岩溶地区地下水位变动带隧道涌水问题的思考

郑克勋;裴熊伟;朱代强;吴述彧;郭维祥

【摘 要】通过鸡冠山隧道涌水实例及广泛收集岩溶地区隧道涌水案例,总结出岩溶地区隧道季节变动带涌水具有反应时间快、水量大、泥沙重的特点,并综合分析地下水季节变动带隧道的水文地质特征,将其划分为一般山岭隧道及向斜构造地下水位变动带两种类型,且对两种类型涌水机理进行了阐述.岩溶地区隧道前期勘察应重点划分隧道岩溶地下水系统及地下水动力分带,查明岩溶发育特征与规律;施工期和运行期应结合岩溶揭露情况和涌水情况开展针对性的补充勘察,做好降雨、涌水过程和涌水压力监测,判断和预测最大外水压力和涌水量.针对涌水问题,提出封堵和排泄两种处理思路:施工开挖揭露的岩溶现象不可盲目封堵,需尽可能维持原通道的通畅,针对可能涌水的隧道衬砌设计不可仅考虑围岩结构,应充分考虑外水压力,做好围岩固结灌浆;常规隧道\\"环形排水系统+中心沟\\"排水系统可靠性差,针对大流量涌水,多采用泄水洞排水.

【期刊名称】《中国岩溶》

【年(卷),期】2019(038)004

【总页数】7页(P473-479)

【关键词】岩溶隧道;季节性涌水;水文地质特征;岩溶管道置换;泄水洞

【作 者】郑克勋;裴熊伟;朱代强;吴述彧;郭维祥

【作者单位】中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院有限公司岩土工程公司,贵阳 550081;中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081;中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院有限公司岩土工程公司,贵阳 550081;中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081;中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院有限公司岩土工程公司,贵阳 550081;中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081;中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院有限公司岩土工程公司,贵阳 550081;中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081;中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院有限公司岩土工程公司,贵阳 550081;中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081

【正文语种】中 文

【中图分类】U452.1

0 引言

中国岩溶地区分布面积约136万km2，占国土面积的14%，其中尤以西南地区分布最为集中［1］。近年来，岩溶地区建成高铁约3600 km，西南岩溶地区在建和规划的高铁超过3000 km。铁路和高速公路工程的长大隧道越来越多，地质条件越来越复杂，其中，岩溶地下水是隧道工程面临的主要问题之一［2］，隧道施工和运行安全问题突出［3］，也对环境造成不可逆转的损害［4-5］。

对于稳定地下水位以下饱水带的隧道，其涌水突泥问题已被重视，但对饱水带以上地下水位变动带的隧道可能发生季节性或间歇性涌水问题，往往缺乏预判，或易被忽视，此问题常在施工期，甚至是运行期才突然爆发。

季节性涌水或间歇性涌水的隧道，发生涌水时，隧道涌水部位两端大部分洞段开挖支护均已成型，设计通常并未预留足够泄水能力的泄水通道，隧道衬砌往往按照无压隧道的衬砌考虑，这类涌水问题的处理受到很多因素的，在运行期才发生的涌水问题轻则影响隧道的使用功能，严重的将引发安全事故，造成巨大的损失和不良社会影响。

