某長大深埋鐵路隧道水文地質(zhì)特征評價

徐健楠 鄧明萬 施紅藝

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

長大深埋隧道往往是鐵路建設(shè)項目中的控制性工程，其水文地質(zhì)條件一般比較復(fù)雜，查明長大深埋隧道的水文地質(zhì)條件具有重要意義。前人已有許多研究成果，邵江[1]總結(jié)了大相嶺火山巖深埋隧道的涌水特征，認為火山巖深埋隧道段涌水多為靜態(tài)儲水所致；成建梅[2]以福建莆田青云山隧道為例，總結(jié)了降雨入滲法、地下水動力學法等多種方法在火山巖隧道斷層涌水量預(yù)測中的適用性。以下基于前人的研究，以福建省普陀山某長大深埋隧道為例，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及勘察成果，對該隧道的水文地質(zhì)特征進行評價。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 工程概況

擬建隧道位于福建省龍巖市上杭縣西普陀山景區(qū)南側(cè)，全長3 138 m，最大埋深約273 m，設(shè)計路肩高程為275～327 m，為單面坡隧道。

2.2 地形地貌

隧址區(qū)位于剝蝕低山區(qū)，高程一般為200～625 m，自然坡度為15°～75°不等，總體地勢為東北高西南低。植被茂密，山勢陡峻，交通困難(見圖1)。

圖1 隧址區(qū)地形地貌

2.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有白堊系下統(tǒng)黃坑組、白堊系下統(tǒng)寨下組火山熔巖、火山碎屑巖[3]，由老至新分述如下。

(1)白堊系下統(tǒng)

以紫灰色安山巖為主，夾紫灰和紫紅色砂礫巖、粉砂巖，以及英安質(zhì)含集塊角礫凝灰?guī)r，不整合覆蓋于黃坑組下段或其他老地層之上，厚106 m。

(2)安山玢巖

以紫紅色、灰黑色為主，呈半環(huán)狀出露于普陀山火山機構(gòu)東西兩側(cè)，厚度大于500 m。

(3)白堊系下統(tǒng)

該層下部以灰、灰紫、紫灰色流紋巖、流紋斑巖、流紋質(zhì)含角礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，夾流紋巖、流紋質(zhì)含角礫晶屑凝灰熔巖及復(fù)成分礫巖、粉砂巖、沉凝灰?guī)r。上部以流紋巖、流紋斑巖、球粒流紋巖為主，夾流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)含角礫晶屑凝灰熔巖、火山角礫巖。厚度大于462 m。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于位于閩西火山活動亞帶(上杭—云霄火山噴發(fā)帶)的北西端。受北西向深斷裂帶控制，火山構(gòu)造主要分布于碧田砂—安鄉(xiāng)、石圳潭—章金兩條北西向斷裂帶控制的古石背噴發(fā)盆地[3-4]，盆地內(nèi)火山機構(gòu)(中心)呈北西向串珠狀展布?；鹕交顒又髌跒樵绨讏资溃鄬賹訝罨鹕?，發(fā)育環(huán)狀、放射狀斷裂和寄生火山口[5]。

3 區(qū)域水文特征

3.1 氣象水文植被

隧址區(qū)屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，年平均氣溫為20.2 ℃，年平均濕度為76%，年平均降雨量為1 645.5 mm。

區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，主要河流為汀江，流量隨季節(jié)變化明顯，5～8月為汛期，占總流量70%以上；12月至次年2月為枯季。

區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育，主要為亞熱帶常綠闊葉、針葉混交林。

3.2 地下水賦存條件

區(qū)內(nèi)以中生界中基性-酸性火山熔巖及火山碎屑巖為主，巖質(zhì)一般致密堅硬。其中，火山碎屑巖賦水為層狀巖類裂隙水，火山熔巖賦水為塊狀夾層狀巖類裂隙水[6]，地下水賦存于層間裂隙、不整合接觸面、斷層破碎帶等構(gòu)造裂隙中，局部富水性較強；此外，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育也使得在巖體的風化帶中賦存有網(wǎng)狀裂隙水，受風化帶厚度、排泄條件影響，其富水性分布不均勻。

3.3 地下水補、徑、排特征

區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水補給，補給源豐富，徑流途徑短，水力坡度大，循環(huán)速度快，就地補給，就地排泄，沒有明顯補、徑、排分區(qū)。

地下水流量隨季節(jié)變化明顯，雨水大部分形成地表徑流，地下水分散，多以下降泉形式從洼地、陡坎下、溝谷排泄，地面蒸發(fā)和植物蒸騰量約占降水量的30%。

4 隧址區(qū)水文分析

4.1 水文地質(zhì)調(diào)查

隧道所處的普陀山火山機構(gòu)外圍發(fā)育有3條溝谷溪流，其中船豐—石灰?guī)X—橋頭、船豐—白玉—草鞋嶺溪流經(jīng)由環(huán)形外圍，大致方向為自東北流向西南，最終匯入汀江?；鹕綑C構(gòu)發(fā)育環(huán)形斷裂，伴有潛火山相安山玢巖出露，與環(huán)形河流路徑高度相似(見圖2)。

