Karst Development Characteristics and Water Inrush Risk Assessment of Railway Tunnel in a Difficult and Dangerous Mountain Area
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摘要:
某艰险山区铁路隧道是重要的控制工程，区域构造运动活跃、工程地质环境极为复杂，需穿越上三叠统波里拉组灰岩条带，岩溶突涌水问题突出。为了准确评价隧道涌突水的危险性，通过地质调绘、深孔钻探等手段，对隧道水文地质特征进行精细的调查和深入的分析，探明隧道岩溶发育特征及范围，将隧址区地下水径流系统分为局部表层、浅层和区域深层径流系统，并遵循多元、多层次的分析评价思路，选取不同评价指标，构建非可溶岩段和可溶岩段隧道涌突水危险性评价体系。评价结果显示，隧道涌突水问题总体以较低危险性为主，高和极高危险段仅约占隧道总长的4%和1%，主要受控于波里拉组灰岩条带和额艾顿断裂带。
Abstract:A railway tunnel in a difficult and dangerous mountain area is an important control project. The regional tectonic movement is active, and the engineering geological environment is extremely complex. In order to prepare to evaluate the risk of water inrush in the tun–nel, the hydrogeological characteristics of the Tunnel were investigated and analyzed in depth by means of geological mapping, deep hole drilling, etc. The groundwater runoff system in the site area is roughly divided into local surface runoff system, shallow runoff system and regional deep run off system, and following the multiple and multilevel analysis and evaluation ideas, different evaluation indicators are selected to construct tunnel surges in the insoluble rock section and the soluble rock section. According to the evaluation system of water inrush risk, it is concluded that the water inrush problem in the Tunnel is mainly of low risk, and the high and extremely high risk sections only account for about 4% and 1% of the total length of the tunnel, which is mainly controlled by limestone (T3b) and Eaideng fault zone.
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Keywords:
- railway tunnel /
- karst /
- water inrush /
- risk assessment
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图 1 隧址区地形地貌及水系分布图
Figure 1. Topography, geomorphology, and water system distribution map of the tunnel site area
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图 4 隧道穿越段波里拉组空间分布特征
Figure 4. Spatial distribution characteristics of the borila formation in the tunnel crossing section
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图 5 波里拉组可溶岩条带地表岩溶地貌特征
a. 波里拉组高耸山脊下（4500 m高程）碎屑堆积坡面；b. 江达村地表岩溶地貌（近4500 m高程）c. 邦迪温泉出露处（4000 m高程）；d. 隧道南侧索奔大泉处（近4000 m高程）可溶岩地貌
Figure 5. Surface karst landform characteristics of soluble rock stripes in the polila formation
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图 6 波里拉组灰岩的溶蚀破碎带
Figure 6. The dissolution and fracture zone of the polila formation limestone
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图 7 波里拉组灰岩陡倾溶蚀裂隙
Figure 7. Steep dip dissolution fractures in the limestone of the polila formation
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图 8 隧址区地下水径流系统示意图
Figure 8. Schematic diagram of groundwater runoff system in the tunnel site area
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图 9 隧址区砂岩为主的碎屑岩内深层径流系统示意图
