下岩溶地下水系统隧道工程论文
1隧道工程条件下岩溶地下水系统变化特征
本文以上述影响因素为基础对西南地区隧道工程条件下岩溶地下水系统的变化进行特征分析。依据系统边界的变化及隧道涌水汇水面积，将隧道工程下岩溶地下水系统的变化归纳为3种类型。隧道穿越岩溶类型(岩溶含水岩组的埋藏条件)、构造特征、补给特征以及岩溶水径流方式不同的岩溶地下水系统时，地下水系统边界及隧道涌水汇水面积边界的变化可大致归于上述3种类型中的某一种。其中，Ⅰ类常见于裸露型岩溶区隧道穿越背斜构造、向斜构造及单斜构造，裸露－覆盖型岩溶区隧道穿越背斜构造、向斜构造，亦可见于裸露－埋藏型岩溶区隧道横向穿越向斜构造或隧道走向与岩层走向垂直穿越单斜构造;Ⅱ类常见于裸露型岩溶区隧道穿越背斜构造，亦可见于裸露－埋藏型岩溶区隧道走向与岩层走向平行穿越单斜构造;Ⅲ类可见于裸露－覆盖型或裸露－埋藏型岩溶区隧道纵向穿越背斜构造、向斜构造或隧道走向与岩层走向平行穿越单斜构造。
2典型案例分析
研究区位于黑龙潭—官渡断裂以东，滇池北东岸，紧邻昆明市区。区内褶皱构造以大凹子背斜为主，背斜走向北东—南西，核部为寒武系地层，两翼产状较平缓，依次为泥盆系、石炭系、二叠系地层。选择研究区金汁河地下水系统(Ι)作为隧道工程岩溶地下水系统典例。本文假设3种隧道穿越方案，分别将不同隧道穿越方案影响下的岩溶地下水系统与天然岩溶地下水系统的特征进行对比分析，并初步预测隧道涌水量及其涌水危险性。
2.1天然岩溶地下水系统特征
金汁河地下水系统(Ι)位于研究区西北侧，靠近昆明盆地边缘。该系统北侧以金汁河和盘龙江的地下水分水岭为界，西侧以第四系和基岩的接触界线为界，东侧和南侧均以地下水分水岭为界。金汁河地下水系统(Ι)可划分为九龙湾地下水系统(Ι－1)、庄科地下水系统(Ι－2)和石头山地下水系统(Ι－3)3个子系统。九龙湾地下水系统(Ι－1)位于金汁河地下水系统的北西侧，大凹子背斜的北西翼，其北东侧以金汁河和盘龙江的地下水分水岭为界，南西侧以第四系与基岩的接触界线为界，北西侧以地表分水岭和可溶岩与非可溶岩的接触界线为界，南东侧以可溶岩与非可溶岩的接触界线为界。主要的含水岩组为P1Y、C2w和D3z地层。系统内可溶岩和非可溶岩呈单斜构造互层状出露，呈北东—南西向展布。庄科地下水系统(Ι－2)位于金汁河地下水系统的中部、大凹子背斜的北西翼，其北侧、西侧与东侧以可溶岩与非可溶的接触界线为界，岩层近南北向展布，主要的含水岩组为1l地层。石头山地下水系统(Ι－3)位于九龙湾地下水系统与庄科地下水系统之间，以可溶岩与非可溶岩的接触界线为界，主要的含水岩组为1l地层。
2.2隧道工程下岩溶地下水系统变化特征
2.2.1方案一隧道穿越P1y可溶岩地层，其走向与岩层走向近于平行。该区域地质条件较简单，为单斜构造，无断裂发育。P1y碳酸盐岩上覆P2β岩浆岩，岩层呈北东—南西走向，倾向北西。从天然岩溶地下水系统划分来看，隧道属于P2β岩浆岩地下水系统;从剖面上看，因隧道的开挖，隧道成为Ι－1系统新的排泄点。隧道施工影响范围内，地下水循环发生改变。在隧道工程的影响下，将Ι－1系统北西侧以渗透系数低于隧道所在位置天然围岩的1/10的缓冲带边界为边界进行调整(图2a)，隧道涌水汇水面积的勾画可与天然岩溶地下水系统的划分相同。
2.2.2方案二隧道平行于断裂走向穿越1l可溶岩地层，断层性质为逆断层，且导水。因断层的错动，使1l可溶岩地层再一次出露地表。D2h、2d地层相对隔水，被圈闭的1l地层形成一相对独立的岩溶地下水系统(Ι－3)。从天然岩溶地下水系统划分来看，隧道属于Ι－3系统;从剖面上看，隧道在开挖过程中，以隧道为中心形成新的势汇，同时袭夺Ι－2系统与Ι－3系统的水量，系统内地下水的运动特征和补排关系发生改变。在隧道工程的影响下，应调整天然岩溶地下水系统边界，将Ι－2系统与Ι－3系统合并为一个完整的地下水循环体系，此时隧道涌水的汇水面积增大。
