下巖溶地下水系統(tǒng)隧道工程論文
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1隧道工程條件下巖溶地下水系統(tǒng)變化特征
本文以上述影響因素為基礎對西南地區(qū)隧道工程條件下巖溶地下水系統(tǒng)的變化進行特征分析。依據(jù)系統(tǒng)邊界的變化及隧道涌水匯水面積，將隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)的變化歸納為3種類型。隧道穿越巖溶類型(巖溶含水巖組的埋藏條件)、構造特征、補給特征以及巖溶水徑流方式不同的巖溶地下水系統(tǒng)時，地下水系統(tǒng)邊界及隧道涌水匯水面積邊界的變化可大致歸于上述3種類型中的某一種。其中，Ⅰ類常見于裸露型巖溶區(qū)隧道穿越背斜構造、向斜構造及單斜構造，裸露－覆蓋型巖溶區(qū)隧道穿越背斜構造、向斜構造，亦可見于裸露－埋藏型巖溶區(qū)隧道橫向穿越向斜構造或隧道走向與巖層走向垂直穿越單斜構造;Ⅱ類常見于裸露型巖溶區(qū)隧道穿越背斜構造，亦可見于裸露－埋藏型巖溶區(qū)隧道走向與巖層走向平行穿越單斜構造;Ⅲ類可見于裸露－覆蓋型或裸露－埋藏型巖溶區(qū)隧道縱向穿越背斜構造、向斜構造或隧道走向與巖層走向平行穿越單斜構造。
2典型案例分析
研究區(qū)位于黑龍?zhí)丁俣蓴嗔岩詵|，滇池北東岸，緊鄰昆明市區(qū)。區(qū)內褶皺構造以大凹子背斜為主，背斜走向北東—南西，核部為寒武系地層，兩翼產狀較平緩，依次為泥盆系、石炭系、二疊系地層。選擇研究區(qū)金汁河地下水系統(tǒng)(Ι)作為隧道工程巖溶地下水系統(tǒng)典例。本文假設3種隧道穿越方案，分別將不同隧道穿越方案影響下的巖溶地下水系統(tǒng)與天然巖溶地下水系統(tǒng)的特征進行對比分析，并初步預測隧道涌水量及其涌水危險性。
2.1天然巖溶地下水系統(tǒng)特征
金汁河地下水系統(tǒng)(Ι)位于研究區(qū)西北側，靠近昆明盆地邊緣。該系統(tǒng)北側以金汁河和盤龍江的地下水分水嶺為界，西側以第四系和基巖的接觸界線為界，東側和南側均以地下水分水嶺為界。金汁河地下水系統(tǒng)(Ι)可劃分為九龍灣地下水系統(tǒng)(Ι－1)、莊科地下水系統(tǒng)(Ι－2)和石頭山地下水系統(tǒng)(Ι－3)3個子系統(tǒng)。九龍灣地下水系統(tǒng)(Ι－1)位于金汁河地下水系統(tǒng)的北西側，大凹子背斜的北西翼，其北東側以金汁河和盤龍江的地下水分水嶺為界，南西側以第四系與基巖的接觸界線為界，北西側以地表分水嶺和可溶巖與非可溶巖的接觸界線為界，南東側以可溶巖與非可溶巖的接觸界線為界。主要的含水巖組為P1Y、C2w和D3z地層。系統(tǒng)內可溶巖和非可溶巖呈單斜構造互層狀出露，呈北東—南西向展布。莊科地下水系統(tǒng)(Ι－2)位于金汁河地下水系統(tǒng)的中部、大凹子背斜的北西翼，其北側、西側與東側以可溶巖與非可溶的接觸界線為界，巖層近南北向展布，主要的含水巖組為1l地層。石頭山地下水系統(tǒng)(Ι－3)位于九龍灣地下水系統(tǒng)與莊科地下水系統(tǒng)之間，以可溶巖與非可溶巖的接觸界線為界，主要的含水巖組為1l地層。
2.2隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)變化特征
2.2.1方案一隧道穿越P1y可溶巖地層，其走向與巖層走向近于平行。該區(qū)域地質條件較簡單，為單斜構造，無斷裂發(fā)育。P1y碳酸鹽巖上覆P2β巖漿巖，巖層呈北東—南西走向，傾向北西。從天然巖溶地下水系統(tǒng)劃分來看，隧道屬于P2β巖漿巖地下水系統(tǒng);從剖面上看，因隧道的開挖，隧道成為Ι－1系統(tǒng)新的排泄點。隧道施工影響范圍內，地下水循環(huán)發(fā)生改變。在隧道工程的影響下，將Ι－1系統(tǒng)北西側以滲透系數(shù)低于隧道所在位置天然圍巖的1/10的緩沖帶邊界為邊界進行調整(圖2a)，隧道涌水匯水面積的勾畫可與天然巖溶地下水系統(tǒng)的劃分相同。