本文通过实际工程案例总结和论述隧道季节性或间歇性涌水的水文地质特征、涌水特点以及勘察、设计与处理技术要点，以期为岩溶地区隧道建设提供参考。

1 近年来季节性涌水隧道案例及其特点

近年来文献发表或新闻报道的发生季节性涌水的隧道案例见表1。

表1 部分典型地下水位变动带隧道涌水案例Table 1 Typical cases of tunnel water inrush in groundwater level fluctuation zones序号 线路 隧道名称1 2 3 4 5 6 7沪昆客专贵州段 岗乌隧道沪昆客专贵州段都香高速六威段沪昆客专贵州段白岩脚隧道灾害详情及影响据媒体报道，原设计时速300 km·h-1，2017年7月17日，受水害影响造成铁路停运，现长期限速70 km·h-1通过。2017年6月30日，隧道下行D1K0+239处左侧沟及拱腰大量水流涌出，高度约2.1 m，水质浑浊，泥沙含量重，有石块。线路被迫中断行车，至7月1日15时涌水量达13.9 万 m3·d-1[6]。鸡冠山隧道麻拉寨隧道水柏铁路 银山隧道杭瑞高速贵州段 峨岭关隧道2017-2018年雨季施工期间出口端共涌水7次，较长时间不能正常施工。2015年6月18日，洞身11-12标段两侧侧沟壁与二衬结合部分纵向持续涌水，局部中心水沟沟底向上突涌水，涌水高度达0.2 m，该段无砟轨道发生不同程度隆起变形，最大隆起量为28 mm[7]。2014年9月5日凌晨，隧道所在区域局部时段降雨量高达127 mm·h-1。9月5日5时10分，银山隧道K102+780～+800段左(北)侧边墙被墙后高压水挤裂，导致墙体折断、倾倒及垮塌，造成行车中断[8]。2014年5-6月强降雨，中心沟阻塞，致使路面冒水冒浆。道路暂停运营，处理时间长达半年[9]。汕昆高速贵州段 坪东隧道2012年试运营期间，6月18日持续强降雨，ZK98+044左侧消防栓位置出现涌水，涌水量达2万 m3·d-1，水质浑浊，治理工作历时半年[10-11]。

运营期出现水患的隧道基本处于岩溶水动力垂向分带之季节交替带，贵州地区普遍发生在6—8月份强降雨季，涌水量与降雨密切相关。部分隧道在施工过程中可能正值枯季或降雨量较小，岩溶涌水问题不突出，导致采取措施有限，留下了隐患。当隧道运营后，遇强降雨极端天气，涌水问题才爆发出来。通过综合分析一系列隧道涌水情况，总结其季节性涌水有如下特点：

（1）涌水时间、涌水量与降雨呈现一致性。鸡冠山隧道处于垂直下渗带，降雨2 h后，隧道内开始涌水；降雨停止后，约2.5 h涌水停止，积水开始消退。鸡冠山隧道降雨后，地下水从钻孔喷涌，降雨停止后，涌水逐渐消退为干孔（图1）。白岩脚隧道处于向斜构造地下水位变动带，涌水峰值滞后降雨2 d。

图1 鸡冠山隧道路面补勘钻孔涌水时与正常情况对比Fig.1 Comparison of water inrush from boreholes in road surface reconnaissance of the Jiguanshan tunnel with normal conditions

（2）涌水量大，压力大，破坏性强。鸡冠山隧道涌水速度达2720 m3·h-1，白岩脚隧道涌水速度最高达5792 m3·h-1。涌水均导致衬砌出现裂缝或破坏。

（3）涌水泥沙含量重。岩溶地区地下水位变动带涌水主要为岩溶管道水及裂隙水，与地表直接连通，涌水多发生于暴雨季节，暴雨过后降雨携带大量泥沙进入裂隙及管道［12］。涌水过后易造成衬砌后环形排水系统失效，中心排水沟堵塞。鸡冠山隧道多次被淹，隧道内沉积大量泥沙，中排沟阻塞近3/4。环形排水系统几近失效。

2 地下水位变动带隧道涌水的水文地质特征

发生季节性或间歇性涌水的隧道多属于山岭隧道，主要为压力型管道涌水，涌水突然，时间短暂，但涌水量大，涌水洞段位于岩溶地下水位变动带。根据地质构造和岩溶发育条件的不同，地下水位变动带的隧道涌水可分为两种模式，即一般山岭隧道地下水位变动带涌水和向斜构造地下水位变动带涌水。

2.1 一般山岭隧道地下水位变动带涌水

岩溶地区地下水系统垂向上一般分为6个带［13-14］，不同的分带中，均存在一个地下水位季节性变动的区域。本文采用韩行瑞[13]提出的岩溶水动力分带模式，垂向上可分为6个带，即表层岩溶带、包气带、季节交替带、浅饱水带、压力饱水带及深部缓流带。其中以浅饱水带岩溶最为发育，一些水平洞穴，地下暗河通道通常发育在此带，一些大的充水溶洞、宽大的溶缝、深潭、地下湖均发育在此带，其对隧道涌水的威胁很大，一般为有压突水、突泥。浅饱水带涌水主要体现在施工期，施工期处理好顺利通过后，运营期一般具有保障。