2.2.3方案三隧道走向与单斜地层走向近于垂直，且隧道穿越两个相互平行的岩溶地下水系统(Ι－1，Ι－2);隧道在非可溶岩段施工时，及时衬砌止水。从隧道纵剖面上看，隧道在开挖过程中，成为系统新的`排泄点。隧道施工破坏了原有的渗流场平衡，致使地下水的运动特征和补排关系发生改变。在隧道工程的影响下，将Ι－1系统和Ι－2系统北西侧以隧道线路所在平面与非可溶岩层面相交线在平面上的投影为边界进行调整，隧道涌水汇水面积的勾画可与天然岩溶地下水系统的划分相同。
2.3隧道涌水量预测及危险性分析
假设隧道涌水过程已经与改变之后的岩溶地下水系统循环过程相平衡，采用基于水均衡原理的降雨入渗系数法初步预测计算隧道的涌水量。从表2中可以看出:隧道工程的施工使地下水系统的边界发生了移动，但隧道涌水汇水面积的勾画，方案二改变，方案一和方案三与天然岩溶地下水系统的划分相同。由此可知，方案一、方案三属于隧道工程下岩溶地下水系统变化类型Ⅱ，方案二属于隧道工程下岩溶地下水系统变化类型Ⅲ。方案二中，因汇水面积的增大，隧道总正常涌水量增加1813.61m3/d，雨季最大涌水量增加3627.22m3/d，单位长度正常涌水量增加2.78m3/(dm)，单位长度最大涌水量增加5.56m3/(dm)，隧道发生涌突水的危险性显著提高。
3讨论
(1)地下河管道系统发育的地区，地下河是该区地下水主要的运移通道，也是岩溶地下水系统主要的径流、排泄通道。为了分析隧道与系统天然排泄点间的补、排关系，明确隧道施工对渗流场的扰动范围，本文将较短小的地下河管道视作“天然排泄点”。
(2)隧道施工造成开挖空间周围应力重新分布，致使围岩发生变形与破坏。围岩变形范围内应存在某一点，该点处的渗透系数与隧道所在位置天然围岩的渗透系数成某一比例，致使在该点向隧道内与隧道外方向的岩层中，地下水流线变化明显。实际工程应用中，隧道开挖破坏地下水水流系统，形成的地下水分水岭是难以确定的。因此，可以依据隧道围岩的变形范围来考虑一个缓冲带，以该缓冲带的边界作为隧道工程下岩溶地下水系统的划分边界。
(3)隧道工程引起大范围地下水系统边界的变化是一个长期的过程。隧道涌水量的计算需要在隧道涌水过程已经与地下水循环动态平衡的前提下进行。
(4)本文仅对岩溶类型(岩溶含水岩组的埋藏条件)、构造特征、补给特征、岩溶水径流方式与隧道工程特点相组合的简单模式进行系统变化特征的归纳。而对于考虑复合构造、强径流带特征、排泄特征、隧道施工方法等的复杂情况，还需要进一步深入探讨。
4结论
本文提出隧道工程下影响岩溶地下水系统特征的主要因素:隧道走向与岩层走向的关系、隧道埋深与系统天然排泄点高程的关系和隧道与重要构造的空间关系。根据系统边界的变化与隧道涌水汇水面积的勾画，隧道工程下岩溶地下水系统的变化可归纳为3种类型。隧道穿越岩溶类型、构造特征、补给特征以及岩溶水径流方式不同的岩溶地下水系统时，地下水系统边界及隧道涌水汇水面积边界的变化可大致归于上述3种类型中的某一种。由典例分析可知，岩溶地下水系统边界的划分将对隧道涌水量的预测及危险性的评价产生一定的影响。本文依据西南地区岩溶地下水系统主要特征及隧道工程特点，归纳总结隧道工程条件下岩溶地下水系统的变化特征，以期为岩溶隧道地质灾害的正确评价与防治提供一定的参考作用。
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