龍南隧道施工涌水量計算及分析

任增增

(貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室，貴陽 550081)

1 工程概況

擬建龍南隧道位于江西省贛州市全南縣和龍南縣境內(nèi)，線路近正北、北西走向。場區(qū)以剝蝕構(gòu)造低山為主，地形起伏，局部陡峭，溝谷狹長，多呈V字型。隧道穿越變質(zhì)砂巖、花崗巖、砂巖、石英砂巖等地層，隧道起訖里程為DK91+531～DK101+775.27，全長10 244.27 m。隧道穿越低山區(qū)，沿線地面標(biāo)高210～860 m，隧道地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，屬控制性重點隧道工程。隧道進(jìn)口內(nèi)軌設(shè)計標(biāo)高236.272 m，出口內(nèi)軌設(shè)計標(biāo)高261.153 m，隧道最大埋深約580 m。

2 地質(zhì)條件概述

2.1 地層巖性

隧道區(qū)出露的地層有第四系全新統(tǒng)(Q4)覆蓋層及泥盆系老虎坳組(D2l)、寒武系高灘組(∈2gt)、燕山期(γ52)巖層。沿線出露的地層巖性由新至老分述如下：

2.1.1 第四系全新統(tǒng)(Q4)

區(qū)內(nèi)分布的第四系全新統(tǒng)地層主要為溝谷底部的沖洪積層(Q4al+pl)以及山坡地帶的殘坡積層(Q4el+dl)。

沖洪積層(Q4al+pl)，粉質(zhì)黏土，黃褐色，可塑，厚度0～5 m，局部為圓礫土，稍密，厚約5 m，分布于進(jìn)出口谷底附近及沿線溝谷地段。

殘坡積層(Q4el+dl)，分布于進(jìn)出口緩坡處及低山山坡表層，為粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬塑，厚度為0～3 m。

2.1.2 燕山期(γ52)

主要分布于DK91+910～DK98+290附近，巖性主要為黑云母花崗巖，全～弱風(fēng)化?；◢弾r全風(fēng)化層厚0～10 m，呈砂土狀，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)風(fēng)化層厚3～15 m，巖體破碎，弱風(fēng)化節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎～較完整。

2.1.3 泥盆系老虎坳組(D2l)

主要分布于DK98+290～DK101+775.27(隧道出口)附近，巖性主要為砂巖、石英砂巖，由鉆孔揭示局部夾灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。地表全～強(qiáng)風(fēng)化層厚3～25 m，其下為弱風(fēng)化。弱風(fēng)化呈青灰色，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀227°∠40°、66°∠40°、45°∠50°。

2.1.4 寒武系高灘組(∈2gt)

主要分布于DK91+533(隧道進(jìn)口)～ DK91+900附近，巖性主要為高灘組(∈2gt)變質(zhì)砂巖，地表全～強(qiáng)風(fēng)化層厚10～25 m，其下為弱風(fēng)化。弱風(fēng)化呈青灰色，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀41°∠60°。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)處于我國大地構(gòu)造單元華南褶皺系的九連山隆起區(qū)，區(qū)域內(nèi)受燕山期(γ52)花崗巖侵入以及區(qū)域中寨(全南)～江頭圩(安遠(yuǎn))大斷裂影響，隧址區(qū)構(gòu)造發(fā)育。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及沿線實際調(diào)查，結(jié)合震探、EH-4等綜合分析，線路DK91+900以及DK98+290附近分別為燕山期(γ52)侵入花崗巖與寒武系(∈2gt)及泥盆系(D2l)砂巖侵入接觸帶，DK91+900～DK98+290段為燕山期(γ52)侵入花崗巖地層，進(jìn)口及大里程側(cè)為泥盆系(D2l)地層，受到斷層切割，巖層產(chǎn)狀多有變化，主要產(chǎn)狀有327°∠40°、66°∠40°、45°∠50°。隧址區(qū)發(fā)育10處斷裂帶。

