寶蘭高鐵渭河隧道水文和工程地質(zhì)選線研究

張 喆

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 概況

復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)隧道選線研究一直是高速鐵路建設(shè)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。寶蘭高鐵渭河隧道采用Ⅴ形縱坡[1]下穿耤河谷區(qū)及天水北山滑坡區(qū)，隧道全長(zhǎng)10 016 m，下穿河谷區(qū)長(zhǎng)3 365 m為Ⅴ形坡最低段，埋深僅28～45 m；北山梁峁區(qū)最大埋深約380 m，地形起伏大，深切沖溝黃土滑坡發(fā)育。隧道設(shè)3個(gè)斜井、3個(gè)豎井及出口平導(dǎo)共7個(gè)輔助坑道(圖1)。渭河隧道是全線重難點(diǎn)控制性工程，被鐵總列為Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍，黃土滑坡、膨脹性泥巖、富水砂巖層及飽和卵礫石等不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，復(fù)雜的工程和水文地質(zhì)條件制約渭河隧道選線工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、理論計(jì)算、工程地質(zhì)分析等方法對(duì)影響渭河隧道選線的工程和水文地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了綜合分析，提出了合理有效的地質(zhì)選線方案。

圖1 渭河隧道洞身地質(zhì)縱斷面

2 區(qū)域地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

渭河隧道位于西秦嶺北麓與隴西黃土高原過(guò)渡段，隧道呈“Ⅴ”形縱坡穿越渭河右岸黃土高臺(tái)地、耤河寬谷區(qū)、北山黃土滑坡及梁峁區(qū)，隧道下穿河谷區(qū)高程1 116～1 135 m，北山高程1 551 m，相對(duì)高差為220～430 m。耤河寬谷區(qū)為天水市區(qū)。

2.2 地層巖性

耤河寬谷區(qū)為厚20～30 m的沖積黃土及卵礫石土覆蓋；南岸臺(tái)地和北山梁峁區(qū)為第四系上-中更新統(tǒng)(Q2-3)風(fēng)積和滑坡堆積黃土，底部為新近系(N1)泥巖夾薄層砂巖、寒武系片麻巖夾大理巖(∈Gn+Mb)及斷層破碎帶(Fr)壓碎巖。

2.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于元古界變質(zhì)巖組成第三紀(jì)天禮盆地東北部邊緣，晚第三紀(jì)以來(lái)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地層整體抬升河谷下切侵蝕強(qiáng)烈。區(qū)域壓扭性渭河斷裂(F1)在該區(qū)域有北西及北東向分枝斷層與之交匯組成“入”形構(gòu)造，第四紀(jì)以來(lái)仍有活動(dòng)，且富含地下水。隧址處斷裂構(gòu)造隱伏在北山黃土層下。

2.4 水文地質(zhì)特征

2.4.1 地表水

隧道下穿耤河常年流水，水量隨季節(jié)變化大，年平均流量35萬(wàn)m3/d；兩岸黃土沖溝干枯無(wú)水，雨季才形成短暫徑流，在溝底黃土與泥巖接觸面處有泉水零星滲出，單泉流量小于0.1 L/s[2]，泉水流量季節(jié)性變化較大，為附近村民飲用水源。

2.4.2 地下水類型及補(bǔ)、徑、排特征

地下水類型為松散層孔隙水和基巖裂隙水。松散層孔隙水分布于耤河階地卵礫石土層中，地下水量頗豐且水位淺，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及耤河水側(cè)向補(bǔ)給，鉆探揭示孔內(nèi)有涌水現(xiàn)象?；鶐r裂隙水賦存于泥巖夾砂巖和寒武系片麻巖大理巖中。泥巖結(jié)構(gòu)致密，產(chǎn)狀平緩，巖層透水性差，不利于地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移，含水量??；砂巖含水條件較好，地下水具承壓性；大理巖、片麻巖受構(gòu)造影響節(jié)理裂隙發(fā)育，水量較豐富。

3 隧址區(qū)水文地質(zhì)分析

3.1 隧址區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)測(cè)試

耤河寬谷區(qū)各地層賦水程度是影響隧道洞身埋深的控制因素，采用抽水試驗(yàn)確定不同地貌單元中各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)[3]。

3.1.1 分地貌單元進(jìn)行綜合抽水試驗(yàn)

勘察中在黃土梁峁區(qū)和耤河寬谷區(qū)分別鉆探4孔進(jìn)行綜合抽水試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試資料計(jì)算基巖及上部飽水卵礫石層的主要水文參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 分地貌單元綜合抽水參數(shù)

