铁路隧道地下水环境动态监测体系的探讨与实践

李志源，徐学存，吴剑华，张洁瑜，李 呈

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

随着我国铁路建设的快速发展，铁路隧道数量逐步增加，截至2018年底，全国共有15 117座铁路隧道在使用，总规模达16 331 km[1]。随着数量的不断增加，隧道修建带来的地下水位变化及地表水源失水等环境问题也日渐增多[2-5]。由于水源问题的敏感性和重要性，失水问题容易引发各方关注，给隧道施工和运营带来一定困扰。

在铁路隧道建设期间开展地下水环境动态监测工作，可以及时发现居民水源点的异常变化，通过采取注浆堵水等措施保护水源点，或者寻找替代水源解决居民用水问题；同时监测数据也可作为判断影响范围、解决水源纠纷的重要依据。近年来，国内逐步开展了此项工作，邱琳滨等[6]在台湾雪山隧道监测了6个排水断面流量，认为仅影响周边水库入库流量的1.33%；周坤等[7]在渝怀铁路圆梁山隧道对地表泉、井和降雨量等进行了监测，提出隧道施工对浅层岩溶水系统影响有限；刘建等[8]通过对铜锣山隧道15处地表水文点和降雨量进行监测，判断出隧道排水影响范围大致为隧道轴线1 km范围；黄嫚等[9]在六盘水隧道进行动态监测后，发现周边水源点位受隧道施工的影响较小，水位、水量变动主要受控于季节因素和人类生产活动。

目前国内铁路隧道开展地下水监测的多局限于单个岩溶隧道，而且目的多为识别隧道涌水来源，判别涌水补给源及补给区域等，多个隧道建设过程中同步开展地下水环境动态监测工作的实例并不多见[10-12]。在此，探讨铁路隧道地下水环境动态监测体系，阐述国内某货运铁路48座隧道实践应用情况及监测结果，以期为其他铁路隧道地下水环境监测提供参考。

1 地下水环境动态监测体系

1.1 监测等级

根据隧道涌水易发性和环境敏感性，可将目标隧道划分为不同监测等级隧道，按照不同频次和方法等进行监测，以提高监测工作效率。参考《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)，结合国内隧道涌水量统计结果，将隧道涌水量划分为≥1万m3/d、1万～ 0.2万m3/d和≤0.2万m3/d 3个等级；隧道地下水环境敏感性特征等级的划分，可以根据是否存在集中式和分散式饮用水水源等划分为3个等级。由此，根据隧道涌水量和环境敏感性2个维度，将监测隧道划分为特殊、重点和一般3个等级，详细划分如表1所示。其中，监测前涌水量取值可以利用环评或设计资料中的涌水量预测值进行划分，监测过程中可以根据实际涌水量调整等级划分。

1.2 监测范围

监测范围应以隧道及其辅助坑道轴线为中心线，两侧稍大于隧道排水的影响宽度。隧道施工前可通过经验公式法、水文地质分析法等初步预测影响范围，适当放大作为监测范围。施工过程中根据隧道开挖揭露岩体情况和地下水监测结果对监测范围进行动态调整，直至满足监测要求。

（1）经验公式法。计算影响范围常用经验公式有库萨金公式、吉哈尔特公式和《铁路工程水文地质勘察规程》(TB 10049—2014)推荐公式等(见表2)，计算时应根据渗透系数K的变化分段计算，不宜采用平均渗透系数法计算整个隧道影响范围。经验公式误差相对较大，宜将计算结果放大2 ～ 3倍作为监测范围。

（2）水文地质分析法。隧道通过地段的隔水边界或汇水盆地边界通过水文地质分析法确定时，可以直接作为监测范围。对于岩溶铁路隧道，若能确定岩溶水系统补径排条件，监测范围应覆盖至岩溶水排泄地带；否则，可以按照刘建等[8]提出的根据岩溶发育程度强烈、中等和微弱，分别设定监测范围为距离隧道轴线≥3 km、1 ～ 3 km和≤1 km。此外，隧道地下水类型主要为孔隙水时，可以采用非稳定流泰斯公式等解析公式法，或者数值模拟法等方法预测影响范围。