而包气带及季节交替带岩溶发育程度仅次于浅饱水带，施工期如正值枯水期，涌水问题不突出，往往容易被忽视，隧道衬砌及排水按常规隧道设计施工，而运营期暴雨季节涌水问题凸显，岩溶地下水的补给区位于隧道上方的地表。

图2中Ⅰ号隧道，处于包气带内，其位于表层岩溶带以下、丰水期地下水位以上的地带。地下水通过溶隙、溶蚀管道、竖井与地表的洼地、漏斗、槽谷相通，可将大气降水及地表水导入地下，以垂直下渗为主。在暴雨期间，大量洪水携带泥沙通过包气带进入地下。与碎屑岩区不同，岩溶区的包气带很厚，从十余米到几百米，而此带水流在时空方面是不连续的，一般不具静水压力，但在管道中短时间的灌入压力有时很大。本带中多有垂直状态的溶隙及溶洞，但也存在一些水平干溶洞，有时被黏土、碎石充填。当隧道通过此带时，在隧道勘察无预判的情况下，隧道按照无外水作用设计，地表降水突发性自上而下灌入，将直接威胁隧道的车辆安全。沪昆高铁麻江县麻拉寨隧道突涌水即发生在包气带内。

图2 分水岭（河间地块）岩溶地下水动力分带Fig.2 Karst groundwater dynamic zoning in watershed(inter-river block)

图2中Ⅱ号隧道，处于季节交替带，又称过渡带，是由于季节变化而引起的统一地下水位升降波动的地带，位于包气带与饱水带之间。当雨季潜水面升高时，构成饱水带的一部分；旱季潜水面下降，则成为包气带的一部分，地下水以水平径流为主。在此带雨季时节隧道将可能产生自下而上的有压涌水、突泥。例如，贵昆铁路岩脚隧道的出口段平行导坑遇到溶洞，平时无水，施工时用碴填埋，一场暴雨后，溶洞冒大水，将石渣、机具冲溃。以后每场大雨后均发生溶洞冒水，雨后逐渐减少。贵昆铁路梅花山隧道平导遇地下暗河，枯水期河水面低于隧道，但洪水期水位上涨淹没隧道［13］。

2.2 向斜构造地下水位变动带涌水

向斜构造地下水位变动带，即向斜构造岩溶地下水系统的季节交替带。沉积地层一般有灰岩与砂泥岩相间分布，向斜构造内，岩溶地下水受隔水层阻挡，地下水排泄路径受限，岩溶管道沿可溶岩层面发育，一般向斜核部为岩溶地下水主要排泄通道。岩溶地下水的补给区可能位于隧道上方的地表，也可能位于向斜的两翼，地表降水通过岩溶管道系统，造成远离补给区的向斜核部区域地下水位周期性或突发性的上升，雨季时节可能产生自下而上的有压涌水突泥。由于补给范围更广，该构造下如发生涌水将比一般山岭地区涌水量更大（图3）。

图3 向斜构造的地下水位变动带示意图Fig.3 Sketch of groundwater level variation zone in syncline structure

典型案例如沪昆高铁贵定县白岩脚隧道突涌水病害［6］，该隧道穿越向斜核部，洞身处于岩溶水季节交替带。通常情况下，隧道并无渗水，当降雨量足够大时，隧底以下饱水的管道排泄不及，岩溶水位大幅抬升，地下水涌入隧道。其涌水量远大于隧道上方地表入渗补给量［15］。

3 地下水位变动带隧道涌水勘察

可能存在涌水问题的隧道存在洞线长、埋深大等特点，要想采用勘探手段详细查明隧道沿线岩溶水文地质条件，难度极大，且成本高昂。因此，岩溶地区长大隧道的勘察及岩溶水文地质条件的评价，一般分两个时段进行，即前期勘察与施工期补充勘察。前者多以摸清岩溶发育规律及水文地质条件为主，后者多根据隧道开挖揭露情况及时进行补充勘察。

