雁門關(guān)隧道滲漏原因分析及建議

楊光輝

1 工程概況

雁門關(guān)隧道建成于2003年9月，位于山西省忻州市代縣境內(nèi)。隧道為雙向交通隧道，東西兩隧道中心線間距約50m，總體走向?yàn)镹11.6°W，開(kāi)挖斷面為馬蹄型，2008年5月初在西隧道樁號(hào)YK594+381—YK594+636段發(fā)現(xiàn)部分地段隧洞側(cè)壁有滲水現(xiàn)象，共15處，并組織進(jìn)行了滲水處理，處理方法主要是在側(cè)壁鑿成“U”型槽埋管引水。在處理過(guò)程中又陸續(xù)新發(fā)現(xiàn)20多處滲水，隨后均進(jìn)行了處理。2008年5月24日—7月6日，又發(fā)現(xiàn)隧道側(cè)壁墻面有60余處滲水，洞頂滲水10余處，路面滲水10余處等漏水和滲水現(xiàn)象。東隧道滲漏相對(duì)較少，僅局部地段路面、洞底、豎井、斜井等部位有滲漏水現(xiàn)象。

2 隧道滲漏原因分析

2.1 隧道段水文地質(zhì)條件

2.1.1 地形

從地形上看，隧道主要漏水地段（樁號(hào)YK594+381—YK594+636）東、北、西三面地形較高，南面開(kāi)口且地形較低，本區(qū)總體呈一南北向的、向南部?jī)A斜的槽形匯水凹地，具備地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的良好條件，有利于地表水和地下水向隧道南部運(yùn)移、匯集。

2.1.2 氣象

大氣降水入滲是隧道滲漏的唯一補(bǔ)給來(lái)源，隧道滲漏范圍、滲漏量與大氣降水密切相關(guān)，每年的雨季滲漏范圍和滲漏量增大，旱季滲漏范圍和滲漏量減小，地下水的水位和水量隨季節(jié)的變化較為明顯。

2.1.3 地層巖性

隧道漏水范圍、漏水量主要受地層巖性的控制。以F1逆斷層為界，斷層以北隧道從上太古界五臺(tái)群胡峪組（Ar3h）黑云斜長(zhǎng)片麻巖、黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖中通過(guò)，過(guò)斷層后隧道從寒武系下統(tǒng)毛莊組（∈1mz）紫紅色泥巖夾薄層細(xì)砂巖、泥灰?guī)r，寒武系中統(tǒng)徐莊組（∈2x）紫紅色泥巖中通過(guò)。隧道由北向南依次通過(guò)上太古界五臺(tái)群胡峪組（Ar3h）變質(zhì)巖、寒武系下統(tǒng)毛莊組（∈1mz）及中統(tǒng)徐莊組（∈2x）泥頁(yè)巖、寒武系中統(tǒng)張夏組（∈2z）灰?guī)r。

2.1.4 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道滲漏也具有明顯的控制作用。F1逆斷層總體上是一條阻水?dāng)鄬?，斷層以北地段均為變質(zhì)巖洞段，它與隧道基本正交，如石峽溝qs09-2泉就是因?yàn)镕1逆斷層將上盤徐莊組（∈2x）紫紅色泥頁(yè)巖推至地表，地下水受泥頁(yè)巖阻隔后形成該泉，但斷層兩盤灰?guī)r接觸部位還具有一定的導(dǎo)水性。隧道東西兩側(cè)灰?guī)r地層節(jié)理裂隙較發(fā)育，在一定程度上構(gòu)成地下水進(jìn)入隧道內(nèi)的良好通道。

