某鐵路隧道水文地質(zhì)分析及涌水量預(yù)測(cè)

李建偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是前沿性研究課題，而水文地質(zhì)分析是工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容[1］[2］，研究的完善程度對(duì)重大工程施工運(yùn)營(yíng)安全具有指導(dǎo)意義。黃濤、王建秀[3］[4］等學(xué)者對(duì)隧道涌水的物理地質(zhì)特征、數(shù)理計(jì)算方法進(jìn)行了探討，然而這些研究很少涉及物探測(cè)試，多注重地下水化學(xué)的流場(chǎng)分析。

研究區(qū)內(nèi)鐵路隧道位于內(nèi)蒙地區(qū)燕山余脈與陰山的交匯地帶，全長(zhǎng)28.94 km，屬于鐵路雙線(xiàn)越嶺特長(zhǎng)隧道。該工程已完成初步設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)調(diào)查勘測(cè)工作，施工鉆孔27孔，其中共進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)21孔，綜合測(cè)井8孔。隧道全線(xiàn)進(jìn)行了貫通物探測(cè)試，結(jié)合大面積的水文地質(zhì)調(diào)繪，為研究本隧道的水文地質(zhì)條件提供了基礎(chǔ)。

1 隧址區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及地層

隧址區(qū)處于內(nèi)蒙古高原向松遼平原的過(guò)渡地段，地貌屬剝蝕中低山區(qū)。部分地段山體基巖多裸露，植被稀疏，僅個(gè)別溝谷中有人工林發(fā)育。隧道范圍內(nèi)地勢(shì)總體東北高，西南低，隧道頂部山勢(shì)雄偉，地形崎嶇復(fù)雜，多呈懸崖陡坎，溝谷切割強(qiáng)烈。隧道所處山脈海拔高程一般在1 182～1 902 m之間，洞身最高點(diǎn)高程為1 746.4 m，隧道最大埋深696 m。

隧道范圍穿越地層復(fù)雜，進(jìn)口為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土;洞身范圍經(jīng)過(guò)的主要地層為二疊系哲斯組中段變質(zhì)砂巖，燕山期晚期二長(zhǎng)花崗巖及閃長(zhǎng)玢巖，侏羅系土城子組細(xì)砂巖，出口為二疊系哲斯組上段變質(zhì)砂巖。另外山澗溝谷底部多有第四系全新統(tǒng)沖洪積圓礫土、卵石土，緩坡分布上更新統(tǒng)坡洪積角礫土，坡腳分布上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土。

按照巖石強(qiáng)度等級(jí)與地質(zhì)成因，二長(zhǎng)花崗巖具似斑狀—斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)具細(xì)中—粗中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，堅(jiān)硬，隔水性質(zhì)較好。閃長(zhǎng)玢巖為中細(xì)—中粗粒結(jié)構(gòu)，似斑狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，多為侵入巖脈，隔水性質(zhì)較好。變質(zhì)砂巖為細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，在出口段破碎呈束狀，具有一定的親水透水性。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)大地構(gòu)造上位于陰山東西向造山帶，在強(qiáng)烈的褶皺造山地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及第四紀(jì)冰川作用下，區(qū)域發(fā)生多期巖漿侵入活動(dòng)，分別有三期侏羅紀(jì)花崗巖侵入和一期白堊紀(jì)花崗巖侵入，表層基巖為較老的侏羅系和二疊系地層。老地層在巖漿侵入過(guò)程中發(fā)生區(qū)域熱變質(zhì)，形成變質(zhì)砂巖，變質(zhì)板巖等。在花崗巖與變質(zhì)巖體接觸面多發(fā)育接觸性斷層錯(cuò)動(dòng)，兩側(cè)巖體破碎。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈，巖體產(chǎn)狀多呈陡傾角產(chǎn)出，產(chǎn)狀多為NW及SE方向。隧道所通過(guò)的變質(zhì)巖及侵入巖山體結(jié)構(gòu)面發(fā)育。這些結(jié)構(gòu)面中既有沉積層面、不整合接觸面、影響寬度達(dá)到250 m的區(qū)域性的斷層帶，又有密集的節(jié)理面，節(jié)理面的間距為0.05～2 m。結(jié)構(gòu)面、斷層和節(jié)理裂隙疊置組合在一起構(gòu)成了隧道的構(gòu)造破碎帶，隧道工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 某鐵路隧道工程地質(zhì)剖面示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探成果揭示，隧道通過(guò)地段共發(fā)育斷層20余條，隧道穿越的構(gòu)造破碎帶主要為以下幾段。

