刘光士 ，丁秀美

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2. 成都理工大学，成都 610059)

1 工程概况

壁板坡特长隧道是上海至昆明(沪昆)铁路客运专线的控制性工程之一，全长约14.8 km，最大埋深约750 m，进口位于贵州盘县红果镇上纸厂村，出口位于云南省富源县后所镇三丘田村。隧道穿越一系列碳酸盐岩地层，由碳酸盐岩构成的可溶岩段累计长度10 143 m，占隧道总长的68.53%。为了降低施工风险，全隧道设计“人”字坡及分修方案，进口合修，出口分修，最大线间距约为167 m；进口高程1 832.97 m，采用25‰坡度上坡，出口高程1 885.97 m，采用18‰坡度下坡。勘察期间经调研论证，在隧道左侧设置贯通平导，并提前施工，目的在于提前排水，降低正洞的施工风险[1]。

隧道平导于2010年10月开始施工，2014月6月5日贯通；正洞左线于2011年1月1日开始施工，2014年12月25日贯通； 2015年6月7日右线贯通。施工期间，隧道产生大量涌水，2014年雨季隧道雨季最大涌水量达19.27×104m3/d，对施工产生严重影响。

2 隧址区工程地质与水文地质条件分析

2.1 地形地貌

隧址区位于贵州高原西部的老黑山山脉北段，山脉呈北东-南西走向，山脊高程一般2 184～2 310 m，主峰高程2 733.9 m，属条形高中山，具构造剥蚀、溶蚀地貌特点。山间槽谷较发育，局部平台上呈串珠状分布有溶蚀洼地、落水洞、漏斗等岩溶形态和景观[2]。

2.2 地层岩性

隧址区内出露有石炭系、二叠系、三叠系、第三系和第四系地层，其中洞身直接穿越的地层有飞仙关组(T1f)、宣威群(P2xn)、峨眉山玄武岩组(P2β)、茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)、梁山组(P1l)、马平群(C3mp)和黄龙群(C2hn)，其岩性特征及分布见图1和表1。

2.3 地质构造

隧址区地处南岭东西向复杂构造带西段之北缘，为北北东向新华夏系构造与莲花状构造接壤地带，构造形迹复杂，发育一系列总体为北北东向平行排列的开阔短轴褶曲和高角度压性逆冲断层，构造线呈“S”形。隧道洞身位于东侧的燕子岩-小竹箐背斜与西侧弥勒-富源大断裂间。隧道进口可溶岩层倾角70°～45°。区内断层可分为3组，即NNE组、EW组和NE组，其中EW组和NE组断层将NNE组断层错开、改造、叠加，形成了复杂的构造格局。隧道穿越的6条较大规模断层分别为杨梅山断层(NE组)、发伍多-东铺断层(NNE组)和迤后所-羊洞断层(NNE组)、大落冲断层(F1)和F3断层等。发育NEE组、NE组和NWW组等3组节理，与层面近于垂直，间距一般在0.2～1 m。

图1 壁板坡隧道隧址区工程地质简图

地层岩性特征在洞身段出露范围飞仙关组(T1f)厚286～864 m,以紫红、灰绿色粉砂岩、泥质砂岩及泥岩为主D1K991+925-D1K992+435宣威群(P2xn)以灰绿色泥岩、粉砂岩、砂岩为主,夹煤层D1K892+916-D1K894+90峨眉山玄武岩组(P2β)厚300～597 m,以灰绿色、褐黄色玄武岩、玄武质凝灰岩为主D1K977+655-D1K978+313、D1K981+710-D1K982+906、 D1K984+94-D1K988+602茅口组(P1m)厚440～560 m,为灰至浅灰色厚层-块状灰岩、燧石灰岩D1K978+313- D1K979+220、D1K988+ 608-D1K989+6、D1K990+117-D1K991+70栖霞组(P1q)厚100～127m,为灰至深灰色厚层-块状灰岩、燧石团块灰岩D1K979+220-D1K979+427梁山组(P1l)厚35～100 m,为灰色薄至中厚层状石英砂岩及泥岩夹煤线D1K979+427-D1K979+586马平群(C3mp)厚70～125 m,以浅灰至深灰色中厚层至块状灰岩为主D1K979+586-D1K979+796黄龙群(C2hn)厚350～457 m,为灰色中厚层至块状灰岩、白云质灰岩和白云岩D1K979+796-D1K980+285摆佐组(C1b)以灰白、浅肉红色厚层至块状灰岩、白云质灰岩为主D1K980+285- D1K980+906大塘组(C1d)以深灰色中层状含燧石团块泥质灰岩为主D1K980+906-D1K981+710

