1、引用格式：权锋，彭艺伟，於李军，等武汉两湖隧道东湖岩溶段岩溶水文地质条件及涌突水风险分析安全与环境工程，（）：，（）：，武汉两湖隧道东湖岩溶段岩溶水文地质条件及涌突水风险分析权锋，彭艺伟，於李军，李期佳，黄兴，李银海，吴佳（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 ）摘要：随着施工精度要求的增加，隧道建设中的地质环境问题需要更为精准地提前预判与防控。在武汉两湖隧道的东湖岩溶段中，钻孔遇洞率达到 ，水动力条件强，岩溶较为发育，存在产生隧道涌突水问题的风险，因此迫切需要在隧道开挖前进行相应的预判性研究。在研究区现场调查及查阅相关勘察资料基础上，采用
2、层次分析法结合 相关性分析法选取评价因子，对隧道掘进过程中涌突水风险等级进行了分区研究，并基于流固耦合理论，利用 完成了不同工况条件下隧道涌突水相对高风险区段的进一步定量化研究。结果表明：在约 的隧道岩溶段，涌突水中风险区面积占比为、低风险区面积占比为，中风险区主要集中于隧道北部二叠系栖霞组、茅口组地层；模拟得到的隧道最大涌水量为 ，出现于隧道下方穿过泥岩破碎带与灰岩地层相接区段，该区段隧道涌水量对施工的影响较小；而在隧道穿越溶洞及泥岩破碎带工况下，隧道涌水量则出现先逐步减少、开挖至临近泥岩破碎带附近后逐渐增加的现象。可见，在岩溶区湖底隧道涌突水风险评价研究中，水文地质条件的准确判断是必要前提
3、，在此基础上将半定性半定量的隧道涌突水风险分区评估与针对高风险区段的流固耦合数值模拟相结合，则可以较好地获取隧道涌突水的高风险区段及涌水量参考值，进而为隧道的安全施工与运营提供可靠的科学依据。关键词：两湖隧道东湖岩溶段；岩溶水文地质条件；涌突水；风险评估；数值模拟中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：权锋（），男，学士，高级工程师，主要从事勘察项目管理工作。：通讯作者：吴佳（），女，硕士研究生，主要研究方向为水文地质与工程地质。：，（，；，（），）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：，：（）；岩溶区的隧
4、道建设容易引起各类地质环境问题，其中以岩溶涌突水问题最为普遍。在前人的研究中，对隧道涌突水问题的风险分析已有多种方法，如采用包括水文地质调查、水文学、水文地球化学方法以及地下水流系统结构分析等方法，以提高隧道涌突水来源分析结果的准确性，实现对其有效的防范和治理；基于各种风险评估理论的隧道涌突水风险分析，如 法、法以及模糊数学方法等，对隧道涌突水问题的影响因子进行多角度、深层次分析和使用，以实现对隧道涌突水风险的综合评判；数值模拟方面，包括有限元、离散元和边界元等原理，以及相应的 、以及 等软件都能够很好地对隧道涌突水问题进行数值模拟。这些方法的发展表明，隧道涌突水问题仍是一个复杂程度较高而且具
5、有相当研究必要性的问题。武汉两湖隧道东湖岩溶段穿过武汉市覆盖型岩溶发育地区，在东湖水体之下，上部为第四系黏土层，下部为二叠系、三叠系及石炭系可溶岩，在工程勘察施工过程中钻孔遇洞率达到 ，多个钻孔出现涌水现象，个别钻孔内的涌水量可达 。为了避免在该隧道施工与运营过程中，可能出现的隧道涌突水事故，需利用已有的工程勘察、水文勘察以及地化试验等资料，在认清该隧道段水文地质条件的基础上，对隧道涌突水风险等级进行分区，并利用数值模拟手段对隧道涌水量进行估算，以为武汉两湖隧道东湖岩溶段的安全施工与运营提供科学依据。研究区概况1.1隧道工程概况武汉两湖隧道工程位于武汉市主城区，是下穿东湖、南湖的一条城市主干路