圖2 隧道水文地質(zhì)示意

隧址區(qū)泉點流量為0.014～0.185 L/s，泉點出露不多，流量較小(部分表現(xiàn)為滴水狀)。大氣降水大部分通過短途徑流排泄至洼地、溝谷，少部分賦存在風化帶網(wǎng)狀裂隙及巖體構(gòu)造裂隙中，隧道施工對地表徑流影響較小。隧道附近村民生活用水基本為溝谷上游溪水，由隧址東北側(cè)金玉頂、雙髻山區(qū)域地表徑流補給，補給源豐富。隧址附近民井少見，僅白玉村、普陀庵有井，井深不足3 m，水位接近地表，水量小，提水可干，現(xiàn)已廢棄。因此，隧道施工對居民用水影響較小。

隧道工程軌面高程位于附近溪流高程之上25～67 m，故隧道涌水受地表溪流影響較小。

4.2 隧道巖層及構(gòu)造特征

普陀山火山機構(gòu)經(jīng)歷了數(shù)次爆發(fā)-噴溢過程，隧址處于火山機構(gòu)北部，巖層主要為噴溢-爆發(fā)相、噴發(fā)-沉積相[3]，巖相較多、巖石成分復(fù)雜。

隧址區(qū)地層主要有白堊系下統(tǒng)寨下組灰紫色、紫紅色凝灰質(zhì)砂礫巖、流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、安山巖，白堊系下統(tǒng)黃坑組紫紅色、灰色粉砂巖、安山巖，紫紅色、灰紫色安山玢巖，巖層致密堅硬，存在平行層理、透鏡狀層理等，淺部裂隙較發(fā)育，深部巖體相對較完整，巖體呈現(xiàn)出較明顯的“沉積-噴發(fā)”旋回特征。隧道深埋段位于似向斜構(gòu)造中部，巖性、巖相復(fù)雜，各巖性接觸分界位置分布不一(見圖3)。

圖3 隧道地質(zhì)縱斷面(橫縱比為1∶5)

綜合分析區(qū)域資料、現(xiàn)場調(diào)查及鉆探、物探解譯成果，認為在火山機構(gòu)東西兩側(cè)分布有半環(huán)狀潛火山相侵入體安山玢巖，推測有弧形斷層與線路在DK35+887處近似垂直相交。該弧形斷層屬普陀山火山構(gòu)造，與環(huán)形溪流路由變化關(guān)系密切，斷層產(chǎn)狀大致為240°∠60°，影響寬度約40 m。物探揭示，潛火山巖相侵入帶、斷層帶具富水特征，巖體較破碎，構(gòu)造裂隙水富集，對隧道圍巖條件影響較大。

該長大深埋隧道的地下水補給充足，其總涌水量與單位涌水量均隨埋深增加而增大[7]。綜上，隧址區(qū)巖體具備賦存較大靜儲水量的條件。

4.3 隧道水文條件評價

根據(jù)勘察鉆孔揭示，進出口、淺埋段水位埋深多在10 m內(nèi)，局部接近地表；深埋段水位埋深極不均勻，根據(jù)深孔測井成果，推測F1斷層帶前后區(qū)域在100～103 m深度范圍有出水特征，其余深埋地段無明顯出水點。

按照地表徑流匯水區(qū)域及地下水蓄水構(gòu)造對隧道水文條件進行分段評價。

(1)隧道進口至DK35+600段

隧道洞身處于潛火山相安山玢巖侵入帶、噴發(fā)-沉積相凝灰質(zhì)礫巖、復(fù)成分礫巖等過渡區(qū)域，隧道最大埋深大于100 m。該段強風化巖層厚度普遍不超過10 m，但巖體的節(jié)理裂隙較發(fā)育，大氣降水的地下排泄條件較好，地表水與地下水分水嶺一致，隧道匯水方向為由北西向南東。物探顯示地下水較發(fā)育，半環(huán)形的潛火山巖侵入體可能形成儲水構(gòu)造，隧道開挖可能引起短時較大涌水。

(2)DK35+600至DK36+100段

隧道洞身發(fā)育有噴發(fā)-沉積相凝灰質(zhì)礫巖、復(fù)成分礫巖與爆發(fā)相晶屑凝灰?guī)r、火山角礫巖等多種巖層，隧道埋深95～180 m，風化層厚度不超過6 m。勘察成果顯示，該段巖體大部分較完整，裂隙程度不大，洞身受地表徑流影響不大，但部分深度處存在裂隙較發(fā)育的情況；在靠近洞頂位置5.6 m和12 m處探測到出水特征。另外，洞身在DK35+887附近與環(huán)形斷層相交，斷層附近巖層破碎，地下水富集，將導(dǎo)致隧道圍巖條件較差，涌水量較大。

(3)DK36+100至DK37+200段

隧道洞身主要穿越火山碎屑巖層，洞身最大埋深為273 m?？辈旖沂荆瓷韼r體大部分較完整，富水性較弱，但EH-4物探顯示存在低阻帶。該深埋段由于其位于似向斜構(gòu)造中部、巖性接觸分界位置分布不一，設(shè)計時需考慮深部層面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)儲水可能。