2.4 水文地质条件

区内地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水等3类。其中松散岩类孔隙水少量分布。基岩裂隙水主要分布于非可溶岩地层中，其中峨眉山玄武岩的枯季径流模数为0.73～1.8 l/s·km2，富水性属中-弱；飞仙关组(T1f)的枯季径流模数为0.94～2.73 l/s·km2、宣威组(P2xn)的枯季径流模数0.94～2.73 l/s·km2，富水性均为弱，而梁山组(P1l)属于隔水层。

碳酸盐岩岩溶水可分为2个亚类，一是碳酸盐岩裂隙溶洞水，赋存于栖霞组-茅口组岩性段和摆佐组-黄龙群-马坪群岩性段，前者迳流模数为5.23～11.26 l/s·km2，地下水以管流为主，含水极不均一，富水性强-中。在无隔水层情况下，地下水以岩溶泉及暗河出口形式从河谷地带排泄出地表。后者径流模数3.3～4.72 l/s·km2，富水性强-中。二是碳酸岩盐夹碎屑岩裂隙溶洞水，赋存于永宁镇组(T1yn)和大塘组(C1d)，其中永宁镇组(T1yn)的径流模数3.8～8.3 l/s·km2，富水性强-中，大塘组的径流模数0.71～0.8 l/s·km2，属于富水性贫乏岩组。

隧址区为南盘江、北盘江分水岭地区。大气降水是地下水主要补给源，在可溶岩分布区，大气降水通过落水洞、漏斗迅速落入地下，补给地下水。而非可溶岩地层区，大气降水则沿岩石的裂隙或孔隙渗入地下。前期勘察经调研论证认为，隧址区进口段地下水由南向北运移，出口段地下水由北向南运移，隧道洞身主要位于地下水水平循环带内。

3 隧道施工期可溶岩段涌水长期观测

壁板坡隧道进口段平导与正洞左线线距约31 m，左线与右线线距0～84 m。在壁板坡隧道的平导和正洞施工过程中，陆续揭露了一系列出水点。施工期对这些出水点进行了系统的长期观测，发现涌水点主要集中在平导进口段PDK978+460～PDK980+380和正洞左线的进口段D1K978+704～D1K981+640。下面以进口典型出水点的观测数据为例分析出水特征。

2011年7月24日19时，平导开挖至PDK978+699时，掌子面右侧边墙揭露一裂隙型溶洞，溶洞沿N30°E/74°S陡倾节理发育，推测延伸至正洞左线里程D1K978+734处，左线开挖至此处时未揭露到。溶隙开口宽1.5 m、高4 m，充填棕黄色中细砂。细砂掉落后，目测高约12 m，横向深4～5 m。溶隙中部有股状出水。隧道正洞左线D1K978+701～+711于2011年12月8日～15日开挖完成，在D1K978+702处左侧边墙上部拱腰处揭露1#溶洞，在D1K978+704～+707.8段揭露2#溶洞，在D1K978+707.8处揭露3#溶洞。其中1#溶洞开口呈椭圆形，长2.5 m，宽1.5 m，斜向上发展，高2.5 m，无充填，无其他通道；2#溶洞在D1K978+704～+707.8段位于洞身范围内，被挖掉，在D1K978+707.8中心拱顶处沿层面斜上方发育，开口呈狭长型，环向长3.2 m，宽1.5 m，向上2～3 m后开始变窄，看不到顶；3#溶洞在在D1K978+707.8左侧边墙处，溶洞开口直径约2 m，向上发展，深1 m，无充填。D1K978+702～+704开挖支护时间为2011年12月8日～15日，而D1K978+701～+711段二衬暂未施做，预留观测。对该段涌水特征进行了长期观测，动态变化特征见表2和图2。可见，隧道涌水与降雨关系密切，其中平导在大-暴雨当天约24 h内达到出水峰值。而正洞左线在大-暴雨后约36 h内达到出水峰值。在仔细对比了该段平导和正洞的涌水特征后发现，两洞涌水点的通道并没有直接贯通。