6、，采用地下隧道形式建设，岸上段采用明挖法建设，水底段采用盾构法建设。东湖段隧道断面为 单管双层双向车道，高程范围为 ，盾构段全长为 。本次研究区为武汉两湖隧道东湖段的岩溶发育区段（图），该段长约 ，里程桩号范围为 ，上覆东湖水体，其平均水深约为，受大气降水及人为调蓄的影响较大。图武汉两湖隧道东湖岩溶段地理位置图 1.2地层岩性隧道区钻孔揭露岩性主要包括：三叠系大冶组一四段（）泥岩、页岩夹灰岩、泥质条带灰岩、炭质灰岩以及白云质碎屑灰岩等；二叠系上统龙潭组（）炭质页岩以及炭质粉砂岩，大隆组（）安全与环境工程 ：第 卷硅质岩以及炭质页岩；二叠系中统孤峰组（）硅质岩，茅口组（）生物碎屑灰岩，栖霞组（）
7、炭质灰岩以及含燧石结合灰岩；二叠系下统船山组（）泥灰岩，梁山组（）炭质页岩夹煤线；志留系坟头组（）泥页岩、粉砂岩以及泥质粉砂岩。由于断层的发育，区内还存在多处断层破碎带，岩性以破碎状泥岩为主。地表仅揭露二叠系孤峰组（）硅质岩以及泥盆系五通组（）石英砂岩和砂砾岩。1.3地质构造研究区位于武汉市大桥倒转向斜珞珈山南望山地块关键部位，地质条件复杂，由于受鲁巷张扭性断裂（）的影响，造成南望山与珞珈山之间南北错断近，研究区隧道区段即位于珞珈山东侧与鲁巷断裂西侧之间。隧道近南北向穿过大桥向斜两翼，区内发育多条断裂，由于东西向 、断层错动，隧道区内所处大桥向斜两翼并不对称，北翼缺失泥盆系（）石炭系（）地层，
8、南翼缺失泥盆系（）二叠系（）地层，而 南 北 向 鲁 巷 断 裂（）及 其 从 属 断 裂（、）的存在则使得研究区东西向形成“叠瓦状”地堑地垒式构造组合，如图所示。图研究区地质构造分布图 1.4水文地质条件 地下水类型及含水岩组特征研究区内松散岩类孔隙水为承压水，其主要赋存于隧道段东湖水体以下第四系覆盖层中，含水岩组主要由黏土夹碎石土、残积土构成，属于弱透水层；碎屑岩类裂隙水呈条带状分布，其主要赋存于泥盆系上统至石炭系下统（）含水岩组和二叠系中统孤峰组（）至二叠系上统大隆组（）含水岩组中，含水层渗透系数为 ，钻孔涌水量为 ；碳酸盐岩裂隙岩溶水主要赋存于可溶岩的溶洞和溶（裂）隙中，三叠系下统大冶
9、组（）至二叠系中统茅口组（）为其主要含水岩组，含水层渗透系数在 之间，钻孔涌水量为 。地下水补径排特征松散岩类孔隙水：根据钻孔资料，隧道顶部以上东湖水体以下，大部分地段见有厚达 的第四系中更新统黏土层，其难以直接接受大气降水及东湖水的补给。碎屑岩类裂隙水：主要在东湖周边基岩出露区接受大气降雨直接补给，随地势向西侧及深部径流，并补给相邻含水层。碳酸盐岩裂隙岩溶水：主要接受相邻碎屑岩裂隙含水层的补给，地下水一部分通过 、断裂带运移至隧道段大桥向斜北翼，另一部分通过 断裂带再被分为两部分，其中一部分通过 断裂带运移至隧道段大桥向斜北翼，另一部分运移至隧道段南翼。隧道段北翼和南翼地下水再通过 、和 断
10、层，径流至北边珞珈山北侧和半边山南侧的含水岩组，最终排泄入长江。含水系统与岩溶发育特征研究区所属一级岩溶含水系统为大桥向斜岩溶含水系统，受二叠系中统孤峰组二叠系上统大隆组隔水层的阻隔，可划分为上、下两个二级岩溶子系统，即上部三叠系岩溶含水系统和下部石炭二叠系岩溶含水系统。进一步地，根据研究区地层构造组合及含水岩组特征，二级岩溶子系统又可划分为南、北两个三级岩溶含水系统，具体分析如下：（）南段岩溶含水系统：其所属二级岩溶含水系统为三叠系岩溶含水系统，东部以 断裂为补给边界，接受 东侧三叠系岩溶含水系 统与石炭二叠系岩溶含水系统的补给；北部以二叠系上统大隆组与三叠系下同大冶组地层界线为界，为隔水边
11、界；南部以 断裂为界，为隔水边界；西部以 断裂为排泄边界，即排泄至西部的石炭二叠系二级岩溶含水系统（见图）。（）北段岩溶含水系统：南部以二叠系茅口组与二叠系孤峰组地层分界线为界，为隔水边界；北部和东部分别以 、断裂为界，亦为隔水边界；西第期权锋等：武汉两湖隧道东湖岩溶段岩溶水文地质条件及涌突水风险分析部以 为排泄边界，即排泄至西部的石炭二叠系二级岩溶含水系统（见图）。研究区岩溶发育程度不均一，北段岩溶含水系统岩溶发育强烈，岩溶连通性极好；南段岩溶含水系统岩溶发育较弱，岩溶连通性次之。岩溶洞穴沉积物主、微量元素特征研究表明，沉积物硅酸盐矿物成分来源于第四系红黏土残积层（），碳酸盐矿物成分来自于洞