隧道北部、南部出露變質(zhì)巖，向中部依次為泥頁(yè)巖、灰?guī)r，隧道樁號(hào)594+500以北巖層產(chǎn)狀大多為N70°～80°E/SE∠10°～20°，隧道樁號(hào) 594+500 以南巖層產(chǎn)狀大多為 N20°～30°E/NW∠9°～16°，整個(gè)隧道處于一個(gè)較大的復(fù)式向斜構(gòu)造中，其核部在樁號(hào)594+500附近，正好處于隧道漏水較為嚴(yán)重的部位，且該處東、西兩側(cè)徐莊組（∈2x）泥頁(yè)巖分布較高，隧道東側(cè)巖層產(chǎn)狀N30°W/SW∠20°，西側(cè)巖層產(chǎn)狀N65°E/SE∠5°，形成一個(gè)四周泥頁(yè)巖高、中間泥頁(yè)巖低的匯水凹地，有利于地下水向該處運(yùn)移、排泄。

2.1.5 含水層及相對(duì)隔水層的空間展布

據(jù)鉆探、物探成果并結(jié)合地質(zhì)平面測(cè)繪，工程區(qū)含水層為寒武系中統(tǒng)張夏組（∈2z）灰?guī)r，寒武系下統(tǒng)毛莊組（∈1mz）紫紅色泥頁(yè)巖夾薄層細(xì)砂巖、泥灰?guī)r與寒武系中統(tǒng)徐莊組（∈2x）紫紅色泥頁(yè)巖可視為相對(duì)隔水層。

西隧道漏水部位的地下水主要來(lái)自西側(cè)石峽溝張夏組（∈2z）灰?guī)r含水層中的巖溶裂隙水，以側(cè)向徑流的形式通過(guò)泥巖頂板最低部位向西隧道排泄，這使得從西隧道滲漏較東隧道嚴(yán)重，西隧道西壁出水點(diǎn)位置普遍高于東壁來(lái)講，也說(shuō)明地下水主要是從西側(cè)石峽溝由西北向東南側(cè)向補(bǔ)給至西隧道。

隧道主要漏水地段北側(cè)為一逆斷層，該斷層具有一定的阻水作用，但其上部斷層兩盤灰?guī)r接觸部位是導(dǎo)水的，斷層以北山頂、山坡石灰?guī)r區(qū)接受大氣降水入滲后，一部分向石峽溝方向徑流，并以泉水形式排泄，另一部分順?biāo)淼乐仙郊褂杀毕蚰辖?jīng)逆斷層上部灰?guī)r由北向南運(yùn)移，經(jīng)隧道漏水部位上方通過(guò)節(jié)理裂隙滲入隧道。據(jù)物探成果，隧道漏水部位頂部巖層中也有地下水位分布，但富水性較差，由于隧道上覆圍巖較厚，故隧道頂部通過(guò)節(jié)理裂隙垂直下滲進(jìn)入隧道中的地下水量不大，僅雨季個(gè)別部位洞頂有少量漏水，旱季則不漏水。

2.1.6 水文地質(zhì)條件

隧道范圍內(nèi)主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，馬場(chǎng)梁山在雁門關(guān)隧道樁號(hào)K592+420部位構(gòu)成分水嶺，其北部地下水向北逕流，南部地下水向南逕流。北部地下水在入滲于奧陶系下統(tǒng)冶里組、寒武系上統(tǒng)鳳山組、長(zhǎng)山組、崮山組、中統(tǒng)張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，在進(jìn)入下部的寒武系中統(tǒng)徐莊組泥頁(yè)巖時(shí)受阻，并受巖層產(chǎn)狀及地勢(shì)控制，折而流向南東；南部地下水流向南東。

雁門關(guān)隧道開(kāi)挖后，隧洞周圍形成一個(gè)較大的巖體松動(dòng)變形圈，使原來(lái)巖體中節(jié)理裂隙不同程度張開(kāi)，并形成一些新的裂隙，增加了巖體的滲透性，這樣隧道就形成巖體中的“集水廊道”，匯集巖體中的地下水，特別是隧道透水性良好的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r含水層洞段，表現(xiàn)的更為明顯。地下水多由西部石峽溝及隧道頂拱入滲隧道，地下水流經(jīng)西隧道時(shí)大部由西隧道排出，東隧道也有少量地下水漏滲。