3.1 前期勘察

前期勘察受形地质条件及工程布置，长大隧道岩溶水文地质勘察与涌水评价多以地质调查与分析为主，辅以必要的物探及验证性钻孔、水文地质试验等方法，即“地质调查＋精确物理勘探＋验证性钻孔及水文地质试验”的综合方法。岩溶水文地质调查是隧道岩溶涌水评价的最有效方法，调查的主要内容包括地质结构、构造特征、岩溶发育特征与规律、泉水的出露及其与地层、构造等关系。根据基础地质调查的结果，分析工程区岩溶发育特征及地下水的补给、径流、排泄条件，划分岩溶地下水系统，预测岩溶管道的可能分布位置和规模。在上述工作的基础上，采用物探、钻孔、连通试验、场分析等方法，进一步查明工程区的岩溶水文地质条件。针对隧道沿线岩溶发育情况、地质构造，分析判断隧道与岩溶管道系统的关系。

如果隧道上方及附近存在岩溶洼地，应充分重视，需研究洼地对应的岩溶地下水流动系统的补给、径流和排泄条件，进行水均衡计算，研究岩溶地下水系统的调蓄能力，推断地下水位的变化幅度。前期的水文地质勘探孔，应查明稳定地下水位，并对钻孔进行保护，开展长期观测，如钻孔揭露了隧道高程附近溶洞，可将溶洞孔段上下隔离，观测溶洞段的水位变化，特别是汛期暴雨期间的短暂水位变化。

3.2 施工期补充勘察

施工期间，开挖隧道揭露的无水溶洞，不可一堵了之，需进行详细地质调查，从洞壁冲刷特征，沉积物、充填物特征观察其水流痕迹，结合稳定地下水位、地表的岩溶洼地、落水洞和泉水等判断其是否存在季节性涌水问题。对开挖隧道揭露的短暂涌水溶洞，应详细记录和分析其降雨和涌水过程，调查其补给源和排泄通道。根据隧道岩溶系统发育情况，判断隧道涌水类型，根据其边界条件选取合适的方法修正暴雨期涌水量［16］。

采取措施恢复管道的通畅，安装压力表，为后续可能涌水做好观测准备。必要时，布置物探及钻探，查明管道的水文地质条件，为隧道设计变更提供地质依据。

4 地下水位变动带隧道涌水处理

岩溶地区隧道设计应充分考虑其运营期可能发生的涌水问题，隧道岩溶涌水规模受水头压力、补给水源条件和导水构造规模等影响，其涌水危害表现不一，相应处理原则、措施及处理难度也不一样。当揭露的岩溶涌水点分散，涌水规模小且涌水压力不大时，可采用“以排为主”的原则，在保证衬砌满足抗外水压力的情况下，加大中排沟的断面和坡度，直接导入中排沟排泄；对涌水压力大，但流量小的岩溶裂隙型涌水采用“以堵为主”的原则，可灌浆形成一定厚度防渗固结圈，以防止裂隙沟通围岩中的含水层或含水体而产生岩溶裂隙型涌水灾害。

对较大流量的季节性集中涌水，首先查清涌水地表补给来源，从地表引排无疑是最经济有效的，不具备地表处理条件的，则需在地下处理，处理方式主要有封堵、排泄两种思路。

4.1 封堵处理

岩溶地区地下水位变动带的隧道发生涌水的管道本身为一个补给、径流和排泄较为稳定的地下水系统，地下洞室开挖如果遭遇管道会破坏其径流通道，影响其泄水能力。管道区岩溶很发育，岩体本身整体性差，地下洞室爆破开挖后形成松弛圈，进一步降低围岩的抗渗能力和稳定水平。管道涌水区域地下水压力不均衡，枯水期可能水量较小或者无水，暴雨后由于排泄能力有限，造成地下水位迅速升高，外水压力增大，集中涌水部位的前后洞段也将出水，并影响洞室围岩的稳定和衬砌结构的安全，洞室不能安全稳定的运行。

图4所示，如果岩溶管道上下游通道清楚，为保证天然的径流通道的畅通，可封堵隧道范围内的天然管道，通过人工涵洞置换原过水通道。设置沉砂池，防止通道的淤塞；设置防水检修门，通道内可清理沉渣，可维修；涵管与隧道排水沟通过双向闸阀相连，可利用隧道（洞）排水系统补充排泄天然管道排泄能力的不足。对隧道一定范围的围岩中溶洞进行充填封堵，并进行径向防渗固结灌浆，形成足够厚度的防渗固结圈以承担排泄能力不足造成的水位短暂性壅高产生的外水压力，防渗固结圈在原管道体系两侧沿地下洞室轴线方向需要延伸得足够长，以避免壅高的地下水窜入隧道其他洞段。固结圈内设置排水孔，排泄固结圈内的少量水流，引入隧道中排沟，保证洞内的干燥和结构的安全［17］。