12、穴围岩风化，表明第四系红黏土残积层（）与溶洞裂隙连通性较好。地质构造控水性研究区段内所处大桥向斜北翼倒转，整体大倾角北倾（见图），向斜两翼地层较为破碎、节理发育、岩溶发育强烈，且向斜北翼岩溶裂隙更加发育，因此北翼相较于南翼溶洞更多且规模更大、连通性图研究区岩溶含水系统概念模型示意图 更好，地下水流也更加强烈。大桥向斜核部隔水层将两翼的含水岩组隔开，使之形成相对独立的含水岩组，而后研究区内南北向断裂带又将两个含水岩组连通。研究区内发育有多条近东西向及北西向断裂，如图和图所示。断裂带具有导水及贮水作用，将、断裂带导入的地下水导向西边，又因断裂带局部位于含水岩组中，所以具有较弱的贮水作用，此外由于
13、断裂带造成围岩破碎，因此研究区北边岩溶发育较为强烈；、断裂带为 断裂带的从属断裂，条断裂带都兼具导水、贮水和集水功能，其中，断裂带在上下盘为含水岩组的部位导水性强，其余部位上盘或下盘为隔水层时导水性较弱，断裂带更靠近 断裂带，地下水会优先通过该断裂带流向北边，因此 断裂带比 断裂带导水性强，这条断裂带贮水和集水能力表现为、依次减弱；断裂带上下盘为隔水层，且为塑性断裂，因此该断裂带隔水；、断裂带为区域性断裂带，断裂带围岩破碎、具有导水作用，其将研究区东边地下水运移至西边，其中、和 三条断裂带上盘均为含水岩组，下盘为隔水岩组，其导水能力相对较弱。研究方法本文首先对武汉两湖隧道东湖岩溶段涌突水风险进
14、行评估与分区；然后在评估所得的隧道涌突水相对高风险段运用 进行三维建模，并将所建模型导入 软件对隧道涌水量进行定量预测，从而为隧道的安全开挖与运营提供地质依据。隧道涌突水风险评估采用层次分析法与 安全与环境工程 ：第 卷 相关性系数分析相结合的方法。首先对研究区资料进行综合分析后确定隧道涌突水风险评价因子；然后对确定的评价因子进行相关性分析，以便能够实现较为客观的评价因子重要程度比较，再通过构造判断矩阵完成一致性验证后利用最大特征根法求出评价因子相应的权重；最后计算各钻孔数据点的涌突水风险分值，从而得到研究区隧道涌突水风险分区结果。在隧道涌突水数值模拟研究中，如果忽略实际存在的应力场，单纯研究
15、渗流场，得到的结果往往会与实际情况有较大的出入。尤其在存在地下水的隧道工程地区，由于隧道裂隙围岩存在于应力场和渗流场的共同作用之中，两种场将会相互影响而相互改变，并在不断耦合中达到平衡状态。软件中，流固耦合数值模拟的控制微分方程包括流体运动方程、流体平衡方程、本构方程、相容方程以及连续性方程等，在流固耦合数值模拟过程中需要分别设定边界条件、使用参数以及工况。因此，本文将按照隧道涌突水风险分区的结果，选取风险等级相对较高的区段进行地质体建模和模拟条件设定，其中使用的参数来自于工程勘察及水文地质试验等资料。隧道涌突水风险评估与分区结果3.1隧道涌突水风险评价因子选取针对隧道涌突水风险评价因子选取，
16、首先要确定评价因子的具体内容和数量。研究区内非岩溶地层包括泥岩、硅质岩、砂质页岩和炭质页岩等渗透系数较小的岩类，可视为隔水层或弱透水层，虽然存在风化程度较高、易产生坍塌和结构面滑移的强风化带，但隧道涌突水风险较小，因此研究区隧道涌突水风险评估主要针对岩溶含水层。由于岩溶含水层岩溶发育情况综合反映了岩层力学性质，因此本文针对涌突水风险主要从岩溶发育情况和岩体透水性两个方面来进行评估。岩溶发育情况岩溶发育情况是岩溶含水层是否会发生涌水的主要控制性影响因素之一，其主要包括地层岩性、地质构造和地下水系统。对于地层岩性，研究区内各地层岩溶发育程度从强到弱为：二叠系（）三叠系（）。在对研究区地质构造与岩溶含水层岩溶发育程度的分析中，发现隧道区大桥向斜北翼的岩溶发育程度总体强于向斜南翼，隧道区内岩溶水具有自南向北径流的趋势，南段处于径流微弱区，北段处于径流强烈区。为了量化风险性，从钻孔和物探资料中抽取统计数据进行评价，具体包括：溶洞数量、溶洞大小、钻孔线岩溶率、物探异常区分布统计、溶洞与隧道的位置关系、区域内的钻孔遇洞率。为了使得统计区间一致，在工勘钻孔和水文地质钻孔 深度范围内对以上的评价因子进行