1.3 监测对象和方法

监测对象的选择原则是能够代表地下水目标监测层位和居民用水环境变化，同时可以反映隧道洞身主要涌水点的位置和水量。布设原则是可以对比分辨出隧道排水影响的范围和程度，并能够判断隧道排水和异常水文点变化之间的关系。

表1 铁路隧道地下水环境监测等级表

表2 影响范围计算常用经验公式

监测方法主要有自动化监测和人工监测，自动化监测一般可设定任意监测频次，但监测设备造价高，且安装不便，覆盖点位较少；人工监测相对灵活，覆盖点位多，但监测频次较低。因此，多个隧道同步监测宜采用自动监测与人工监测相结合的方法，做到点面结合，同时满足频次和范围要求。不同监测等级隧道监测方法及频次如表3所示。

1.4 监测数据分析

应在隧道施工前一个水文年开展背景值监测，根据监测结果识别监测点位丰水期、枯水期变化规律，以及居民水源点灌溉期及非灌溉期抽水使用规律，为施工期监测数据分析提供比对依据。隧道施工期间获取监测数据后，按照固定周期及时进行统计分析，发现水位、水量下降情况后，排除人为因素干扰，结合背景值变化规律，判断是否为正常周期性变化。最后，根据隧道涌水位置、含水层及区域水文地质条件等，判断涌水点与异常失水点空间上的关联性；根据异常变化及隧道涌水的时间，判断时间上的关联性。岩溶隧道岩溶水分布复杂、不易判断关联性时，可以通过同位素分析、示踪试验等方法辅助判断[13]。

2 动态监测体系现场实践

在国内某货运铁路沿线隧道工程开展了地下水环境动态监测体系的现场实践。该铁路全线共建设隧道220余座，共长450 km左右，主要分布在陕北黄土丘陵、秦岭山脉和罗霄山脉等地区，隧址区地质条件复杂，地下水类型丰富。其中，48座隧道同步开展了地下水环境动态监测工作，经过对143处监测点位近3个水文年的系统监测，发现了34处失水水源点位，并识别出另外19处为正常周期变化或受人为因素干扰。监测隧道根据地下水类型和区域气候条件可分为3类，下面分类说明监测结果并讨论其中典型案例水源影响情况。

2.1 黄土丘陵区隧道

黄土丘陵区共有23座监测隧道，地下水类型主要为第四系孔隙水或土石交界面水，共布设56处居民水源井、泉等监测点位。监测至隧道施工结束后1个水文年后，发现11处水源点位受隧道施工影响出现水位下降或干涸现象。失水点位与隧道或辅助坑道轴线平均距离约270 m，最远约750 m，主要为在土石交界面附近基岩风化裂隙带取水的泉水和人工井。

某特殊监测隧道长15.4 km，共设3座斜井，施工期间平均排水量约1.8万m3/d，监测结果显示隧道周边8处水源出现异常下降情况。图1为其中6处失水点位分布情况，主要分布在2#和3#斜井两侧和隧道出口浅埋段附近，与隧道和斜井轴线平均距离约220 m。

失水点位中有3处位于3#斜井顶部F4断裂带沟谷内，对应隧道洞身围岩为三叠系砂岩夹泥岩。以水井2为例，2017年初3#斜井开挖过程中水位受居民抽水影响出现周期性升降，2017年6月水位开始下降，2017年7月隧道施工进入F4断裂带后，水位以约7.5 cm/d速率稳步下降，直至干涸。隧道竣工1个水文年后，水井依然干涸。该水井水位与3#斜井排水量变化如图2所示。

表3 各监测等级隧道对应监测方法及频次

图1 黄土丘陵区某隧道隧顶失水水源分布图

图2 水井水位与3#斜井排水量变化图

2.2 基岩山区隧道

基岩山区共有21座监测隧道，地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水，布设69处泉水、溪沟、人工井等监测点位。监测至隧道施工结束后1个水文年后，共发现18处点位受隧道施工影响。14处失水泉水、人工井与隧道轴线平均距离约168.8 m，最远距离约500 m。3处失水溪沟平行于隧道轴线，1处平行于隧道斜井轴线。

某特殊监测隧道长15.4 km，共设2座斜井，施工期间平均排水量约2.4万 m3/d。该隧道3#斜井施工区段地表为一汇水盆地，盆地内溪水流向与隧道轴线基本平行，溪水上下游共分布4级小型水电站，南北两侧坡地上分布共有多处泉水和水井。汇水盆地内点位分布如图3所示。

