永壽梁隧道地下水的成因、分布規(guī)律及施工措施研究

趙春華（中國中鐵隧道集團有限公司杭州公司，浙江　杭州　310000）

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永壽梁隧道地下水的成因、分布規(guī)律及施工措施研究

趙春華
（中國中鐵隧道集團有限公司杭州公司，浙江杭州310000）

摘要：根據(jù)勘探資料，分析了永壽梁隧道地下水形成的自然條件、賦存條件與分布規(guī)律，確定了地下水的補給、徑流、排泄條件，進行了隧道水文地質(zhì)條件分析與評價，提出了施工措施建議。

關(guān)鍵詞：隧道；地下水成因；分布規(guī)律；施工措施

在隧道施工過程中對圍巖中地下水的認(rèn)識和研究一直被設(shè)計和施工技術(shù)人員所關(guān)注，王鵬研究了烏鞘嶺隧道涌水原因分析及處治措施[1]；汪海濱研究了山嶺隧道地下水規(guī)律及防治方法[2]；梁詔斌等進行了礦山法隧道地下水控制分析[3]，研究了采取不同的防水措施時，地下水滲流對周圍環(huán)境的影響及作用在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力的分布規(guī)律；王秀英等進行了山嶺隧道堵水限排圍巖力學(xué)特性分析[4]；張志強等進行了圓梁山隧道在高水位條件下支護結(jié)構(gòu)體系研究[5]，黃濤等進行了滲流一應(yīng)力一溫度耦合下裂隙圍巖隧道涌水量的預(yù)測[6]；王建宇分析了隧道圍巖滲流和襯砌水壓力荷載[7]。本文結(jié)合永壽梁隧道工程實際，研究了地下水的成因、分布規(guī)律，同時提出了施工措施建議。

1　區(qū)域地下水形成的自然條件

永壽梁隧道位于陜西省永壽縣、彬縣境內(nèi)，地處渭北黃土南緣，涇（河）渭（河）分水嶺東端。永壽梁隧道穿越永壽縣黃土溝梁區(qū)，隧道洞身通過地區(qū)為溝谷深切的寬梁地形，屬低中山地貌。嶺脊基本呈東西向，埡口西高東低，由西向東逐漸趨緩，支脈漸增，分水嶺南坡緩、北坡陡，除北側(cè)太峪河寬谷較寬外，其它溝谷均強烈下切，如：蔡家山溝、干板溝、冰凌溝、陡坡溝多呈坡陡谷深的黃土“V”型溝，溝谷呈樹枝狀，溝深相對高差100～200m。

永壽梁以北及蒿店梁以東的地表水匯入涇河，永壽梁以南與蒿店梁以西的水匯入渭河，較大沖溝溝底常有小股水流。

永壽梁黃土覆蓋，僅嶺頂及溝底零星出露基巖。分水嶺頂（靠線路附近）標(biāo)高1390m，嶺兩側(cè)黃土塬頂標(biāo)高約為1240m及1160m。

據(jù)永壽縣、彬縣氣象站氣象資料顯示：本區(qū)屬于南溫帶大陸性亞濕潤氣候區(qū)，夏季炎熱，冬季寒冷，春秋兩季多風(fēng)，四季分明。降水主要集中在7、8兩個月，年平均降水量571.5（永壽縣）～566.3mm（彬縣）。

永壽梁隧道進口地表水為泔河上游支流，流量較小，由于人工土壩攔截，在進口溝谷處形成積水；出口為太峪河支流，為常年流水，流量較大，泔河為渭河支流，太峪河為涇河支流。隧道通過區(qū)沖溝發(fā)育，較大沖溝溝底常有小股水流，該水流主要是基巖裂隙滲出水及泉水匯集于地表形成的，多為常年流水，除干板溝、冰棱溝中地表水流量較大，分別為1040m3/d、350m3/d，其余溝谷流量一般40～120m3/d，地表水流以沿途基巖裂隙滲出水為主，其次為泉水。泉流量很小，出露位置大多不太明顯，已發(fā)現(xiàn)泉眼數(shù)量較少，流量較小，一般小于0.3l/s。