北山黃土梁峁區(qū)深孔抽水試驗(yàn)計(jì)算下覆泥巖滲透系數(shù)為0.001 2～0.002 5 m/d，富水性很差；片麻巖夾大理巖滲透系數(shù)在0.017～0.046 m/d，洗井后進(jìn)行測(cè)試計(jì)算的滲透系數(shù)能如實(shí)反映北山梁峁區(qū)實(shí)際含水狀況。耤河寬谷區(qū)鉆探揭示底部泥巖出水量遠(yuǎn)小于上部第四系沖積層，混合抽水測(cè)試泥巖會(huì)很大程度抵消上部卵礫石層的滲透系數(shù)值，因而采取分層抽水試驗(yàn)來(lái)獲取不同類型含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，來(lái)進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果才會(huì)更符合實(shí)際情況。

3.1.2 耤河寬谷區(qū)按地層分層抽水試驗(yàn)

為查明隧道下穿耤河寬谷區(qū)涌水量進(jìn)行專門水文地質(zhì)專題勘察，通過(guò)分層抽水測(cè)試河谷區(qū)第四系松散層與底部泥巖夾砂巖含水層厚度和滲透系數(shù)，勘察中結(jié)合隧道豎井位置在耤河寬谷區(qū)布置4個(gè)鉆孔進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)[4]，并依據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算上部卵礫石層和底部泥巖夾砂巖的滲透系數(shù),見(jiàn)表2。

表2 耤河寬谷區(qū)按地層分層抽水參數(shù)

通過(guò)分層抽水測(cè)試計(jì)算結(jié)果耤河寬谷區(qū)卵礫石層滲透系數(shù)為38.60～68.06 m/d，富水性很強(qiáng)；泥巖夾砂巖互層的滲透系數(shù)在0.117～0.239 m/d，富水性中等；泥巖滲透系數(shù)在0.025～0.090 m/d，富水性弱。對(duì)比分析寬谷區(qū)泥巖滲透系數(shù)遠(yuǎn)高于北山梁峁區(qū)泥巖滲透系數(shù)值(0.001 2～0.002 5 m/d)，原因是耤河寬谷區(qū)泥巖上部為飽水卵礫石層，其水量豐富補(bǔ)給條件好。飽水卵礫石層下滲補(bǔ)給底部泥巖風(fēng)化層；且局部泥巖夾有富承壓性水的砂巖，因此該段泥巖不僅得到上部飽水卵礫石下滲補(bǔ)給，還受到砂巖層中承壓水入滲，因此使耤河寬谷區(qū)下部泥巖滲透系數(shù)高于梁峁區(qū)泥巖。黃土梁峁區(qū)底部泥巖與河谷區(qū)飽水卵礫石層下部泥巖在滲透性及物理力學(xué)性質(zhì)上存在明顯差異，這是耤河寬谷區(qū)強(qiáng)-弱風(fēng)化泥巖涌水量較大的主要原因。通過(guò)分層抽水試驗(yàn)，查明了寬谷區(qū)上部卵礫石含水層與下部泥巖夾砂巖層的含水條件，取得了相對(duì)準(zhǔn)確的隧道涌水量預(yù)測(cè)所需的水文地質(zhì)參數(shù)。說(shuō)明分層抽水試驗(yàn)在復(fù)雜地層涌水量計(jì)算中的必要性。

3.2 隧道涌水量預(yù)測(cè)

渭河隧道通過(guò)地貌單元多、地層巖性變化較大，綜合分析隧道區(qū)含水巖組類型、富水性分區(qū)、地形地貌及降雨量等因素，采用降水入滲法和地下水動(dòng)力學(xué)法分別預(yù)測(cè)隧道正常涌水量和最大涌水量。

3.2.1 降水入滲法

隧道下穿耤河寬谷區(qū)潛水含水層埋藏深度較淺，可采用降水入滲法預(yù)測(cè)隧道正常涌水量[5]

Qs=2.74·α·W·A

(1)

式中Qs——降水入滲法預(yù)測(cè)隧道正常涌水量，m3/d；

α——降水入滲系數(shù)；

W——年最大降水量，mm；

A——隧道通過(guò)含水體地段的積水面積，km2。

根據(jù)隧道洞身地層特征及巖體裂隙較發(fā)育特征，各地層降水入滲系數(shù)取值0.07(松散層)～0.35(泥巖夾砂巖)，天水市氣象資料年最大降水量809.6 mm，最大涌水量按正常涌水量的2～3倍考慮。降水入滲法預(yù)測(cè)隧道涌水量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采用降水滲入法分段計(jì)算涌水量成果