汇水盆地溪水上下游电站发电量变化一定程度上可以反映溪水流量变化。隧道于2015年6月开始施工，一级电站2016年发电量相比2013—2015年平均发电量减少7.9%，2017年减少17.2%，2018年减少57.7%。由于3#斜井排水进入二至四级电站，因而2016年和2017年施工期间二至四级电站发电量受影响较小。2018年隧道贯通后不再排水，二至四级电站2018年发电量分别减少58.0%、92.3%和47.1%，远超过降水减少量11%。说明与隧道平行流向的溪河水量在隧道施工过程中渗漏量较大。水电站发电量与降水量历年变化如图4所示。同时，监测发现盆地内南侧至少4处

水井和泉水干涸，另有盆地边界附近隧道浅埋段2处泉水流量也减少50%以上，而北侧水井和泉水则水量正常，说明隧道排水的影响范围局限在汇水盆地隧道所在一侧，对另一侧基本无影响。

2.3 岩溶区隧道

岩溶区域共有4座监测隧道，主要为非碳酸盐岩夹碳酸盐岩地层，共布设18处岩溶泉、暗河出口、水库、山塘等监测点位。监测至隧道施工结束后1个水文年后，发现共5处点位受到隧道施工影响，平均距离417 m，最远距离980 m。

某重点监测隧道长2 398 m，施工期间最高涌水量达5万m3/d。监测前调查发现，隧道区域西侧为典型岩溶槽谷地貌，隧道东侧及北侧岩溶洼地内分布有8处岩溶泉水，另有2处暗河出口。隧道周边点位示意如图5所示。

监测发现隧道左侧750 m处暗河出口2受到隧道施工开挖影响，雨季水量由10 000 m3/d下降至约2 500 m3/d，非雨季基本断流。出口右侧350 m处水库水位按正常水文周期变化，未发生大规模渗漏现象，同时周边分布的其他暗河、泉水水量也未受影响。监测结果说明该岩溶隧道施工对暗河有一定阻碍，但未引发旁边水库大量渗漏，同时也未影响区域岩溶水主要径流通道，对排泄区大量分布的岩溶泉水基本无影响。

图3 基岩山区某隧道顶部汇水盆地示意图

图4 汇水盆地内水电站发电量与降水量历年变化图

图5 岩溶区某隧道周边点位示意图

3 应用效果及建议

监测体系现场实践历时3年，由北向南跨越多种气候和地质、地形条件，证明了建立全面系统的地下水环境监测体系，可以及时掌握居民水源变化情况，为施工和建设方提供科学依据。为更好地补充和完善地下水环境监测工作，根据现场实践效果和经验，提出以下需要思考完善的方面。（1）全面调查水源点位情况。实践中发生数起监测未发现失水点位情况，主要原因在于监测范围外的居民点水源取水位置位于隧道上方，前期方案调查未掌握取水点情况。因此，监测前应对周边居民水源点位等进行全面调查，作为监测布点的依据。（2）设置对照水源监测点。实际监测中未进行施工前背景值监测，发生水源失水时，受居民用水影响、正常水文周期变化等多重因素作用，不易分辨是否与隧道排水相关，因而通过监测范围外设置对照水源监测点，可以帮助对比判断。（3）改进提高监测方法。黄土丘陵

区水源点位以浅层水井为主，分布稀疏，现有监测方法应用效果良好。平原区水井分布密度大，需进一步应用组合克里金等方法优化监测点位密度[14]。基岩山区溪河流量波动较大，应探索应用简易快速标准断面建立方法，提高溪河点位监测精度。

4 结束语

隧道与地下水环境的相互作用，一直是难以回避又备受困扰的技术难题之一[15]。施工期开展全面的地下水环境监测，既可以掌握隧道周边水源点变化规律、及时采取缓解措施，又能为判断地下水的联通性和补给范围、进而优化隧道防排水设计提供一定依据。探讨并实践的铁路隧道地下水环境动态监测体系，在一定程度上有利于解决隧道与地下水环境的相互作用问题，下一步应在监测数据分析及预警方面开展研究，以进一步提高监测的时效性和实用性。