2.2.2方案二隧道平行于斷裂走向穿越1l可溶巖地層，斷層性質為逆斷層，且導水。因斷層的錯動，使1l可溶巖地層再一次出露地表。D2h、2d地層相對隔水，被圈閉的1l地層形成一相對獨立的巖溶地下水系統(tǒng)(Ι－3)。從天然巖溶地下水系統(tǒng)劃分來看，隧道屬于Ι－3系統(tǒng);從剖面上看，隧道在開挖過程中，以隧道為中心形成新的勢匯，同時襲奪Ι－2系統(tǒng)與Ι－3系統(tǒng)的水量，系統(tǒng)內地下水的運動特征和補排關系發(fā)生改變。在隧道工程的影響下，應調整天然巖溶地下水系統(tǒng)邊界，將Ι－2系統(tǒng)與Ι－3系統(tǒng)合并為一個完整的地下水循環(huán)體系，此時隧道涌水的匯水面積增大。
2.2.3方案三隧道走向與單斜地層走向近于垂直，且隧道穿越兩個相互平行的巖溶地下水系統(tǒng)(Ι－1，Ι－2);隧道在非可溶巖段施工時，及時襯砌止水。從隧道縱剖面上看，隧道在開挖過程中，成為系統(tǒng)新的排泄點。隧道施工破壞了原有的滲流場平衡，致使地下水的運動特征和補排關系發(fā)生改變。在隧道工程的影響下，將Ι－1系統(tǒng)和Ι－2系統(tǒng)北西側以隧道線路所在平面與非可溶巖層面相交線在平面上的投影為邊界進行調整，隧道涌水匯水面積的勾畫可與天然巖溶地下水系統(tǒng)的劃分相同。
2.3隧道涌水量預測及危險性分析
假設隧道涌水過程已經與改變之后的巖溶地下水系統(tǒng)循環(huán)過程相平衡，采用基于水均衡原理的降雨入滲系數(shù)法初步預測計算隧道的涌水量。從表2中可以看出:隧道工程的施工使地下水系統(tǒng)的邊界發(fā)生了移動，但隧道涌水匯水面積的勾畫，方案二改變，方案一和方案三與天然巖溶地下水系統(tǒng)的劃分相同。由此可知，方案一、方案三屬于隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)變化類型Ⅱ，方案二屬于隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)變化類型Ⅲ。方案二中，因匯水面積的增大，隧道總正常涌水量增加1813.61m3/d，雨季最大涌水量增加3627.22m3/d，單位長度正常涌水量增加2.78m3/(d•m)，單位長度最大涌水量增加5.56m3/(d•m)，隧道發(fā)生涌突水的危險性顯著提高。
3討論
(1)地下河管道系統(tǒng)發(fā)育的地區(qū)，地下河是該區(qū)地下水主要的運移通道，也是巖溶地下水系統(tǒng)主要的徑流、排泄通道。為了分析隧道與系統(tǒng)天然排泄點間的補、排關系，明確隧道施工對滲流場的擾動范圍，本文將較短小的地下河管道視作“天然排泄點”。
(2)隧道施工造成開挖空間周圍應力重新分布，致使圍巖發(fā)生變形與破壞。圍巖變形范圍內應存在某一點，該點處的滲透系數(shù)與隧道所在位置天然圍巖的滲透系數(shù)成某一比例，致使在該點向隧道內與隧道外方向的巖層中，地下水流線變化明顯。實際工程應用中，隧道開挖破壞地下水水流系統(tǒng)，形成的地下水分水嶺是難以確定的。因此，可以依據(jù)隧道圍巖的變形范圍來考慮一個緩沖帶，以該緩沖帶的邊界作為隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)的劃分邊界。
(3)隧道工程引起大范圍地下水系統(tǒng)邊界的變化是一個長期的過程。隧道涌水量的計算需要在隧道涌水過程已經與地下水循環(huán)動態(tài)平衡的前提下進行。
(4)本文僅對巖溶類型(巖溶含水巖組的埋藏條件)、構造特征、補給特征、巖溶水徑流方式與隧道工程特點相組合的簡單模式進行系統(tǒng)變化特征的歸納。而對于考慮復合構造、強徑流帶特征、排泄特征、隧道施工方法等的復雜情況，還需要進一步深入探討。
4結論
本文提出隧道工程下影響巖溶地下水系統(tǒng)特征的主要因素:隧道走向與巖層走向的關系、隧道埋深與系統(tǒng)天然排泄點高程的關系和隧道與重要構造的空間關系。根據(jù)系統(tǒng)邊界的變化與隧道涌水匯水面積的勾畫，隧道工程下巖溶地下水系統(tǒng)的變化可歸納為3種類型。隧道穿越巖溶類型、構造特征、補給特征以及巖溶水徑流方式不同的巖溶地下水系統(tǒng)時，地下水系統(tǒng)邊界及隧道涌水匯水面積邊界的變化可大致歸于上述3種類型中的某一種。由典例分析可知，巖溶地下水系統(tǒng)邊界的劃分將對隧道涌水量的預測及危險性的評價產生一定的影響。本文依據(jù)西南地區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)主要特征及隧道工程特點，歸納總結隧道工程條件下巖溶地下水系統(tǒng)的變化特征，以期為巖溶隧道地質災害的正確評價與防治提供一定的參考作用。
作者：張婉婷 漆繼紅 許模 單位：成都理工大學