长期观测中也发现，1#、3#溶洞开挖揭示至2014年6月份，未见有涌水情况。

4 隧道施工期间岩溶水涌水特征分析

4.1 岩溶水过水通道特征分析

壁板坡隧道过水通道大多发育在中-厚层灰岩岩体中(栖霞组、茅口组灰岩段)，在开挖揭露时大部分有出水。典型出水通道有：平导进口PDK978+460出水点为无充填宽张溶隙发育成为过水通道，开挖过程出水；平导进口PDK978+699过水通道充填中细砂；PDK980+372～+380出水点涌水夹有大量泥沙；左线D1K978+704出水点形成向上延伸椭圆形管道，局部充填中细砂及少量卵砾石；左线D1K980+004出水点为管道仰拱冒水；左线D1K980+770出水点为无充填溶隙出水；左线D1K981+580～+640出水点为断层破碎带内，开挖过程无出水现象，雨季出水；D1K988+535出水点为过水通道仰拱冒水；D1K988+535出水点为过水通道出水，局部底部存在卵砾石。这些出水点的特征表现为溶隙局部无充填，存在水流冲刷过等过水痕迹，在平缓处充填砂黏土或中细砂，周边均没有石灰华等结晶体，形成过水通道的管道，一般向上延伸，看不到尽头，洞底碎块石磨圆度较好，大多为卵砾石。

表2 壁板坡隧道进口段的平导和正洞左线典型涌水点涌水动态特征表

图2 壁板坡隧道进口段DK987+704 m处出水量与降雨量关系曲线

隧道进口段，地表河流切割强烈、地形陡峻，为溶蚀-侵蚀-构造形态组合[3]。从地表至隧道洞身，表层岩溶强烈发育，岩体溶蚀破碎严重。根据洞身钻孔(深孔)岩芯分析，可将垂向过水通道分为三段，第一段孔深0～125 m，为强烈溶蚀段，过水通道由众多溶隙、落水洞及下部管道组成，地表水会快速入渗；第二段孔深125～205 m，少量溶洞与溶孔发育，过水通道由溶隙和管道组成，能形成全贯通式过水通道；第3段205 m至隧道洞身，岩溶弱发育，过水通道主要由管道和少量溶隙组成。本区新构造运动特点是整体间歇性抬升，其分期大致对应了过水通道这3段，第三段过水通道由于构造稳定期短，因而以垂向小通道为主，横向联系相对较弱。暴雨入渗至第二段全贯通式过水通道时，进口段受地形影响，在下渗的同时也向南侧渗流。左侧平导开挖，加大了第三段内的岩溶水排泄，减小第二段侧向渗流水头，从而减少了右侧正洞第三段过水通道的流量。施工期实际观测显示，平导在大-暴雨当天约24 h内达到出水峰值，比正洞左线早约12 h；平导出水量是正洞左线的两倍，右线无异常出水。

4.2 洞身所处岩溶水循环带分析

在可溶岩段的9个出水点中，有7个在开挖过程有出水，其中有两次仰拱冒水。施工时期出水点观测，旱季出水量小，甚至断流，雨季出水量大，而且出水口具一定压力，出水量直接受降雨影响。2处仰拱冒水点，雨季出水口压力增加，但出水量常年变化不大。由此判断，隧道洞身位于水平流动带上层，岩溶水在雨季潜水面上升时作水平运动，在枯季潜水面下降时作垂直运动[4]。

4.3 涌水量预测计算及修正

隧道洞身穿越的碳酸盐岩段涌突水量采用水均衡原理的降水入渗系数法来预测计算。依据《铁路工程水文地质勘察规范》(TB10049-2004)中式B1.1.2计算正常隧道涌水量为Qs:

Qs=2.74a×W×A

Q=nQs

式中，Q为雨季最大涌水量(m3/d)；Qs为隧道正常涌水量(m3/d)；A为汇水面积(km2)，按隧道埋深、地形、地质构造、综合因素考虑的隧道地下水汇水范围；W为年平均降雨量；α为入渗系数，根据区域数据采用经验值。