3 水文地質(zhì)特征

3.1 地表水特征

隧道區(qū)地表水系較發(fā)育，主要為山間溪溝水，一般呈V型沖溝，屬山區(qū)型羽狀溝網(wǎng)匯集而成，主要接受大氣降水補(bǔ)給，具有山區(qū)季節(jié)性河流特征，其中DK92+120～DK92+160淺埋段地表水發(fā)育，山間溝溪水匯集于該處東側(cè)750 m處小水庫中，庫水流徑線位，水量大，該段隧道洞身圍巖為花崗巖，埋深約30 m，易發(fā)生坍塌冒頂，設(shè)計及施工中需加強(qiáng)該段巖體的支護(hù)及防排水措施。

3.2 地下水類型

地下水類型為基巖裂隙水，按其賦存空間及區(qū)內(nèi)地層巖性及構(gòu)造可分：松散巖層孔隙水、風(fēng)化裂隙水、構(gòu)造裂隙水及巖溶水。

3.3 地下水的補(bǔ)徑排特征

3.3.1 補(bǔ)給特征

測區(qū)地形切割較為強(qiáng)烈，相對高差較大，風(fēng)化裂隙十分發(fā)育，地面植被層較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層厚度較厚，大氣降水為地下水主要補(bǔ)給來源。

3.3.2 徑流及排泄特征

部分大氣降水通過裂隙、斷層帶下滲后，通過包氣帶后由垂向徑流轉(zhuǎn)向水平徑流，其中大部分賦存于淺部的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，通過短途徑的地下徑流后在溝谷中或懸崖部位以下降泉或散流形式排泄，一般徑流途經(jīng)短，徑流強(qiáng)度較大，徑流深度較小，地下水水位動態(tài)變化大，部分沿著大的構(gòu)造裂隙和斷層破碎帶向深部徑流，成為深部地下水靜儲量的一部分。

3.3.3 巖溶水補(bǔ)給特征

洞身DK99+000～DK100+500段可能賦存巖溶水，補(bǔ)給途徑主要有3個方面，大氣降水補(bǔ)給、地表水通過溪溝流經(jīng)區(qū)內(nèi)由裂隙滲漏補(bǔ)給及相鄰地下水系統(tǒng)補(bǔ)給，大氣降水為主要補(bǔ)給途徑。

4 隧道涌水量的計算與評價

根據(jù)對地質(zhì)條件的認(rèn)識和綜合分析，龍南隧道涌水量計算主要用3種方法：①降水入滲法；②地下徑流模數(shù)法；③地下水動力學(xué)法，以便綜合對比分析，為隧道設(shè)計施工提供指導(dǎo)。

4.1 涌水量計算方法及分析

4.1.1 降水入滲法[1]

1) 計算隧道正常涌水量(Qs)。公式如下：

Qs=2.74α·W·A

式中：Qs為隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)；W為多年平均降水量；A為隧道通過含水體地段的集水面積。

2) 計算隧道最大涌水量(Qmax)。公式如下：

Qmax=2.74α·Wmax·A

式中：Qmax為隧道通過含水體地段的最大涌水量，m3/d，約等于隧道正常涌水量的1.5倍；Wmax為多年最大降水量。

若計算隧道雨季涌水量或設(shè)計頻率暴雨涌水量時，降雨量值必須分別采用不同的設(shè)計頻率降雨量。計算雨季涌水量(Qs)，設(shè)計頻率降雨量的取值選用隧址區(qū)多年月最大降雨量的日平均降雨量值。見表1。

表1 隧道分段及降水入滲系數(shù)

綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性，選取合理的降雨入滲參數(shù)，結(jié)合圈定的集水面積區(qū)段(F8斷層帶附近采用地下水動力學(xué)法計算)收集的降雨量參數(shù)，利用公式進(jìn)行計算。采用降雨入滲法，龍南隧道洞身可能發(fā)生涌水地段(F8斷層除外)正常涌水量為1 922 m3/d，最大涌水量為3 051 m3/d；其余地段均為弱富水區(qū)，發(fā)生涌水的可能較小，預(yù)測最大涌水量為0.5 m3/d·m，即4 113 m3/d；合計降雨入滲法計算的龍南隧道(F8斷層除外)正常涌水量為6 082 m3/d，最大涌水量為7 239 m3/d。