Figure 9. Schematic diagram of deep runoff system in clastic rock dominated by sandstone in tunnel site area
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图 10 隧道涌突水灾害危险性评价剖面图
Figure 10. Profile map of risk assessment for water inrush disasters in tunnels
表 1 钻孔岩溶发育强度、特征表
Table 1 Strength and characteristics of karst development in boreholes
溶蚀强度 岩 溶 发 育 特 征 较强 孔内见溶洞发育；导水介质主要为溶洞、溶腔 中等 多为溶蚀破碎带，岩芯表明发育大量溶孔、溶腔，裂面锈染、夹泥膜，局部夹泥层；主要导水介质为破碎带松散孔隙、溶隙、溶腔，少部分为溶孔 弱 总体较完整，多无锈染及泥膜夹层，偶见溶孔。导水介质主要为发育较少的裂隙、贯通性较差的溶孔 
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表 2 非岩溶隧道涌突水风险性评价体系（THR）
Table 2 Risk assessment system for water inrush in non karst tunnels (THR)
岩石的渗透性和力学性质（R1） 渗透系数（m/d） ＞10 0.1～10 0.01～0.1 ＜0.01 渗透性分级 强透水 中等透水 弱透水 微透水 R11评分值 18～20 10～18 6～10 0～6 岩石力学性质 硬岩 较硬岩–软岩 软岩 R12评分值 14～20 10～14 6～10 0～6 地质构造（R2） 断裂构造（R21） 导水 破碎带宽（m） ＞50 10～50 5～10 1～5 ＜1 影响带宽（m） ＞100 20～100 10～20 5～10 ＜5 R21评分值 18～20 16～18 12～16 8～12 4～8 阻水 破碎带宽（m） ＞10 5～10 1～5 0.2～1 ＜0.2 影响带宽（m） ＞50 20～50 10～20 5～10 1～5 R21评分值 10～14 6～10 4～6 2～4 0～2 褶皱核部（R22） 褶皱形态 宽缓型 中缓型 紧闭型 岩层倾角 ＜30° 30°～60° ＞60° R22评分值 0～10 10～16 16～20 褶皱两翼及
单斜地层（R23）岩层厚度（m） 巨厚层 厚层 中厚层 薄层 ＞1 0.5～1 0.1~0.5 ＜0.1 R231评分值 0～2 2～6 6～10 10～12 岩层倾角 ＜30° 30°～45° 45°～60° ＞60° R232评分值 0～6 6～10 10~14 14～20 地表汇水条件（R3） 地表地貌形态 开口沟谷切割 完整斜坡 缓坡台地、盆地 陡坡、冰蚀谷 R31评分值 15～20 10～15 0～10 地面坡度 0°～15° 15°～30° 30°～45° R32评分值 15～20 10～15 5～10 地下水位（R4） 隧道位于地下水位以下（m） 0～20 20～100 100～200 200～500 ＞500 R4评分值 18～20 14～18 10～14 6～10 4～6 冰川补给（R5） 冰雪覆盖面积（km2） 0～20 20～50 ≥50 R5评分值 0～12 12～18 18～20
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表 3 危险等级划分表
Table 3 Hazard level classification table
THR 危险性
等级极高 高 中等 较低 低 评分 ＞77 62～77 38～62 23～38 0～23 评级 Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ 单点最大
涌突水量（m3/d）＞104 103～104 102～103 10～102 ＜10
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表 4 岩溶隧道涌突水风险性评价体系（THK）
Table 4 Risk assessment system for water inrush in karst tunnels (THK)
岩石
可溶性
（K1）CaCO3含量（%） ＞75 50～75 25～50 5～25 0～5 岩石定名 灰岩 白云质灰岩
泥质云灰岩灰质白云岩
白云岩泥质灰岩
泥质灰云岩泥质
白云岩K11评分值 16～20 12～16 8～12 4～8 0～4 岩石的结构 生物碎屑结构 泥晶结构 粒屑结构 亮晶结构 粗晶结构 K12评分值 16～20 12～16 8～12 4～8 0～4 地质
构造
（K2）断裂 导水
断裂破碎带宽（m） ﹥10 2～10 1～2 0.1～1 ＜0.1 K2评分 17～20 14～17 10～14 6～10 0～6 阻水
断裂破碎带宽（m） ﹥10 5～10 1～5 0.2～1 ＜0.2 K2评分 14～17 10～14 6～10 4～6 0～4 褶皱 褶皱形态 宽缓型 中缓型 紧闭型 岩层倾角 ＜30° 30°～60° ＞60° K2评分 0～10 10～16 16～20 单斜 岩层组合类型 厚层状裂隙–
岩溶含水岩组厚层脉状岩溶–
裂隙含水岩组夹层式层岩–
裂隙含水岩组孔隙–裂隙岩
溶含水岩组K21评分 15～20 10～15 4～10 0～4 岩层倾角 ＜15° 15°～30° 30°～45° 45°～60° ＞60° K22评分 17～20 14～17 10～14 6～10 0～6 地表环
境特征
（K3）降雨入渗系数 ＞0.7 0.5～0.7 0.3～0.5 0.1～0.3 ＜0.1 K31评分 16～20 12～16 8～12 4～8 0～4 地面坡度 ＜10° 20°～10° 30°～20° 45°～30° ＞45° K31评分 16～20 12～16 8～12 4～8 0～4 隧道岩溶
分带（K4）岩溶水垂向分带 垂直渗流带 季节变动带 水平径流带 深部循环带 K4评分 0～6 6～16 14～18 8～12 等级划分 THK值 ＞77 62～77 38～62 23～38 0～23 危险性等级 极高风险（Ⅴ） 高风险（Ⅳ） 中等风险（Ⅲ） 较低风险（Ⅱ） 低风险（Ⅰ） 单点涌突水量（m3/h） ＞104 103～104 102～103 10～102 ＜10
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