DK477+460～DK477+730段:分布正斷層 F6、F7，斷層影響寬度約35 m，巖性為侏羅系土城子組砂巖及礫巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈片狀，塊石狀;發(fā)育一組近約70°的陡傾節(jié)理，節(jié)理間距5～15 cm，影響巖體穩(wěn)定。物探揭示該段有兩低阻異常條帶。

DK481+720～DK482+560段:分布正斷層F10、F11，斷層影響寬度約60 m，巖性為二疊系哲斯組中段青灰色變質(zhì)砂巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層陡傾狀態(tài)，傾角50°，巖體破碎，呈碎塊狀。物探揭示該段分布低阻異常帶。

DK490+880～DK491+140段:分布逆斷層F13、正斷層F14，斷層影響寬度約40 m，巖性為燕山期淺肉紅色二長(zhǎng)花崗巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎塊狀。物探揭示該段為低阻異常帶，存在明顯電性分界。

DK496+950～DK497+170段:分布正斷層F21，其影響帶寬度約50 m，巖性為二疊系上統(tǒng)哲斯組上段變質(zhì)砂巖，強(qiáng)—弱風(fēng)化，巖層處于陡傾狀態(tài)，傾角53°。物探亦揭示該段為低阻異常區(qū)。該段落節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水類(lèi)型以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，地下水較豐富，為重點(diǎn)考慮段落。

2 隧址區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 河流水系及氣象

隧址區(qū)南部為東西向的西拉沐倫河，南部降水多沿溝谷流向碧柳溝河，然后匯流進(jìn)入西拉沐倫河;北部為烏梁蘇臺(tái)河，北部諸溝降水流入烏梁蘇臺(tái)河，最終匯入西拉沐倫河。

隧址區(qū)屬東亞中溫帶亞干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，終年干旱少雨，歷年平均降水量為372 mm，歷年平均蒸發(fā)量為1 390 mm，降水多集中在7、8月份，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，大氣降水對(duì)地下水的豐枯程度及動(dòng)態(tài)變化起控制作用。

2.2 含水層及地下水類(lèi)型

依據(jù)地下水賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水以第四系孔隙水、基巖裂隙水為主，另存在少量松散巖類(lèi)孔隙水。在斷層和不同巖層接觸破碎帶存在構(gòu)造裂隙水。

第四系孔隙水:分布于測(cè)區(qū)的河谷沖積階地、坡洪積山間谷地。含水層巖性、厚度、富水性因地而異。含水層巖性東部以礫卵石為主，顆粒較粗;西部為粉細(xì)砂含礫、砂礫層，顆粒相對(duì)較細(xì)。

基巖裂隙水:分布于低中山區(qū)，巖性主要為花崗巖類(lèi)和變質(zhì)砂巖。測(cè)區(qū)花崗巖風(fēng)化裂隙發(fā)育、風(fēng)化殼厚20～30 m。變質(zhì)砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。測(cè)區(qū)南部平房溝附近存在碎屑巖類(lèi)孔隙水。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特征

區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄受地形地貌條件控制。隧道所處東部中低山基巖裂隙區(qū)為補(bǔ)給區(qū)，西部坡洪積與溝谷區(qū)成為徑流、排泄區(qū)。