3.2.2 地下水動(dòng)力學(xué)法

根據(jù)鉆孔分層抽水測(cè)試計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)，地下水動(dòng)力學(xué)法[6]采用下列公式預(yù)測(cè)隧道涌水量：

古德曼經(jīng)驗(yàn)式[5]

(2)

式中Q0——法預(yù)測(cè)正常涌水量，m3/d；

H——靜止水位至洞身橫斷面圓中心距離，m；

d——隧道洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m；

L——隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度，m;

K——含水層滲透系數(shù)，m/d。

裘布依理論式[5]

(3)

式中QS——隧道正常涌水量，m3/d；

H——隧道洞底以上潛水含水體厚度，m；

h——洞外水柱高度，m；

L——隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度，m；

r——隧道洞身橫斷面寬度之半，m；

R——含水層的影響半徑，m。

綜合抽水所得滲透系數(shù)采用地下水動(dòng)力學(xué)法分段計(jì)算所得涌水量結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 采用地下水動(dòng)力學(xué)法分段計(jì)算涌水量成果

采用地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)隧道耤河寬谷區(qū)淺埋段K772+700～K776+060正常涌水量為6 791 m3/d，可能最大涌水量約24 093 m3/d。

3.3 隧道富水性分區(qū)及分段評(píng)價(jià)

渭河隧道通過(guò)分層抽水試驗(yàn)測(cè)試獲取準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，應(yīng)用地下水動(dòng)力學(xué)法結(jié)合降水入滲系數(shù)法進(jìn)行了正常涌水量和最大涌水量預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)過(guò)程中考慮了山前側(cè)向補(bǔ)給量及河水橫向補(bǔ)給，綜合分析各含水巖土類型進(jìn)行富水性分區(qū)。

(1)隧道進(jìn)口段(K770+028～K770+450)洞身為黏質(zhì)黃土，鉆探中未揭示到地下水，貧水區(qū)，正常涌水量約100 m3/(d·km)，地下水對(duì)洞身影響小，局部段落會(huì)出現(xiàn)輕微的滴滲水。

(2)南岸黃土臺(tái)塬區(qū)(K770+450～K772+700)隧道洞身為弱風(fēng)化泥巖，上覆黃土潛水補(bǔ)給小，泥巖透水性差水量小，含水性弱，單位正常涌水量約740 m3/(d·km)，正常涌水量約1 665 m3/d，最大涌水量約4 995 m3/d，地下水對(duì)洞身影響小。

(3)耤河寬谷區(qū)(K772+700～K776+060)隧道洞身位于卵礫石底部強(qiáng)-弱風(fēng)化泥巖中，卵礫石層飽水且厚度大，補(bǔ)給條件好，水量頗豐，對(duì)底部泥巖補(bǔ)給量大，富水性中等，單位正常涌水量1 157.9～3 306.5 m3/(d·km)，正常涌水量約6 791 m3/d，最大涌水量約24 093 m3/d。隧道拱頂距巖土界面10～25 m，施工中局部可能產(chǎn)生突、涌水、滲漏水現(xiàn)象，應(yīng)避免塌方可能與潛水或河水發(fā)生水力聯(lián)系。

(4)耤河北山滑坡區(qū)(K776+060～K777+800)隧道洞身上部泥巖厚度較大，上部滑坡堆積黃土潛水補(bǔ)給小，含水性弱，單位正常涌水量292.6～852.83 m3/(d·km)，正常涌水量約851 m3/d，最大涌水量約2 553 m3/d，地下水對(duì)施工影響小。

(5)北山黃土梁峁區(qū)(K777+800～K779+350)洞身巖性為片麻巖夾大理巖，鉆探過(guò)程中有涌水現(xiàn)象，該段物探資料有低阻異常，富水性中等，單位正常涌水量約37 203 m3/(d·km)，預(yù)測(cè)正常涌水量約5 766 m3/d，最大涌水量約23 622 m3/d。施工中可能有突、涌水現(xiàn)象，做好出口平導(dǎo)泄水洞排水措施。