雨季最大涌水量Q的计算结果是指隧道在雨季施工时的最大可能涌水量，按正常涌水量的n倍估算，估算隧道正常涌水量为93 800 m3/d，最大涌水量为320 600 m3/d。该隧道从人字坡分开，估算结果为进口最大涌水量189 900 m3/d，出口段最大涌水量130 700 m3/d。根据施工期间观测，2014年9月17～18日进口段隧区遇近20 a最大降雨量为169.1 mm，最大涌水量为189 608 m3/d；出口段2014年最大降雨量为64.2 mm，最大涌水量为3 110.4 m3/d，根据收集当地最近20 a气象资料，日最大降雨量为147.3 mm，以此推算，隧道出口段最大涌水量为7 136 m3/d。采用水均衡原理的降水入渗系数法来预测计算，隧道总涌水量相差较大，但隧道进口预测计算与施工期间实际最大涌水量基本一致，相差0.154%。按水均衡原理的降水入渗系数法来预测计算的正常涌水量不变Qs=93 800 m3/d，隧道进出口地区同时达到最近20 a最大日降雨量，该隧道实际最大涌水量为196 744 m3/d。所以，由正常涌水量估算最大涌水量的估算参数n≈2.1。

其他估算方法，如用地下水径流模数法计算得到的隧道正常涌水量为42 447 m3/d，最大涌水量为63 670 m3/d，与实际相差较大。根据相邻工程盘西线的胜景关隧道采用均衡法预测最大涌水量为95 510 m3/d，施工期间实际涌水量为92 000 m3/d；平关隧道预测最大涌水量为113 100 m3/d，施工期间实际涌水量为108 600 m3/d，估算结果与实际涌水量较接近。

所以，采用水均衡原理的降水入渗系数法来预测计算隧道洞身穿越的碳酸盐岩段总涌突水量的方法是适用的，关键是由正常涌水量估算最大涌水量的估算参数n的取值。参数n主要与岩溶水通道大小形状、过水坡度、隧道洞身所处的地下水循环带位置、隧区地下水分水岭和溶蚀基准面等有关。壁板坡隧道根据实际涌水量进行反算，应取值n=2.1。

5 结论

壁板坡特长隧道是上海至昆明(沪昆)铁路客运专线的控制性工程之一，全长约14.8 km，隧道穿越的可溶岩段累计长度10 143 m，占隧道总长的68.53%。隧道可溶岩段涌水特征分析是支护工程设计的基础和依据。施工期间对可溶岩段涌水特征进行了长期的系统观测，基于现场前期勘察、施工期地质调查和涌水观测成果，对壁板坡隧道施工期可溶岩段涌水特征进行了系统分析，主要取得如下认识：

(1) 隧址区碳酸盐岩类可溶岩发育，在长期地质演化过程中，过水通道随深度不同，垂直分带特征显著，根据钻探，0～125 m深，为强烈溶蚀段；125～205 m深，溶洞与溶孔发育，形成全贯通式过水通道；205 m至隧道洞身，过水通道主要由管道和少量溶隙组成，过水通道相对独立，该段横向联系相对较弱，没有相互贯通形成暗河。

(2) 隧洞进口段出水点特征分析及涌水观测表明，左侧平导出水点与正洞左线出水点的直接水力联系弱；隧洞涌水与降雨关系密切，但平导在大-暴雨当天约24 h内达到出水峰值，而正洞左线则需要36 h；平导出水量是正洞左线的两倍，平导排水效应较明显。隧道洞身位于地下水水平流动带上层。

(3) 采用水均衡原理的降水入渗系数法来预测计算隧道洞身穿越的碳酸盐岩段总涌突水量的方法是适用的，本工程由正常涌水量估算最大涌水量的估算参数n≈2.1。

(4) 岩溶隧道施工期间应根据出水情况和溶洞(缝)延伸、充填情况及其中夹泥、砂和卵砾石、冲刷痕迹、没有石灰华等过水通道特征，判定岩溶水危害与否，决定隧道施工下一个工序。

(在此文完成过程中得到中铁二院工程集团有限责任公司壁板坡隧道勘察小组成员喻洪平高工、徐学渊高工、刘熙高工、张营旭工程师等；成都理工大学地质灾害防治与地质灾害环境保护国家重点实验室许模教授、张强教授等；中铁五局四、五公司曾鹏高工、陈明高工、彭亮亮工程师和王铁山工程师等人的帮助，在此表示衷心的感谢！)

[1] 徐学渊,屈科．壁板坡隧道岩溶水系统地下分水岭确定及平导位置研究[J].西南交通大学学报，2012,(增刊3):0258-2724．

[2] 中铁二院工程集团有限责任公司.长昆线盘县至曲靖段壁板坡隧道工程地质说明书[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司档案馆，2011．

[3] 铁道部第二勘测设计院.岩溶工程地质[M].北京：中国中铁出版社，1984．

[4] 张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理[M]．北京：地质出版社,1994.