(1)地下水的補(bǔ)給特征

隧址區(qū)廣泛分布的基巖，在內(nèi)外營(yíng)力長(zhǎng)期作用下，致使巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為降水的直接滲入創(chuàng)造了有利條件。中山區(qū)基巖裸露，第四系堆積物覆蓋薄或無(wú)覆蓋，節(jié)理裂隙多未充填，富水性相對(duì)較強(qiáng);低山區(qū)第四系堆積物較發(fā)育，山坡植被覆蓋，基巖出露條件相對(duì)較差，富水性較弱。裂隙發(fā)育特點(diǎn)是表層以風(fēng)化裂隙(多為花崗巖)為主，泉水出露較多，構(gòu)造裂隙一般僅沿?cái)嗔褍蓚?cè)呈脈狀、帶狀發(fā)育。大氣降水及地表溝谷河流的垂向滲入補(bǔ)給，是區(qū)內(nèi)各類(lèi)地下水形成的主要來(lái)源。

(2)地下水的徑流特征

隧址區(qū)地形坡度較大，溝谷縱橫，切割較深，地表徑流條件良好，大部分降水可匯集成地表水快速順坡徑流。小部分降水入滲補(bǔ)給基巖裂隙水，除在流經(jīng)途中以泉水形式排泄于溝谷外，大多以潛流形式補(bǔ)給第四系孔隙水或深層基巖裂隙孔隙水。

地下水在得到入滲補(bǔ)給后即沿孔隙或裂隙自高而低作水平運(yùn)移，地下水的流向與地表水流向基本一致，總的方向是自東北向西南流動(dòng)，水力坡度較大，隧道區(qū)徑流條件良好。

(3)地下水的排泄特征

隧道區(qū)內(nèi)泉水流量、民井水位隨季節(jié)降水而變化，地下水位年變幅小于5 m。

區(qū)內(nèi)地下水排泄方式主要有泉水、溝谷水向區(qū)外的徑流、附近村民生活用水、農(nóng)田灌溉以及垂向蒸發(fā)等。其中地下徑流為其主要排泄方式，蒸發(fā)為本區(qū)普遍的重要排泄方式之一。

3 隧道涌水量計(jì)算

綜合基巖裂隙水發(fā)育情況、斷層構(gòu)造帶和隧道低埋處的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，推測(cè)斷裂破碎帶處可能為地下水富集帶。因此在相應(yīng)位置布置鉆孔，并進(jìn)行抽水或壓水水文地質(zhì)試驗(yàn)，以求得巖土體的水文地質(zhì)參數(shù)。

3.1 鉆孔水文地質(zhì)試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際情況，隧址區(qū)共完成21個(gè)單孔水文地質(zhì)試驗(yàn)。對(duì)于抽水試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的試驗(yàn)井類(lèi)型及地下水水力類(lèi)型，采用《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》中的抽水試驗(yàn)計(jì)算公式[5］;對(duì)于壓水試驗(yàn)，由于實(shí)際試驗(yàn)段底部距隔水層之厚度大于試驗(yàn)段長(zhǎng)度，采用公式如下[5］

式中 K——滲透系數(shù)/(m/d);

ω——單位吸水量/(L/min·m2);

l——試驗(yàn)段長(zhǎng)度/m;

r——鉆孔的半徑/m。

求得不同鉆孔覆蓋層及不同風(fēng)化程度基巖對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)K結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，隧道范圍內(nèi)淺部巖體的透水性和賦水性相對(duì)較強(qiáng)，向深部表現(xiàn)為由強(qiáng)→弱→微弱透水與非含水的變化規(guī)律，巖體滲透性與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境之間存在著相互關(guān)系。

表1 隧道水文孔滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 隧道涌水量預(yù)測(cè)

隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，根據(jù)不同水文參數(shù)及地質(zhì)情況，隧道涌水量計(jì)算分段較多。限于篇幅，僅選取具有代表性的DK496+950～DK497+170構(gòu)造破碎段落進(jìn)行涌水量計(jì)算。