(6)隧道出口段(K779+350～K780+044)為泥巖及黃土，含水條件較差，貧水區(qū)，單位正常涌水量約100 m3/(d·km)，對(duì)隧道施工影響小，部分段落會(huì)出現(xiàn)輕微滴滲水。

4 控制隧道選線工程和水文地質(zhì)問(wèn)題分析

4.1 黃土滑坡對(duì)隧道平面選線的影響

區(qū)內(nèi)河流兩岸坡面侵蝕強(qiáng)烈，黃土呈披蓋狀分布于梁峁表層，下伏基巖被剝蝕形成了斜坡或凹槽，具傾向河谷臨空斜坡面，黃土孔隙率高，垂直節(jié)理發(fā)育、滲透性強(qiáng)，地表水下滲在泥巖頂面聚積，使巖土界面軟化易形成滑坡。北山滑坡連續(xù)成群分布，形成多期、多次、規(guī)模巨大深厚黃土滑坡和切泥巖風(fēng)化層滑坡，天水地質(zhì)災(zāi)害報(bào)告將北山滑坡群列入特大型地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)[7]，見(jiàn)圖2。

圖2 渭河隧道1:5萬(wàn)衛(wèi)片判釋圖分布示意

隧道洞口位于黃土臺(tái)地前緣，通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)進(jìn)行深入調(diào)查和分析，采用下穿耤河寬谷區(qū)及北山滑坡群方案，從豎向繞避滑坡群，既擺脫了滑坡對(duì)隧道平面線位控制，又避免對(duì)天水城區(qū)規(guī)劃和機(jī)場(chǎng)定向臺(tái)的影響，減少了滑坡群勘察治理及后期監(jiān)測(cè)工作，方案合理可行。

4.2 土石界面及底部砂巖對(duì)隧道埋深的控制

耤河寬谷區(qū)及北山梁峁區(qū)均為第四系覆蓋層，晚新近紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍使底部基巖被剝蝕形成了斜坡或凹槽，河谷區(qū)采用瞬變電磁及梁峁區(qū)深埋段采用EH4物探方法查明巖土界面、斷裂及含水帶分布，在各地貌單元及不同巖性采用鉆探控制，并通過(guò)水文地質(zhì)測(cè)試和綜合測(cè)井查明洞身地質(zhì)條件[8]，確保隧道洞身位于基巖中。鉆探揭示在河谷區(qū)埋深55～60 m分布弱膠結(jié)飽水砂巖易產(chǎn)生集中涌水、流沙現(xiàn)象，施工風(fēng)險(xiǎn)高難度大；通過(guò)抬高洞身位置及豎井底部高程，避免隧道洞身位于砂巖。受線路縱坡高程控制隧道洞身頂部泥巖厚12～25 m，確保渭河隧道豎向選位的合理性。

4.3 特殊巖土對(duì)隧道洞身穩(wěn)定性的影響

新近系泥巖為弱膠結(jié)的極軟巖，通過(guò)鉆探取樣試驗(yàn)分析泥巖天然密度為2.01～2.38 g/cm3；天然抗壓強(qiáng)度為0.96～4.56 MPa；通過(guò)顆粒分析檢測(cè)泥巖粒徑為0.01～0.075 mm，以粉粒為主。泥巖自由膨脹率為38%～81%、蒙脫石含量2.4%～19.8%、陽(yáng)離子交換量63～240 mmol/kg。新近系泥巖天然抗壓強(qiáng)度差異大，風(fēng)化程度及成巖作用不一造成泥巖軟硬不均，屬極軟質(zhì)巖；泥巖具中-弱膨脹性，遇水易產(chǎn)生膨脹、坍塌[9]。泥巖孔隙比小、天然密度較高，含水率為7.6%～15.8%，說(shuō)明泥巖處于飽水狀態(tài)，主要是上部卵礫石水量豐富，對(duì)下部泥巖有一定補(bǔ)給使其含水率高。