隧道工程涉及的地層主要有第四系、白堊系、侏羅系、三疊系等。

2　地下水的賦存條件與分布規(guī)律

永壽梁隧道地區(qū)地下水的分布規(guī)律和賦存條件，受氣候、構(gòu)造、巖性及地貌的嚴(yán)格控制，呈現(xiàn)出特殊性和復(fù)雜性。由于隧道區(qū)上部為沖積、風(fēng)積黏質(zhì)黃土，厚度10～200m不等，所以黃土層中普遍不含水，局部黃土鈣質(zhì)結(jié)核層中存在上層滯水。所以根據(jù)隧道通過區(qū)出露的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征,并結(jié)合含水介質(zhì)的不同,將隧道區(qū)地下水分為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。前者分布于隧道進、出口及各溝谷中，賦存于第四系沖積粗、細(xì)圓礫土和砂層中，接受大氣降水入滲補給，地下水的水量受含水層的分布、埋深和季節(jié)性補給等因素影響差異顯著；后者主要儲存于隧道區(qū)白堊系下統(tǒng)（K1）礫巖夾砂巖、侏羅系（J）砂巖夾泥巖、三疊系中統(tǒng)（T2）砂巖夾頁巖中，依據(jù)儲水裂隙成因的不同，又分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水兩類，隧道洞身通過區(qū)地下水主要為后者。

隧道通過區(qū)出露的基巖地層有白堊系下統(tǒng)（K1）、侏羅系（J）、三疊系中統(tǒng)（T2）三個地質(zhì)時代的地層，這些地層以角度不整合形式接觸。區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造特點是斷裂少見，褶皺發(fā)育，背、向斜構(gòu)造軸部與隧道走向垂直，核部及兩翼地層巖層產(chǎn)狀平緩。拜家河溝向斜軸部上層為白堊系礫巖夾砂巖，下部為侏羅系砂巖夾泥巖、礫巖夾砂巖，兩翼主要為三疊系砂巖夾頁巖及侏羅系砂巖夾泥巖；太峪背斜軸部為三疊系砂巖夾頁巖，向東逐次見侏羅系地層。

這些地層中，位于向斜兩翼的三疊系砂巖夾頁巖和向斜軸部上層的白堊系下統(tǒng)（K1）礫巖夾砂巖和下部侏羅系礫巖夾砂巖中構(gòu)造節(jié)理、裂隙發(fā)育，且張開性較好，為地下水的儲存、運移提供了良好的場所，是隧道區(qū)主要基巖裂隙水含水層（體）。同時，向斜核部為儲水構(gòu)造，富水性相對較好；太峪背斜核部儲水條件及富水性較差。

3　地下水的補給、徑流、排泄條件

永壽梁隧道地處中朝準(zhǔn)地臺的三級構(gòu)造單元陜北臺凹的彬旬凹陷和北緣撓褶帶的結(jié)合部。區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造特點是斷裂少見，褶皺發(fā)育，背、向斜構(gòu)造南北相間成排，褶皺形態(tài)以寬緩型-緩波狀背斜及槽狀-平緩狀向斜為特征。

該地區(qū)地形坡度大，切割強烈，為明顯的泄水地形。降水為地下水的主要補給來源，但是降水入滲強度隨地形切割起伏程度的增大而減小，并以附近溝谷為排泄基準(zhǔn)面。地下水位與地貌形態(tài)及含水層埋深密切相關(guān)，水位高程一般在950～1150m左右，溝谷內(nèi)地表水流高程一般在900～1135m，潛水位高于地表水位，從而可以推斷基巖節(jié)理、裂隙為地下水的徑流通道，溝谷為地下水排泄區(qū)。隧道區(qū)溝谷水、泉水的補給、徑流及排泄基本形成了統(tǒng)一的循環(huán)體系。

4　隧道水文地質(zhì)條件分析與評價

4.1隧道富水性分區(qū)