隧洞北端口—樁號(hào)K593+875段，隧道段圍巖為太古界胡峪組變質(zhì)巖，地下水位高程1525～1730m，高于隧道頂110～290m，含水層位于張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，含水層至隧道頂部有厚105～240m的變質(zhì)巖、泥頁(yè)巖及泥灰?guī)r組成的相對(duì)隔水層，且該隔水層富水性差，隧道基本不滲漏。

樁號(hào)K593+875—K594+500段，隧道段圍巖為寒武系下統(tǒng)毛莊組、中統(tǒng)徐莊組泥頁(yè)巖、泥灰?guī)r，地下水位高程 1415～1505m，高于隧道頂 13～90m，含水層位于張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，含水層至隧道頂部有厚2～84m的泥頁(yè)巖及泥灰?guī)r組成的相對(duì)隔水層，富水性差，僅局部地段存在滲、漏水問(wèn)題。

樁號(hào)K594+500以后段，隧道圍巖為張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，具有良好的透水通道，地下水位位于該層，是隧道滲、漏水最為嚴(yán)重的地段。

2.1.7 地表水與地下水的水力聯(lián)系

據(jù)本次實(shí)地調(diào)查，隧道西側(cè)石峽溝上游的兩處泉水，過(guò)F1逆斷層后，溝底的泉水流經(jīng)裸露灰?guī)r區(qū)至樁號(hào)594+265附近全部漏失，說(shuō)明石峽溝上游兩處泉水漏失也是西隧道滲漏的補(bǔ)給源之一。

2.2 隧道滲漏原因分析

隧道滲、漏水原因主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)：

第一，該隧道處于張夏組灰?guī)r中，而且節(jié)理裂隙及巖溶較為發(fā)育，巖溶形態(tài)主要以溶隙和溶孔為主，局部有管道狀巖溶，含水層厚度大，滲透性及富水性較強(qiáng)，下部為徐莊組泥頁(yè)巖相對(duì)隔水層，整個(gè)滲、漏水地段的隧道基本處于盆狀蓄水構(gòu)造內(nèi)。

第二，地下水流向總體是由西北向東南徑流，且西北側(cè)順石峽溝一帶張夏組灰?guī)r含水層富水性較強(qiáng)，地下水主要從石峽溝西側(cè)首先進(jìn)入西隧道，西隧道相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)“集水廊道”，截滲了一部分巖溶地下水，從而造成了隧道口處的泉水枯竭，西南方向較遠(yuǎn)處的泉水流量減少。

第三，近幾年來(lái)，由于該地區(qū)降水量增大，地下水水位抬升，造成隧道圍巖中地下水水頭增大，洞內(nèi)外水頭壓力提高，石峽溝上游兩處泉水流量增大，流經(jīng)石峽溝溝底漏失至下部灰?guī)r含水層中的水量亦增大。

第四，隧道雖然作了襯砌，且在施工縫、明洞及二次襯砌接縫、沉降縫、伸縮縫等部位采用橡膠止水帶、填塞瀝青麻絮、土工布進(jìn)行防水處理，在隧道中線路基下設(shè)置了直徑500mm的中心排水管，在圍巖與洞壁混凝土之間設(shè)置了豎向排水管并與中心排水管相通，洞內(nèi)圍巖中的地下水可通過(guò)洞底中心排水管排出洞外，但隧道經(jīng)多年運(yùn)行，且在隧道圍巖地下水長(zhǎng)期高滲壓作用下，原采取的止水、排水、防滲等處理措施失效，造成洞壁滲水、涌水。

第五，從隧道出口洞底路基下中心排水管的排水情況看，東、西隧道洞內(nèi)原有的排水系統(tǒng)運(yùn)行比較正常，還具有一定的排水能力，但不能完全將隧道圍巖內(nèi)的地下水納入該排水系統(tǒng)。