4.4 隧道下穿耤河遇到的主要特殊地質(zhì)問(wèn)題

渭河隧道下穿耤河寬谷區(qū)V形坡段在施工和運(yùn)營(yíng)期間主要存在的地質(zhì)問(wèn)題：(1)下穿耤河河谷段隧道拱頂泥巖厚10～25 m為強(qiáng)-弱風(fēng)化層，上覆含水卵礫石層厚度大，對(duì)底部泥巖具有補(bǔ)給作用，弱膠結(jié)泥巖施工中局部有產(chǎn)生突涌泥、滲漏水風(fēng)險(xiǎn)；(2)隧洞身底部泥巖局部夾有薄層砂巖，砂巖層弱膠結(jié)，富含水且具承壓性，擾動(dòng)后呈砂狀，自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生集中涌水、流沙、圍巖變形等危害；(3)耤河寬谷區(qū)為長(zhǎng)大段落Ⅴ級(jí)圍巖，3個(gè)豎井需穿透上部飽水卵礫石層，若該含水層施工中封閉效果差，地下水流入正洞不但影響膨脹性泥巖的穩(wěn)定性，且長(zhǎng)期抽排地下水不僅會(huì)給運(yùn)營(yíng)造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且大量降排地下水會(huì)對(duì)地表建筑物基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

(1)下穿耤河寬谷及北山滑坡方案既擺脫了滑坡群對(duì)隧道平面線位控制，又避免對(duì)城區(qū)規(guī)劃和機(jī)場(chǎng)定向臺(tái)的影響，根據(jù)滑坡穩(wěn)定性檢算預(yù)留滑床至隧道拱頂泥巖安全厚度為12 m，減少了滑坡勘察治理及后期監(jiān)測(cè)工作，方案合理可行。

(2)河谷區(qū)底部泥巖夾砂巖層，施工擾動(dòng)砂巖或水壓不均衡影響下，地下水運(yùn)動(dòng)帶走砂粒形成流砂，砂巖結(jié)構(gòu)遭到破壞易發(fā)生塑性變形或坍塌，會(huì)產(chǎn)生集中涌水、流沙等危害[10-11]。隧道縱坡抬高后位于砂巖層上部6～8 m，洞身選位避免飽水砂巖層中是隧道洞身縱坡選線的有效經(jīng)驗(yàn)。

(3)通過(guò)分層抽水試驗(yàn)所取得的水文地質(zhì)參數(shù)，為準(zhǔn)確掌握區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件和分析預(yù)測(cè)隧道涌水量打下了良好基礎(chǔ)。并對(duì)合理確定隧道豎井和斜井方案具有指導(dǎo)作用，通過(guò)分層抽水查明上部卵礫石層出水量很大，豎井方案可減少斜井通過(guò)飽水卵礫石層長(zhǎng)度，將寬谷區(qū)斜井優(yōu)化為豎井方案，設(shè)計(jì)采用咬合樁對(duì)含水層進(jìn)行封堵，施工止水效果良好，避免地下水進(jìn)入隧道，減少了V形縱坡段的排水壓力和軟化泥巖風(fēng)險(xiǎn)。

(4)在勘察設(shè)計(jì)中融合環(huán)保理念，在北山黃土沖溝內(nèi)巖土界面處有泉水零星滲出，為附近村民飲用水源，設(shè)計(jì)采用全包防水避免了地下水大量流失疏干地表滲流泉，保護(hù)當(dāng)?shù)厮h(huán)境問(wèn)題[12]。

(5)通過(guò)鉆孔分層抽水試驗(yàn)所得水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算隧道涌水量，在施工和設(shè)計(jì)回訪中得到相互驗(yàn)證：泥巖結(jié)構(gòu)致密透水性差，耤河寬谷區(qū)施工中局部出現(xiàn)少量裂隙水滴滲，局部仰拱附近可見(jiàn)0.5～2 m薄層砂巖出現(xiàn)涌水和流沙，施工驗(yàn)證隧道洞身選位的合理性。在運(yùn)營(yíng)后根據(jù)路局反饋2號(hào)豎井作為集水井抽水量200～300 m3/d與設(shè)計(jì)量相當(dāng)；北山片麻巖夾大理巖在施工中涌水量較預(yù)測(cè)偏小，取消了出口泄水洞，運(yùn)管部門反映該段未見(jiàn)地下水現(xiàn)象，分析原因是北山地形為黃土長(zhǎng)梁不利于地下水富集和補(bǔ)給，同時(shí)設(shè)計(jì)采用全包防水避免地下水的流失。

綜上所述，渭河隧道具有黃土滑坡成群發(fā)育、飽和卵礫石層及富水砂巖層等特殊地質(zhì)條件，采用豎向繞避滑坡群的方案；優(yōu)化隧道縱坡避免洞身位于富水砂巖層中；采用分層抽水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)合理預(yù)測(cè)了隧道涌水量。施工驗(yàn)證隧道洞身選位的合理性，通車后運(yùn)管部門反饋情況證實(shí)渭河隧道的選線是行之有效的。