越嶺地區(qū)地層種類較多，根據(jù)含水介質(zhì)及賦存條件的不同，劃分為兩種含水巖組，對應(yīng)這兩種含水巖組，根據(jù)隧道區(qū)地形地貌、構(gòu)造特征，結(jié)合鉆探、抽、提水試驗及水文測井資料，綜合分析越嶺隧道通過區(qū)的富水條件，相應(yīng)劃分了三個富水性分區(qū)。

1）孔隙潛水含水巖組（Ⅰ）

主要由下更新統(tǒng)（Q1）沖積粉質(zhì)粘土、細(xì)圓礫土組成。該含水巖組主要分布在隧道進、出口附近，地下水主要為上層滯水，僅含少量或微量地下水。單位正常涌水量小于100m3/d·km。

2）基巖裂隙水含水巖組（Ⅱ）

主要為白堊系下統(tǒng)礫巖夾砂巖、侏羅系礫巖夾砂巖和砂巖夾泥巖，三疊系中統(tǒng)砂巖夾頁巖相互間以不整合形式接觸，根據(jù)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度和上覆地層富水條件可將該含水巖組劃分為基巖裂隙水中等富水區(qū)(Ⅱ1)和基巖裂隙水弱富水區(qū)(Ⅱ2)。

（1）基巖裂隙水中等富水區(qū)(Ⅱ1)：該含水巖組分布于隧道淺埋地段的溝谷區(qū)和拜家河溝向斜軸部附近，由于上覆黃土層厚度小，基巖破碎，且埋藏淺，易接受大氣降水及溝谷中地表水的季節(jié)性補給，并通過節(jié)理、裂隙垂向滲透補給下部基巖裂隙水。該巖組地層以侏羅系礫巖夾砂巖、砂巖夾泥巖和三疊系砂巖夾頁巖為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，且連通性較好，主要為構(gòu)造裂隙水，水量較大，單位正常涌水量約1000～2085m3/d·km。

（2）基巖裂隙水弱富水區(qū)(Ⅱ2)：該含水巖組主要分布于太峪背斜附近和隧道嶺脊及緩坡地帶，埋深大，上覆黃土層厚度相對較大，降水入滲補給條件較差，雖然下部侏羅系礫巖夾砂巖、砂巖夾泥巖和三疊系砂巖夾頁巖地層中節(jié)理、裂隙較發(fā)育，但水量卻相對較小，單位正常涌水量約466～810m3/d· km，主要為構(gòu)造裂隙水。

4.2隧道水文地質(zhì)條件評價

永壽梁隧道地區(qū)的地址和水文條件較為復(fù)雜，大部分地區(qū)覆蓋有厚層黃土。第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土，風(fēng)積成因為主，孔隙發(fā)育，壁立性強，具濕陷性；第四系中更新統(tǒng)離石黃土，風(fēng)積成因為主，頂部局部具濕陷性。根據(jù)土工試驗報告計算，隧道進口段黏質(zhì)黃土具Ⅱ級自重濕陷性，總濕陷量35～54cm，濕陷土層厚度約13m。出口段黏質(zhì)黃土具Ⅲ級自重濕陷性，總濕陷量44～55cm，濕陷土層厚度9～14m。本區(qū)范圍屬于黃土溝梁區(qū)，有滑坡、錯落數(shù)十處，主要為黃土沖溝滑坡（錯落），這與地層分布、巖性產(chǎn)狀、溝谷切割及地下水有密切關(guān)系。線路以隧道形式通過，且進、出口均已繞避，所以，對隧道工程影響不大，但在崔家溝、干板溝、冰凌溝等溝兩側(cè)坡面，多為陡坡淺層高角度小型滑坡、錯落及溜坍、坍塌，坡面凌亂，滑體、錯落及溜坍、坍塌堆積物主要為黏質(zhì)黃土，堆積物前緣堆積于溝底，無明顯的規(guī)律，由于洞身埋深較大，地表滑坡、錯落對隧道基本無影響。

