地层产状为N80°～

90°EΠS∠40°,基本上沿地层走向发育,在近东西向分

布的洞身中段分岔,洞身转为S250°～260°W,分岔处

地层产状呈N70°～80°E,洞身沿地层走向方向发育占

调查全长的88%;在洞身沿地层走向延伸中局部出现

S150°～175°E,即洞身转折,沿地层倾向和一组北西向

或近南北向分布的张性或张扭性节理发育,该段长度

仅为总长度的12%,(图4)。从上述不难看出,张三

坡密水洞暗河洞身发育方向明显受地层走向控制,局

部从向斜北翼逐渐向轴部迁移,这符合地下水向向斜

轴部汇集的特点。

图4　张三坡密水洞实测平面2)响洞坪落水洞管道系统。

该落水洞发育在秋树岭—叉叉包—张三坡向斜南翼距轴面大约200m 处,位于向斜南翼接近枢纽部位,并在F 8断层影响带内,发育在T 1r 地层中;上部呈漏斗状,下部呈缝隙状,有一股溪流注入。

3)大鱼泉和牛鼻子洞岩溶管道。

位于泗渡河两岸的岩溶管道出口,发育在三叠系嘉陵江组(T 1j )。在构造上各位于秋树岭—叉叉包—张三坡向斜两翼的枢纽部位,即地层倾角由缓倾至水平的转折处,其中牛鼻子洞有4个洞口,出水口位在下方高出河水位1～2m ,大鱼泉有3个洞口,出水口直接与河床相通。

4)横坑上—牛鼻子洞系统。横坑上是由岩溶槽谷和落水洞组合而成,槽谷长1400m ,其中有落水洞10多个,是该系统的地表进水口。

5)沿含水层与隔水层附近发育的岩溶管道。

沿S -D -C 隔水层与P 1m +q 含水层间形成的岩溶管道,如救古河右岸,沿D 与P 1m +q 含隔水层界面发育的溶洞;沿P 2w 隔水层与P 2c 含水层间形成的岩溶管道,如泗渡河的凉水井。513　岩溶发育深度

根据示踪剂试验和暗河调查获得的资料计算溶洞的平均水力坡度,依此来推算岩溶管道发育高程与隧道设计高程关系(表2)。

一般情况下,从落水洞等竖向岩溶管道投放示踪剂。试验结果求算地下水的平均水力坡度值要偏大,从伏流口投放示踪剂试验结果求算地下水的平均水力坡度比从暗河出口段实测数据求算平均水力坡度值也要大。最终采用I 平=100‰,求得岩溶管道高程710m ,岩溶管道位于隧道设计高程之上是59m 。根据

钻孔资料,在孔深474150～475110m 处,裂隙中充填紫红色、黄色的粘土物质,这说明地下水活动已经到标

高733103～737160m 以下,可见采用I 平=100‰来求算岩溶管道位置是可行的。

表2　岩溶管道发育高程

计算段

平均水力坡度I 平Π‰

岩溶管道

发育高程Πm

岩溶管道与隧道设计高程关系张三坡—响洞坪—牛鼻子洞100710高出隧道59m 响洞坪—隧道—牛鼻子洞

135839高出隧道200m 张三坡密水洞实测数据

125

845

高出隧道194m

514　灾害危险段预测分析

根据该隧道现场岩溶地质条件,提出岩溶灾害危险地段的判定依据如下:秋树岭—叉叉包—张三坡向斜是一个完整的向斜蓄水构造,并储存大量的地下

水,估计最大洪峰流量达1000m 3

Πs 。在接近向斜核部的南北两翼或转折端分布有张三坡伏流口、响洞坪落水洞及牛鼻子洞暗河出口等,三者位于向斜核部附近,排列几乎成线状。先后两次于响洞坪落水洞和张三坡伏流口—密水洞投放示踪剂的连通试验已完全证明三者具有很好的连通性。根据张三坡段向斜轴面位置、响洞坪段向斜轴面位置、栗子园段向斜轴面位置和牛鼻子洞段向斜平面图位置等推定,是一个三点连通的地下岩溶管道系统。但必须指出N50°～60°E 方向向斜轴与EW 方向向斜恰好在栗子园附近转折,此处可能使褶皱形态复杂化和岩溶管道发育方向具有不确定性。由于沿向斜核部发育的岩溶管道具有张三坡伏流口、响洞坪落水洞、栗子园—横坑上岩溶槽谷等不同部位地下水的补给源,使岩溶管道在垂向上具有多层性,地下径流的水力坡度在不同地段具有很大差异,同时对岩溶发育深度也有不同的作用,其中张三坡伏流口—密水洞至牛鼻子洞地下水流程最长,在隧道附近地下径流的水力坡降最小,在隧道埋深处岩溶发育深度最大,按正常推算,在隧道位置岩溶管道高程约在700～800m 。同时钻孔资料也表明在孔深474150～475110m 处裂隙充填紫红色、黄色的物质,这个红色、黄色物质是含粘粒混浊的地下水由地表进入裂隙沉积而成,该孔深的标高是737163～733103m ,若以此高度为准,预计岩溶管道距隧道设计

