邹远华 王 朋 周 航 宋 章 徐正宣

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

随着我国铁路交通网络建设重心的逐步西移，涌现出一大批复杂艰险山区铁路，这些铁路区域地质构造作用强烈，水文地质条件异常复杂，隧道突涌水成为山区铁路隧道勘察设计和施工中最具危害性的地质灾害之一[1-2]。据施工现场统计，因隧道突涌水灾害造成的重大安全事故高达80%，这不仅会给隧道施工带来困难，造成严重的工期延误和经济损失，甚至会诱发水资源枯竭、引起地表塌陷等环境地质灾害，造成人员伤亡，威胁到社会稳定与经济发展[3-4]。例如，渝怀铁路圆梁山隧道在施工中发生70余次突涌水事故，突水量达 6 900 m3/h，造成9人伤亡及严重的工期延误[5]；宜万铁路野三关隧道多次发生大型突涌水事故，隧道最大涌水量达30万m3/h，造成10人死亡[6]。因此，进行深埋隧道水文地质特征及突涌水危险性评价研究，对复杂山区铁路前期勘察选线设计、后期施工及支护结构设计都具有非常重要的工程实际意义。

藏东南某隧道位于昌都—思茅地块中部，主要发育母诺向斜、王卡乡背斜及沿母诺向斜核部附近发育的妥坝断裂带，区内构造作用强烈。王卡乡背斜核部出露三叠系波里拉组灰岩，地表常见溶洞、溶腔等大型岩溶形态。隧道南侧的灰岩出露区有大量温泉出露，显示王卡乡背斜内波里拉组碳酸盐岩地层赋存有较为丰富的深循环地下水，可能造成严重的涌突水灾害。因此，本文立足于我国复杂山区隧道建设，以藏东南某隧道为工程依托，通过研究分析隧道地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质特征等，分析岩溶发育程度和岩溶发育规律，根据岩溶水补径排条件，进行水文地质单位划分。在此基础上，开展隧道突涌水危险性综合评价，以期为类似工程地质条件下的深埋长大隧道突涌水防治提供科学依据。

1 隧道工程地质概况

本文研究的铁路东起于成都铁路枢纽，西至拉萨市，途经四川省雅安市、泸定县、康定市，西藏自治区昌都市、波密市、林芝市，初步规划线路全长 1 567 km[7-8]。研究隧道位于青藏高原东南方，进口位于扩达乡乡府北侧卡曲右岸半山坡上，向西穿越母诺山南侧，出口位于王卡乡乡府南侧史曲右岸。

1.1 地形地貌

此隧道位于青藏高原东部山原区的横断山脉北端中西部，隧道全长 20 247 m，最大埋深约 1 113 m，属于典型深埋长大隧道。区域地形地貌受区内地层及构造控制，具有构造剥蚀地貌的显著特征。工程区主要为斜坡沟谷地形，地形起伏落差较大，隧道地面标高 3 655～5 045 m，最大相对高差 1 390 m，自然坡度一般10°～65°，局部为陡壁，为典型高山峡谷地貌特征的藏东南谷地。

1.2 地层岩性

隧道地质纵断面如图1所示，工程区岩性复杂，地层单元属唐古拉横断山地层区昌都分区，主要包括古生界和中生界地层。其中泥盆系、石炭系及下二叠统以碳酸盐岩为主；上二叠统以砂岩、含有机质的泥页岩和煤层为主；上二叠统底部及下三叠统以基性-酸性火山岩为主，夹少量砂页岩；上三叠统至侏罗系主要以砂泥岩夹灰岩为主；上三叠统波里拉组(T3b)为质地较纯的灰岩、 白云岩，是工程区主要的地下水赋存地层。

图1 藏东南某隧道地质纵断面图

1.3 地质构造

隧道位于昌都地块中部，东、西两侧分别为金沙江和澜沧江结合带，受印支期东、西两侧双向俯冲挤压，昌都地块内部自侏罗纪起便形成狭长的近南北向中-新生代的沉积盆地。后经持续挤压，沉积盆地产生大量的对冲(和背冲)断裂组合及褶皱，沉积盆地下部老地层抬升剥蚀出露，塑造了工程区区域构造及地层展布格局。隧道工程区穿越多条断层破碎带，区域地质构造作用强烈。