第四系中、下更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土中夾有灰黃色、棕紅色古土壤，呈層狀，厚度0.2～1m，從巖芯外觀看具有膨脹巖土的基本特征，在隧道進出口及各斜井井口處均有分布，自由膨脹率一般在50%～60%，陽離子交換量196～211mmoL/kg，蒙脫石含量15.9%～18.5%，具有弱膨脹性。侏羅系泥質(zhì)砂巖、泥巖自由膨脹率37%～51%，陽離子交換量175～257mmoL/kg，蒙脫石含量8.1%～12%，具有弱膨脹性。

隧道區(qū)溝谷發(fā)育，除隧道進出口兩側(cè)的蔡家山溝、陡坡溝外，還發(fā)育有富家溝、崔家溝、干板溝和冰棱溝等多條較大的溝谷，溝谷地段上覆黃土層厚度小，基巖埋藏淺，局部地段基巖甚至出露，基巖裂隙水易接受大氣降水及溝谷中地表水的入滲補給，富水性中等；拜家河溝向斜軸部附近有利的儲水條件，使其賦水性較好；太峪背斜附近和隧道嶺脊及緩坡地帶，富水性相對較弱。

永壽梁隧道區(qū)較大溝谷中多有泉水出露，雖然流量較小，但多為常年流水，可見隧道區(qū)基巖裂隙水補給較穩(wěn)定，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，且連通性較好。隧道區(qū)溝谷地表水、泉水是當(dāng)?shù)鼐用裎ㄒ坏纳铒嬘盟?，施工中，?yīng)密切注意施工排水對地表水、泉水的影響，做好相應(yīng)的監(jiān)測工作，以免疏干水源；地下水對隧道圍巖及施工有一定的影響，隧道通過基巖裂隙水中等富水區(qū)時，預(yù)計洞身及1、2、3號斜井開挖時，可能發(fā)生集中涌水、滲漏水、圍巖失穩(wěn)坍塌等危害，施工中應(yīng)注意做好地質(zhì)超前預(yù)報工作，并及時做好相應(yīng)的防護措施，對滲漏水處應(yīng)采取注漿堵水等措施；隧道穿越基巖裂隙水弱富水區(qū)時，施工中可能發(fā)生滲漏水、滴滲水及圍巖失穩(wěn)坍塌等危害，局部段落也不排除有涌水的可能性，應(yīng)注意做好基礎(chǔ)的防水設(shè)計；進入松散層孔隙水貧水區(qū)時，涌水量較小，對隧道影響不大，局部段落可能會發(fā)生輕微的滴滲水。

若雨季施工干板溝、冰凌溝隧道淺埋段，由于上、下游溝谷不暢，溝內(nèi)積水，地表水沿黃土和基巖節(jié)理裂隙下滲，使隧道洞身成為富水區(qū)，施工中有可能產(chǎn)生突然涌水現(xiàn)象，應(yīng)加強監(jiān)測。

5　結(jié)論及工程措施建議

1)永壽梁隧道的水文地質(zhì)條件受區(qū)域水文地質(zhì)特征的控制和影響。地下水的形成主要是水地表水通過基巖構(gòu)造裂隙、溶蝕裂隙、風(fēng)化裂隙滲流到基巖層的儲水構(gòu)造中，形成相對穩(wěn)定的地下水水動力循環(huán)帶。

2)2#斜井進口位于干板溝右側(cè)一支溝溝口，與線路呈40°相交于DK103+950，平面長度1018m，該支溝溝谷較窄，溝心及兩側(cè)岸坡樹木茂密，雜草叢生，溝心有常年流水，水量較小。斜井洞身穿過白堊系礫巖夾砂巖及侏羅系砂巖夾泥巖、礫巖，巖體節(jié)理較發(fā)育，Ⅳ級軟石。井口處第四系地層覆蓋，進口右側(cè)分布一大型錯落，工程地質(zhì)條件一般。

3)隧道進出口部分段落隧道走行于土石界面附近，洞身圍巖以沉積巖為主，圍巖產(chǎn)狀變化較大，層間結(jié)合差，軟硬不均，極可能產(chǎn)生圍巖失穩(wěn)、坍塌、突然涌水等工程地質(zhì)問題，設(shè)計和施工時對軟弱段應(yīng)加強措施，施工時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報工作，并根據(jù)超前預(yù)報的地質(zhì)情況，提出工程措施意見，以保證隧道施工工程安全。

