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岩溶突水是碳酸盐岩山区隧道修建过程中最常见的工程地质问题和影响隧道正常营运最主要的安全隐患,且亦可能造成地表水源枯竭、地面塌陷等环境地质问题。
平阳隧道为湘渝高速公路洪酉段(重庆市秀山县洪安至酉阳县)重难点工程和控制性工程之一,隧址区强岩溶化碳酸盐岩广布。隧道全长3358.3m,最大埋深428m。隧道横穿平阳盖富水向斜构造,岩溶水文地质条件复杂。工程建设面临洞口偏压、软弱围岩、岩溶、煤层瓦斯、可燃油气、深埋高水头突水突泥等工程地质问题。特别是受强岩溶、高压、富水等因素的影响,在工程建设期间多次出现突水突泥事故,给工程建设造成了严重的影响。岩溶突水问题成为制约工程建设和工程运营的主要问题,基于此,本文选取该题进行专门研究。
本文以隧道区工程地质勘察和专项水文地质调查为基础,分析了平阳隧道所在的平阳盖向斜蓄水构造特征、区内岩溶发育规律、岩溶水系统特征、地下水赋存运移及动态变化特征等岩溶水文地质条件;结合工程建设过程中突水观测数据,综合分析了隧道区岩溶突水的形成机理。采用多种方法对隧址区涌突水进行了初步预测,得出隧道不同洞身段涌突水特征及水量,进而提出了预防岩溶突水的对策建议。该项研究对于类似条件下的工程建设具有借鉴价值。
通过对平阳盖富水向斜水文地质特征及其隧道开挖后突水特征的分析,在以下几个方面取得了一些新的认识与结论:
1、根据勘察及隧道开挖揭露的岩溶形态特征,对区内岩溶发育规律进行了深入研究,将岩溶发育带分为均质碳酸盐岩带、可溶岩与局部非可溶岩接触带两种类型。
2、平阳盖富水向斜具有完整清晰的水文地质边界条件;向斜区内并未出现自南而北向平江河谷贯通的岩溶管道发育,而是受岩性、构造及汇水条件等因素的共同作用,被分割成一系列小的水文地质单元,形成多个岩溶大泉和地下河系统;基于这些认识,对与隧道突水紧密联系的岩门口、阳雀湾地下河系统特征进行了系统论述。
3、本文建立了平阳盖富水向斜的空间水文地质概念模型,指出上部三叠系碳酸盐岩含水层系统与隧道无直接水力联系,隧道岩溶突水的来源为二叠系碳酸盐岩含水系统,并确定了二叠系吴家坪组底部的碎屑岩组从整体上已不具备隔水性质。
4、基于两个突水段岩溶及地下水赋存规律的差异及突水特征综合分析,平阳隧道岩溶突水可分为顶位交错模式和上侧位交叉模式,其中ZK38+790段突水为顶位交错模式突水,突水规模高达百万方,整个突水过程从时间上可分为溶腔积水突水、稳定涌水、管道突水突泥等三个阶段,对应隧道围岩变形的三个阶段。最后一次百万方特大岩溶突水突泥主要是在高水头压力作用下,隧道与上部水平径流带管道区的弱透水岩体在压裂破坏后导渗,并逐步贯通,构成统一水力联系,导致上部岩门口地下河管道内赋存的地下水向隧道排泄,形成大规模突水突泥。
5、YK39+391段突水突泥为隧道开挖揭露吴家坪组底部软弱碎屑岩段后,进入可溶岩、非可溶岩接触带的岩溶发育带后所产生的溶洞(腔)突水,属纵向断面上侧位交叉模式突水。隧道在穿越该突水段时曾揭露多处溶洞(溶腔),前后两次发生突水突泥中初次为掌子面突水;相隔6个月后出现顶拱突泥,规模均为6万方。突水突泥主要来源于该岩溶发育带溶腔(溶洞)积水或底部沉积泥沙。隧道开挖围岩应力释放,导致岩体松动,在高水头压力作用下,洞穴内的积水和泥沙突破薄弱且稳定性差的弱透水岩体,从而形成突水突泥。
6、采用地下径流模数法、降水入渗法、落合敏郎公式计算法、水力学分析法等多种涌水预测方法对隧道分段进行了涌突水预测,指出各段涌水量及可能发生突水部位,为指导隧道开挖及防水治水奠定了基础。
7、结合两个岩溶突水段岩溶发育特征、突水来源及形成机理等因素,分别提出了防治对策建议。