1.4 水文地质特征

隧道工程区各地表径流均属澜沧江水系，地表水系较为发育。隧道前段的向斜地貌区，勇曲次级支流主要沿构造线发育，而在隧道后段的背斜地貌区，史曲次级支流多横穿构造线发育。隧道工程区地下水类型较为齐全，根据工程区水文地质条件，以及赋存运移地下水的岩石类型、地下水动力特征以及储水空间类型，可将工程区地下水分第四系松散土类孔隙水、碎屑岩的基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水3个类型。结合区域地质资料、各含水介质的岩性特征及地下水赋存条件可知，第四系松散土层主要为弱富水性，泥页岩夹砂岩、砂岩夹页岩和砂、泥岩互层等碎屑岩主要为弱富水性和中等富水性，灰岩、白云岩等碳酸盐岩属强富水性。

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶发育程度

隧道出口端及其北侧有条带状或岛状出露有上三叠统波里拉组(T3b)碳酸盐岩，质地较纯。在 3 700～3 900 m高程段，灰岩条带多被史曲、勇曲及其各级支流切割，常见规模不等的地下岩溶形态发育，如溶洞、溶腔及显著溶蚀张开的溶隙等。综合分析可知，较具规模的地下岩溶形态多分布在隧道北侧，一般高于河水面(河水面高程约 3 780 m)，无水或少量渗水，如图2(a)所示；在隧道南侧的勇曲河谷多与河面齐平(高程约 3 689 m)，可见水流，如图2(b) 所示。

图2 藏东南某隧道岩溶发育程度图

结合现场地质调查，波里拉组(T3b)灰岩段多为强富水性，循环深度及径流量大，隧道涌突水风险高；察朗噶组(J1ch)和甲丕拉组(T3j)为弱-中等富水性，地下水在其砂岩段内进行较深的循环，但径流强度较小，局部可能赋存承压水；阿堵拉组(T3a)、夺盖拉组(T3d)和土脱组(J2t)为弱富水性，以表层风化卸荷带内的表层径流为主，循环深度浅，对隧道影响较小。

2.2 岩溶发育规律

隧道出口端所处的王卡乡背斜两翼(或核部)出露有上三叠统波里拉组(T3b)较纯的灰岩、白云岩。受背斜枢纽起伏影响，该可溶岩段在工程区姆多隆以北呈环形条带状分布，在姆多隆以南的工程区呈不连续岛状出露，多数被上覆阿堵拉组碎屑岩地层覆盖。根据现场调查，4 300 m以上高程段，寒冻风化作用强烈，地表岩溶迹象不明显；3 900～4 300 m高程段，多顺层发育溶蚀裂隙，岩溶不发育；3 700～3 900 m高程段，地表发育石芽、溶沟，地下发育较大规模的溶洞和溶腔等，岩溶较发育；3 700 m高程以下段，岩溶发育相对较弱，多以(溶蚀)裂隙及小溶孔为主，但其中赋存较为丰富的地下水。这些较大规模溶洞、溶腔的发育多受构造及岸坡卸荷作用控制，在隧道北侧的东荣学南、北两岸分别发育沿王卡乡背斜核部纵张裂隙及岸坡卸荷带发育的大型溶洞、溶腔，分布高程约 3 750～3 760 m之间。

3 岩溶水系统

3.1 地下水类型及其含水岩组特征

表1 隧道含水岩组特征统计结果表

3.2 岩溶水补径排条件

隧道工程区的深层径流主要发育于波里拉组灰岩条带内，受王卡乡背斜构造形变及地形切割影响，背斜北段波里拉组灰岩条带呈环状条带分布，向南因背斜枢纽起伏多次被阿堵拉组覆盖。据调查、测流分析，该灰岩条带内地下水主要排泄点有罗江温泉、娘曲温泉及勇曲灰岩段右岸的泄流排泄，根据径流总量及汇水面积的匹配关系推测，该深层径流系统的补给范围可达东荣学以北的波里拉组环形条带展布区。地下水在背斜北段的波里拉组灰岩出露区接受补给后，顺灰岩条带向深部、向南部径流，穿过东荣学、姆多隆(地表无泉点出露)及上覆的阿堵拉组直至罗江村及娘曲村附近排泄，由于在径流过程中受地温加热，泉水温度较高，罗江温泉水温24°，娘曲温泉水温32°，并在背斜南段灰岩出露区继续接受补给，向南穿过阿堵拉组，在宗多村一带以线状泄流形式排泄于勇曲。