4)進出口段黏質(zhì)黃土中古土壤層具弱膨脹性，洞身處泥質(zhì)砂巖、泥巖具弱膨脹性，施工時應(yīng)注意。

5)隧道設(shè)置雙側(cè)水溝排水，道床底部預(yù)埋鍍鋅鋼管連接左右側(cè)水溝，為隧道側(cè)溝內(nèi)的水盡量均勻分配，利用橫通道側(cè)溝連接I、II線水溝。

6)拱墻背后設(shè)置厚度不小于1.5mm的EVA防水板，板后鋪設(shè)無紡布緩沖層（＞300g/m2）；

7)防水板背后拱墻環(huán)向設(shè)Φ50mmHPDE單層打孔波紋管盲溝，墻腳縱向設(shè)Φ75mmHPDE單層打孔波紋管盲溝。環(huán)向盲溝與縱向盲溝均直接與隧道側(cè)溝連通。環(huán)向盲溝縱向間距按中等富水區(qū)6～8m、弱富水區(qū)8～10m、貧水區(qū)10～12m一道設(shè)置，并分段引入隧道側(cè)溝內(nèi)，引排防水層背后的積水。

8)施工縫防水構(gòu)造為外貼止水帶+中埋橡膠止水帶，橫通道及其它非機電綜合洞室的襯砌施工縫采用單一防水構(gòu)造：即中埋橡膠止水帶。變形縫采用外貼止水帶+中埋橡膠止水帶+嵌縫材料。

9)施工中，一方面對水文地質(zhì)及地表水文環(huán)境進行監(jiān)測與跟蹤，采用地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)探明前方水文地質(zhì)情況，提前疏排或注漿止水；另一方面，要做好應(yīng)急準(zhǔn)備，一旦發(fā)生涌水，要盡快安裝抽水設(shè)施，迅速排出，應(yīng)按最大涌水量配備排水設(shè)備，確保安全。對可能發(fā)生涌水的部位及時采取措施，避免突發(fā)性、災(zāi)害性涌水的事故。超前帷幕注漿法的設(shè)計注漿參數(shù)為：漿液水灰比（W/C）為1：1，水玻璃濃度為35波美度，模數(shù)2.4，水泥水玻璃體積比（C/S）為1：0.6，單孔有效擴散半徑R取3m，初始壓力控制在0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa，一次注漿長度為15m，每次開挖12m，留3m作為下一循環(huán)注漿止?jié){盤，注漿設(shè)計范圍為隧道開挖輪廓線外5m，開挖斷面內(nèi)均布注漿孔三環(huán)，從外向內(nèi)每一環(huán)的外插角依次為：20°～23°、10°～13°、2°～5°，采用分段前進式全孔一次壓入式兩種注漿方式。

10)施工排水工作方式

（1）進口端排水：正洞掌子面積水采用移動潛水泵抽至設(shè)在洞內(nèi)一側(cè)的泵站，由工作泵將水倉積水經(jīng)管路抽排至下一級泵站，如此接力抽排至洞外，沉淀過濾后排放。

（2）斜井工區(qū)：在自掘的過程中可不設(shè)水倉，工作面的積水由移動潛水泵抽排至臨時水倉內(nèi)，由臨時水倉抽排至洞外；斜井施工正洞時，斜井井底、井身設(shè)水倉及泵站，正洞滲水和斜井自身滲水以及施工用水均由斜井排出洞外。斜井擔(dān)負(fù)正洞反坡施工段較短，采用移動潛水泵將水抽至斜井底，再通過斜井泵站抽至洞外，水量較大時，在正洞中設(shè)置水倉。

（3）水倉尺寸按15min設(shè)計涌水量設(shè)計，并考慮施工和清淤方便綜合確定。工作水泵按使用一臺、備用一臺、檢修一臺配備，排水管采用承壓鑄鐵管。

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中圖分類號：U45