(4)DK37+200至隧道出口段

隧道洞身分別穿越半環(huán)狀潛火山相侵入安山玢巖體、寨下組與黃坑組巖性接觸帶，物探揭示有富水特征；另外，DK37+780至880段為淺埋段，埋深小于20 m，其巖體圍巖條件差，局部富水性較強；其余段落富水性較弱。

綜上，隧道淺埋段、F1斷層帶及半環(huán)形的潛火山巖侵入體區(qū)域存在突涌水高風險，DK36+100至DK37+200段似向斜構(gòu)造中部可能有短時較大涌水風險，應(yīng)在上述段落開展超前地質(zhì)預(yù)報工作，加強施工監(jiān)控量測，盡量避免反坡排水，并做好防排水措施。

4.4 隧道涌水分析

根據(jù)已有工程經(jīng)驗[8-15]，降水入滲法、徑流模數(shù)法等簡易水均衡法適用于淺埋隧道的潛水含水體，地下水動力學法可用于斷層等構(gòu)造裂隙帶涌水量計算，針對該隧道的區(qū)域水文條件、巖性及構(gòu)造發(fā)育特征，采用多種方法組合，分段對隧道的正常涌水量、最大涌水量進行預(yù)測評估。

①隧道進口至DK35+600段，隧道正常涌水量及最大涌水量均以降水入滲法和徑流模數(shù)法計算(取大值考慮)；②DK35+600至DK36+100段正常涌水量采用F1斷層地下水動力學法計算值，最大涌水量采用疊加徑流模數(shù)法計算值；③DK36+100至DK37+200段，考慮到其具有層狀火山似向斜構(gòu)造，采用徑流模數(shù)法估算其可能的靜態(tài)最大涌水量；④DK37+200至隧道出口段正常涌水量采用淺埋段及潛火山巖體侵入帶賦水量，最大涌水量取各方法計算的大值。計算結(jié)果如表1～表4所示。

(1) 降水入滲法

大氣降水入滲法隧道涌水量計算公式為

Q=2.74·α·W·A

(1)

式中Q——隧道通過含水體地段的正常涌水量/(m3/d)；

α——降水入滲系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗或試驗數(shù)據(jù)確定；

A——隧道通過含水體的集水面積/km2；

W——年降水量/mm(根據(jù)氣象資料取值)。

(2)徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)取自《上杭幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》。可根據(jù)枯水季地下徑流模數(shù)換算年平均地下徑流模數(shù)(M年)，有

M年=λ·M枯

(2)

式中：λ為年平均地下徑流模數(shù)的換算系數(shù)，取2.70。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查報告，隧道通過區(qū)域徑流模數(shù)取3.0 [(L/s)/km2]，故M年=8.1 [(L/s)/km2]。

(3)地下水動力學法

斷層、侵入接觸帶、淺埋段等地下水具潛水性質(zhì)，可用古德曼經(jīng)驗公式計算隧道最大涌水量，用佐藤邦明經(jīng)驗式計算正常涌水量，有

(3)

(4)

其中Q0——隧道通過含水體段的最大涌水量/(m3/d)；

Qs——隧道通過含水體段的正常涌水量/(m3/d)；

K——含水體滲透系數(shù)/(m/d)；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離/m；

d——洞身橫斷面等價圓直徑/m；

L——隧道通過含水體的長度/m；

m——換算系數(shù)，一般取0.86；

r0——洞身橫斷面等價圓半徑/m；

hc——含水體厚度/m；

表3 地下水動力學法估算涌水量計算

表4 涌水量計算 m3/d

綜上，在斷層帶、侵入接觸、淺埋段等影響范圍內(nèi)富水性較強，具有分段涌水的特點，全隧道預(yù)測正常涌水量為2 698 m3/d，最大涌水量為13 715 m3/d。

5 結(jié)論

(1)隧址區(qū)泉點流量為0.014～0.185 L/s，周邊居民用水主要依靠溝谷地表徑流，隧道涌水受地表溪流影響小，隧道施工對周邊居民用水影響較小。

(2)隧址區(qū)地下水儲水構(gòu)造以潛火山相侵入體、斷層破碎帶等為主，隧道中部深埋段似向斜構(gòu)造層面有靜態(tài)儲水可能，施工中易遇短時較大涌水，其最大涌水量為2 573 m3/d。

(3)應(yīng)采用不同方法分段預(yù)測涌水量。洞身穿越潛火山相侵入體、斷層破碎帶、淺埋段等位置，富水程度較高，宜采用地下水動力學法預(yù)測正常涌水量，疊加徑流模數(shù)法預(yù)測最大涌水量；深埋似向斜構(gòu)造段落巖性接觸分界位置分布不一，其層面構(gòu)造可能引起短時較大涌水量，宜采用徑流模數(shù)法預(yù)測最大值。

(4)隧道淺埋段、F1斷層帶及潛火山巖侵入體區(qū)域最大單位長度涌水量為14.0～88.0 m3/d，富水程度為強富水，施工中存在突涌水高風險，需加強監(jiān)測量測，按要求開展地質(zhì)超前預(yù)報工作，并做好防排水措施。