3.3 岩溶水文地质单元划分

岩溶水文地质单元是根据地层岩性、地质构造、地形地貌、可溶岩与非可溶岩的接触关系及空间展布特征、气象和水文等条件的差异性，将工程区划分为若干单元。每个单元的地下水类型、赋水特征及运移规律相同或相似，具备相对独立的边界和补给、径流及排泄条件。根据岩溶水文地质单元划分依据，结合野外调查情况，将此隧道地下水系统划分为4个主要水文地质单元，如表2所示。

表2 隧道水文地质单元特征统计表

4 隧道涌突水危险性分析

4.1 隧道突涌水危险性评价

隧道突涌水受多种因素的影响，通过结合铁路深埋长大隧道地质资料以及前人学者的研究成果[9-10]，选择岩石的渗透性和力学性质(R1)、地质构造条件(R2)、地表汇水条件(R3)、隧道与地下水位的关系(R4)和冰川补给(R5)5个一级指标构建突涌水危险性评价体系。根据以往地质灾害危险性评价的成熟经验，借鉴目前复杂岩溶隧道的施工技术和被工程界普遍接受的风险接受准则，将非可溶岩隧道涌突水危险性划分为5个等级(如表3所示)：极高危险(Ⅴ)、高危险(Ⅳ)、中等危险(Ⅲ)、较低危险低(Ⅱ)和低危险(Ⅰ)，分值满分设置为100分，5个等级所对应的THR分值依次为>77、62～77、38～62、23～38、0～23，分值越高，级别越高，突涌水灾害的危险程度越高。

表3 危险等级划分表

根据隧道所穿越的地层岩性、地质构造及地貌、水系等地质、水文条件，将隧道分为19个区段进行突涌水危险性评价，结果如表4所示。

表4 隧道突涌水危险性评价结果表

4.2 隧道突涌水风险综合分析

本文充分考虑隧道工程区的地质构造、地层特征、岩性、水文分区特征，并结合隧道涌水量评价以突涌水危险性分区等级研究，综合确定隧道工程区危险性等级划分长度及占比，如图3所示。隧道全长 20 247 m，突涌水危险性等级总体以低-较低危险性为主，总长 16 804 m，约占隧道总长的83%；中等危险区总长 2 119 m，约占隧道总长的10.5%； 高危险段总长670 m，约占隧道总长的3.3%，分布于波里拉组灰岩条带两侧与碎屑岩的接触带附近；极高危险段总长654 m，约占隧道总长的3.2%，分布于波里拉组灰岩中段水平径流带内及阿托卡巴断层处。

图3 藏东南某隧道危险性等级划分长度及占比图

5 结论

本文通过对某铁路隧道地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质等条件的研究，分析了岩溶发育程度和岩溶发育规律。根据岩溶水补径排条件，进行了水文地质单元的划分；并在水文地质分区的基础上，进行了隧道涌水量预测和隧道涌突水危险性评价。得出结论如下：

(1)隧道波里拉组(T3b)灰岩段多为强富水性，察朗噶组(J1ch)和甲丕拉组(T3j)为弱-中等富水性，阿堵拉组(T3a)、夺盖拉组(T3d)和土脱组(J2t)为弱富水性。

(2)隧道岩溶垂向分带特征较明显，其中 4 300 m以上高程段，寒冻风化强烈，地表岩溶迹象不明显；3 900～4 300 m高程段，岩溶弱发育，多顺层发育溶蚀裂隙；3 700～3 900 m高程段，受控背斜纵张裂隙及河谷岸坡卸荷作用，岩溶较发育。

(3)隧道全长 20 247 m，低-较低危险性区长度 16 804 m，约占隧道总长的83%；中等危险区长度 2 119 m，约占隧道总长的11%；高危险区长度670 m，约占隧道总长的3%，分布于波里拉组灰岩条带两侧与碎屑岩的接触带附近；极高危险区长度 654 m，约占隧道总长的3%，分布于波里拉组灰岩中段水平径流带内及阿托卡巴断层处。