高程是86127m ,但它不是岩溶发育的极限深度。因

此,隧道在DK 106～DK 107km 里程之间是大型岩溶管道可能出现的地段。根据计算结果,最大突水量超过

10000m 3

Πh ,所以该隧道危险段初步预测在DK 106～DK 107之间(图5),属A 危险等级。

(下转第页)

312　咸淡水界面的确定

用测井方法确定咸淡水界面,实为划分高低阻电性层。从T1孔测井曲线可看出,以156m为界,可划分出上下两段不同性质的电性层。上部为低阻层,下部为高阻层,综合本孔前述地电特征认为,上部的低阻层是由高矿化的咸水引起;而下部的高阻层则主要由地层岩性引起,钻探取芯证实,该孔所揭露的地层,上下均为冲湖积相的砂、砾石及中细砂层和粉质粘土,全孔段岩性相似;其二,电性不同,上部岩性呈低阻反映,下部岩性呈高阻反映;其三,测井曲线的形态不同,在上部,无论是视电阻率还是自然电位,异常幅值均低,地层界面反映不清,曲线形态起伏小,且圆滑连续,基本平行于井轴直线,而在下部,两方法所反映的测井特征是,异常背景值高,幅度大,曲线呈参差不齐、大小不等的锯齿状。而在同一钻孔内,同为冲湖积相的砂砾石层中,且出现两种截然不同的电性及曲线特征,据以往工作经验和前人成果,可以肯定,本孔156m以上的低阻层就是地下咸水的反映,5gΠL;而下部视电阻率的高阻和自然电位的正异常,就是地层所含淡水的反映,估计矿化度为112gΠL左右;而图中156～168m段的相对低阻层,则反映的是咸淡水过渡带。

4　地质效果

物探资料解释的正确与否,最终需地质勘探成果给予佐证。依据本次测井成果所确定的成井工艺,成井后水位埋深7614m,涌水量为1928m3Πd,所取水样经实验室分析,水质良好,地下水矿化度为0192g

ΠL,达到了人畜饮用及农田灌溉水标准。此

后,依据T1孔的成功经验,在板湖村邻近的扶拱、互

助村又施工两眼供水井,成井工艺均由电测井方法

确定,结果都获得了成功。

上述实例说明,电测井方法提供的资料真实可

靠,准确可信。电测井是配合水文地质钻探寻找地

下淡水资源最直接和最有效的方法之一。

5　结论

在水文地质研究程度尚低的咸水区,要寻找人

畜饮用的地下淡水资源,电测井方法无疑是配合水

文地质钻探的一种有效技术手段,它可在成井前预

报出地下水水质的好坏及纵向上的变化特征,为地

质与钻探决策提供科学依据。

此次利用电测井方法在板湖等村的成功应用实

例,说明电测井反映的地质效果是真实的、显著的,

利用电测井方法划分咸淡含水层,不但解决了当地

近万人的饮水问题,而且还为该地及类似地区进行

地下淡水资源的勘查积累了经验,提供了依据。

参考文献

1　长春地质学院.水文地质工程地质物探教程.北京:地质

出版社,1980.40～60

2　李舟波,岳玉华,张存和,等.钻井地球物理教程.北京:地

质出版社,1979.66～78

3　董智辉,陈耀岭.煤田地球物理测井.武汉:武汉地质学院

出版社,1986.47～59

4　大庆油田.电测井.北京:科学出版社,1978.20～26

(上接第47页)

图5　八字岭隧道岩溶灾害危险段分布示意

6　主要结论

通过对宜万铁路八字岭隧道的现场调查和计算

分析,认为该隧道施工期的主要岩溶突水灾害危险

可能发生在隧道施工里程的DK106～DK107之间,

是该隧道的岩溶灾害危险段。明确了该隧道施工过

程中进行施工超前预报的重点位置,为隧道施工的

安全顺利进行提供了指导。

参考文献

1　陈成宗,何发亮1隧道工程地质与声波探测技术1成都:

西南交通大学出版社,2005

2　张民庆,刘招伟.圆梁山隧道岩溶突水特征分析.岩土工

程学报,2005,25(4):422～426

3　孙怀庭.临—祁井田底板岩溶突水频率高的原因分析.中

国煤田地质,2000,12(1):47～49

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