4.1.2 地下徑流模數(shù)法[2]

1) 計算隧道正常涌水量(Qs)。公式如下：

Qs=M年·A

式中：Qs為隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；M年為年平均地下徑流模數(shù)，m3/(d·km2)；A為隧道通過含水體地段的集水面積，km2。

2) 計算隧道最大涌水量(Qmax)。公式如下：

Qmax=λ·M年·A

經(jīng)計算，采用地下徑流模數(shù)法，龍南隧道洞身可能發(fā)生涌水地段(F8斷層帶附近采用地下水動力學(xué)法計算)正常涌水量為3 320 m3/d，最大涌水量為4 980 m3/d。見表2。

表2 地下徑流模數(shù)法計算表

4.1.3 地下水動力學(xué)法[3]

隧道位于有限厚的含水層中，承壓水從富水?dāng)嗔褞б粋?cè)補(bǔ)給，采用下列公式計算山區(qū)地下水補(bǔ)給一側(cè)的涌水量。

式中：Q為隧道的涌水量，m3/d；B為隧道通過含水體的長度，m；K為含水體的滲透系數(shù)，m/d；H為含水層厚度，m；h為水位下降曲線在隧道邊墻上的高度，m；R為隧道涌水量影響半徑，m；M為承壓含水層厚度，m。

隧道洞身在DK99+500～DK99+620段穿過F8斷層，與線路60°斜交，線路穿過斷層的長度在120 m左右，斷層帶巖體破碎，導(dǎo)水及富水性極好；采用地下水動力學(xué)法計算隧道本段的涌水量，計算結(jié)果見表3。

表3 地下水動力學(xué)法計算表

4.2 涌水量分析評價

計算結(jié)果表明，DK92+120～DK92+370段(F1斷層破碎帶、淺埋段)、DK92+990～DK93+120段(F2斷層破碎帶)、DK95+190～DK95+330段(F3斷層破碎帶)、DK96+750～DK96+880段(F4斷層破碎帶)、DK97+670～DK98+480段(F5、F6斷層破碎帶)、DK99+160～DK99+250段(F7斷層破碎帶)、DK100+140～DK100+220段(F9、F10斷層破碎帶)及DK101+140～DK101+220段(F11斷層破碎帶)所在隧道洞身區(qū)域?qū)僦械雀凰畢^(qū)，DK99+500～DK99+620段(F8斷層破碎帶)為強(qiáng)富水區(qū)，其他段皆為弱富水區(qū)，發(fā)生突水的可能性較小，但設(shè)計及施工中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報。隧道主要可能涌水部位分布在構(gòu)造發(fā)育區(qū)、地表溝谷發(fā)育區(qū)、花崗巖侵入接觸帶及鉆探揭示可溶巖地段。隧道可溶巖分布段鉆探揭示灰?guī)r巖芯表面局部見較強(qiáng)溶蝕現(xiàn)象，基于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，推測該段巖溶水及構(gòu)造富水呈帶狀儲集，多具靜態(tài)儲量性質(zhì)，當(dāng)隧道開挖至富水帶后易產(chǎn)生靜態(tài)水的突水釋放，對施工造成一定程度的影響[4]。尤其是DK99+500～DK99+620段極易發(fā)生突水、突泥。

5 結(jié) 語

在隧道開挖后，由于卸荷、偏壓等效應(yīng)使地應(yīng)力重新分配及爆破擾動等，可能導(dǎo)致淺部裂隙張開，其導(dǎo)水能力增強(qiáng)，易使地表水溪水漏失、流量減少，可能對當(dāng)?shù)鼐用裆钤斐捎绊慬6]。

綜合分析，該隧道地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，局部巖體較破碎，局部灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，為地下水的富集提供了有利條件。根據(jù)隧道區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖富水性分區(qū)程度、預(yù)測涌水量等判定，該隧道水文地質(zhì)條件較差[7]。