綜上所述，地下水流向主要由西北向東南，順?biāo)淼牢鱾?cè)石峽溝存在一地下水較強(qiáng)徑流帶，含水層為寒武系中統(tǒng)張夏組（∈2z）灰?guī)r，富水性較強(qiáng)，西隧道漏水主要是由于該含水層側(cè)向補(bǔ)給引起的。此外，隧道經(jīng)多年運(yùn)行，在隧道圍巖地下水長(zhǎng)期高滲壓作用下，原采取的止水、排水、防滲等處理措施失效，造成洞壁滲水、涌水，也是造成滲漏的原因之一。

2.3 隧道滲漏部位側(cè)向補(bǔ)給量估算

側(cè)向補(bǔ)給量采用斷面法計(jì)算，采用達(dá)西公式：

式中：Q側(cè)補(bǔ)——側(cè)向補(bǔ)給量，m3/d；

K——滲透系數(shù)，m/d；

I——地下水水力坡度；

W——計(jì)算斷面的過(guò)水面積，m2；

β——地下水流向與隧道的夾角。

據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)成果，滲透系數(shù)取3次降深計(jì)算結(jié)果的平均值，取K=17.23m/d；漏水范圍長(zhǎng)度取85m（本次西隧道調(diào)查的最大漏水寬度），據(jù)洞壁出水點(diǎn)高度，含水層厚度平均按4m考慮，則計(jì)算斷面的過(guò)水面積W=340m2；地下水流向與隧道的夾角取β=50°；據(jù)石峽溝鉆孔地下水位、孔與孔之間的水平距離，求得地下水水力坡度平均值為0.15。按式（1）計(jì)算得隧道側(cè)向補(bǔ)給量為403L/min。

據(jù)隧道口排水點(diǎn)流量實(shí)測(cè)成果可知，隧道排水量為400L/min，與計(jì)算的隧道側(cè)向補(bǔ)給量基本相當(dāng)，說(shuō)明隧道排水主要來(lái)自西側(cè)石峽溝的側(cè)向補(bǔ)給。

3 結(jié)論及建議

第一，根據(jù)雁門關(guān)水文地質(zhì)資料和隧洞漏水量統(tǒng)計(jì)及研究區(qū)降雨統(tǒng)計(jì)，建立了雁門關(guān)隧洞區(qū)水動(dòng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)反演模型，得到了各巖層入滲率和入滲強(qiáng)度：入滲率灰?guī)r為0.3，變質(zhì)巖為0.04。

第二，在豐水年，西洞滲漏量為7.9L/s，東洞滲漏量為3.17L/s，泉qs09-1滲漏量為5.2L/s，泉qs09-2滲漏量為4.8L/s，泉qs09-3滲漏量為11.2L/s。

第三，隧洞滲漏水主要來(lái)自灰?guī)r裂隙水，即大氣降水補(bǔ)給，由于泥巖和變質(zhì)巖透水性較小，入滲地下水無(wú)法補(bǔ)給變質(zhì)巖，而在灰?guī)r形成了較高地下水位，在斷層F1東南部隧道（K594+500—K594+826段）內(nèi)，由于裂隙發(fā)育，灰?guī)r內(nèi)地下水沿裂隙滲漏到隧道內(nèi)。在斷層F1西北部隧道內(nèi)，由于泥巖和灰?guī)r阻水作用，灰?guī)r發(fā)育較好，灰?guī)r內(nèi)地下水無(wú)法流入隧道內(nèi)，因此隧道內(nèi)沒(méi)有滲漏點(diǎn)。

針對(duì)隧洞滲漏問(wèn)題提出以下建議：由于隧洞滲漏水主要來(lái)自灰?guī)r裂隙水，要查明滲漏通道，采用封堵的方法封堵來(lái)自隧洞附近的滲漏通道，同時(shí)將滲漏通道封堵段前方的水通過(guò)排不溝等設(shè)施導(dǎo)引到其他位置，以降低水壓力因季節(jié)性波動(dòng)帶來(lái)的脈動(dòng)影響；或者順?biāo)淼罎B漏地下水的來(lái)水方向設(shè)置排水設(shè)施，排泄地下水，防止或減弱滲入隧道內(nèi)的水量。