DK496+950～DK497+170段:隧道穿越地層為二疊系上統(tǒng)哲斯組上段變質(zhì)砂巖，強(qiáng)—弱風(fēng)化，分布斷層破碎帶及其影響帶F21，巖層處于陡傾狀態(tài)，傾角53°。物探亦推測(cè)該段為低阻異常區(qū)。該段落巖體破碎，地下水類(lèi)型以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，地下水較豐富。滲透系數(shù)可參考18號(hào)鉆孔水文地質(zhì)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。

(1)涌水量計(jì)算公式的選取

在研究和總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)地下水的預(yù)測(cè)方法基礎(chǔ)上，從快速適用、可行的角度出發(fā)，同時(shí)又遵循有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有選擇性地運(yùn)用如下多種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，這些方法包括地下水動(dòng)力學(xué)方法、理論公式法以及經(jīng)驗(yàn)公式法等[5-10］。

①柯斯嘉科夫理論公式

②佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式

③最大古得曼法經(jīng)驗(yàn)式

④正常、最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式

⑤大島洋志半理論半經(jīng)驗(yàn)公式法

⑥落合敏郎半理論半經(jīng)驗(yàn)公式法

式中 Q——隧洞涌水量(m3/d，Qs為段落穩(wěn)定涌水量，Q0為段落最大涌水量);

q——單位涌水量(m3/d·m，qs為穩(wěn)定單位涌水量，q0為最大單位涌水量);

K——含水體的滲透系數(shù)/(m/d);

L——通過(guò)含水體的隧洞長(zhǎng)度/m;

α——降水入滲系數(shù);

m——洞身橫斷面等價(jià)圓系數(shù)，一般取0.86;

ε——平均試驗(yàn)系數(shù)，一般取12.8;

W——年降水量/mm;

A——通過(guò)含水體段的集水面積/km2;

H1(h2)——為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離/m;

H(hc)——含水體有效厚度/m;

h0——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深/m;

d——洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑/m;

r(r0)——洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑;

B——為洞身橫斷面寬度/m;

R——隧道涌水影響半徑/m。

(2)涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

分別根據(jù)以上涌水量公式對(duì) DK496+950～DK497+170段進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果綜合考慮，對(duì)該段落的涌水量預(yù)測(cè)推薦值如表2所示。

表2 DK496+950～DK497+170段涌水量計(jì)算結(jié)果

由表2可知，隧道內(nèi)DK496+950～DK497+170構(gòu)造破碎段的正常涌水量為3 199 m3/d，最大涌水量為7 860 m3/d，屬于強(qiáng)富水段。

同理，通過(guò)以上方法對(duì)隧道其余段落進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算，可知隧道在斷層和不同巖性接觸面破碎帶、隧道沿線(xiàn)溝谷的第四系含水層、巖層破碎的隧道淺埋區(qū)都是潛在涌水的重要地段，屬于中等—強(qiáng)富水段。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)隧道范圍內(nèi)斷裂、節(jié)理裂隙面與結(jié)構(gòu)面組成的破碎帶為滲水的主要通道，降雨形成的地表水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水以第四系孔隙水、基巖裂隙水為主，另存在少量碎屑巖孔隙水，在斷層和不同巖層接觸破碎帶存在構(gòu)造裂隙水。隧道內(nèi)DK496+950～DK497+170構(gòu)造破碎段的正常涌水量為3 199 m3/d，最大涌水量為7 860 m3/d，屬于強(qiáng)富水段。

(2)通過(guò)隧道勘探孔的水文地質(zhì)試驗(yàn)及調(diào)查，可知隧道范圍內(nèi)淺部巖體的透水性和賦水性相對(duì)較強(qiáng)，向深部表現(xiàn)為由強(qiáng)→弱→微弱透水與非含水的變化規(guī)律，巖體滲透性與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境之間存在著相互關(guān)系。

(3)綜合多種方法預(yù)測(cè)涌水量，隧道在斷層和不同巖性接觸面、破碎帶、隧道沿線(xiàn)溝谷且?guī)r層破碎的隧道淺埋區(qū)都是潛在涌水的重要地段，屬于中等—強(qiáng)富水段，可能會(huì)發(fā)生集中涌水、涌泥等問(wèn)題，在工程施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

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