4.2 泄水洞排水处理

对饱水带以上地下水位变动带的交通和铁路隧道，发现涌水问题常在施工期，甚至是运行期。此时，隧道涌水部位两端大部分洞段开挖支护均已成型，设计通常并未预留有足够泄水能力的泄水通道，隧道衬砌往往按照无压隧道的衬砌考虑，这类涌水问题的处理受到很多因素的，最终处理多数采用新增泄水隧道的排水处理方案。前文所述沪昆高铁的岗乌隧道、麻拉寨隧道和白岩脚隧道，均采用泄水洞方案进行排水。成贵高铁玉京山隧道巨型暗河溶洞、贵州六威高速鸡冠山隧道和毕镇高速大寨隧道的季节性涌水问题处理，也将采用泄水洞排泄方案。

图4 地下水位变动带的隧道岩溶管道封堵示意图Fig.4 Schematic diagram of tunnel karst pipeline plugback in groundwater level fluctuation zone1-地下洞室空间 2-地下洞室内排水沟渠 3-岩溶管道4-集中涌水 5-检修防水门 6-沉砂池 7-人工涵洞8-人工涵洞与隧道内排水沟渠之间的连接通道 9-双向水量控制阀 10-原岩溶管道封堵体 11-防渗固结灌浆孔12-围岩体中灌浆形成的防渗固结圈 13-防渗固结圈中的排水孔

泄水洞需选择至低于隧道高程的邻谷的最经济线路，一般泄水洞的泄水流量为每秒数立方米至十几立方米，洞径以满足施工需求为主。一般长大隧道泄水主路线为垂直于隧道，泄水洞的设计应在水患严重段与隧道并行，对涌水进行集中引排，后垂直隧道排泄至低邻谷。并行段的引排至关重要，进口端需布置支洞或排水孔，具体设计应根据施工期间补勘查明岩溶发育规律及施工揭露岩溶情况进行布置，充分引流，降低主隧道的地下水位。鸡冠山隧道泄水洞引排段引排措施见图5。

图5 鸡冠山隧道泄水洞溶洞引水支洞布置示意图Fig.5 Layout of diversion branch tunnels of karst cave in Jiguanshan tunnel

5 结 语

随着我国交通网的不断完善，隧道（洞）建设向地形深切割、地质条件复杂的西南地区发展，西南地区可溶岩分布广泛，而岩溶地区隧道地下水位变动带的涌水问题往往容易被忽视，处理经验不足，近几年在灾害性降雨条件下，隧道出现涌突水影响或中断行车时有发生。通过总结相关案例的经验和教训，得出：

（1）岩溶地区隧道勘察要详细查明岩溶地下水系统，分析判断隧道与岩溶管道系统的关系；要查清隧道所处岩溶地下水动力分带，查明地下水涨落变化规律。

（2）施工期间应根据隧道开挖揭露情况及时进行补充勘察。补充勘察尽量在汛期进行，对涌水量做出尽可能准确的判断，对涌水压力做好监测，为设计变更提供地质依据。

（3）施工期间发现岩溶现象，不宜直接进行封堵，不可破坏原有岩溶泄水通道。

（4）可溶岩地区隧道，因岩体强度较高，Ⅲ级围岩较多，设计的混凝土衬砌抗外水压能力差，可在涌水洞段及其影响范围进行径向防渗固结灌浆，形成一定厚度的防渗固结圈以承担排泄能力不足造成的水位短暂性壅高产生的外水压力。

（5）岩溶涌水泥沙含量重，常规衬砌环形排水系统运营期一般排水能力有限或处于失效状态，“环形排水系统+中心沟”排水方式可靠性差，一般在查清岩溶管道系统的情况下可充分利用原有岩溶管道系统，或直接采用泄水洞方案泄水。

（6）运营期发生涌水的隧道多采用泄水洞方案彻底解决问题，岩溶涌水不同于基岩裂隙渗水，如泄水洞与涌水通道不能直接连通，泄水洞方案同样不能取得满意效果，泄水洞应在进水端采取充分的地下水引排措施，保证管道水能顺利进入泄水洞。

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