基于水文地質(zhì)勘察綜合分析的呂梁山隧道涌水量預(yù)測(cè)

趙 冉

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

隧道是現(xiàn)代交通線路上十分重要的構(gòu)筑物，特長(zhǎng)隧道水文地質(zhì)勘察及涌水量的預(yù)測(cè)是制定隧道施工設(shè)計(jì)方案的重要依據(jù)[1]，但水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、理論和公式參數(shù)的制約性，很難精準(zhǔn)判斷隧道涌水位置并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)涌水量[2]。因此，需要在水文地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上[3]，結(jié)合物探、鉆探及水文試驗(yàn)結(jié)果，采用合理的理論和水文分析方法[4]，最大限度地評(píng)估隧址區(qū)范圍內(nèi)是否存在中、強(qiáng)富水段以及具體的分布段落，并估算不同水文地質(zhì)條件下隧道洞身的涌水量，提前做好隧道涌水、突水的預(yù)防措施。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

呂梁山隧道自東向西橫穿南關(guān)帝山主脈，為越嶺型特長(zhǎng)隧道，隧道全長(zhǎng)9 806.0 m，最大埋深429.2 m。

1.2 氣象水文

隧址區(qū)范圍的年平均降雨量約550～600 mm，最大降雨量821.5 mm，多年日最大降水量103.4 mm。

隧址區(qū)地表水系總屬黃河大流域，隧道進(jìn)口至呂梁山分水嶺段屬于汾河支流文峪河流域，呂梁山分水嶺至隧道出口段屬三川河流域。

1.3 地層巖性

隧址區(qū)地層巖性由老至新分別為混合花崗雜巖體（Mγ）、關(guān)帝山花崗巖（γ21）侵入體、長(zhǎng)城系霍山砂巖（Ch2）、古生界寒武奧陶系沉積巖與巖漿巖（γ21）、新生界第四系中新統(tǒng)-全新統(tǒng)（Q2-4）松散堆積物。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為伴隨關(guān)帝山隆起過(guò)程中形成的褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。

1.4.1 褶皺構(gòu)造

褶皺構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為一個(gè)較大規(guī)模的平緩向斜構(gòu)造（S1、S3）和一個(gè)小型的平緩背斜構(gòu)造（S2）。這些褶曲構(gòu)造平緩開(kāi)闊，對(duì)地下水的賦存及徑流方向具有明顯的控制作用。

1.4.2 斷裂構(gòu)造

隧址區(qū)內(nèi)包含兩組斷裂構(gòu)造，即F1斷層、F2斷層，二者組成“X”型構(gòu)造格局。其在地質(zhì)縱斷面表現(xiàn)見(jiàn)圖1所示。

圖1 隧道右幅K76+400-K78+500段工程地質(zhì)縱斷面

1.4.2.1 F1斷層

F1斷層走向?yàn)楸北睎|向，長(zhǎng)度約25 km，傾向北西西，產(chǎn)狀275°～285°∠40°～55°，由兩條斷裂帶F1-1、F1-2組成，呈平行排列分布，間距為250～300 m。

隧道右幅在K76+890—K77+060、K76+530—K76+690段，左幅在ZK76+510—ZK76+700、ZK76+865—ZK77+015段穿越F1-1、F1-2斷裂帶，洞內(nèi)斷裂帶影響長(zhǎng)度約170～190 m，斷裂帶傾角約45°～58°。其中，F(xiàn)1-1斷裂帶巖性為構(gòu)造糜棱巖，成分以細(xì)粒-超細(xì)粒晶質(zhì)-黏土質(zhì)為主，為阻水性構(gòu)造巖。F1-2斷裂帶巖性為角礫狀構(gòu)造糜棱巖、碎裂巖，以細(xì)粒與碎塊狀成分為主，裂隙較為發(fā)育，屬于一般性含水構(gòu)造。兩個(gè)斷裂帶下盤(pán)均有阻水作用，其中F1-1斷裂面阻水更為明顯。F1-1、F1-2斷裂的阻水作用阻斷了隧址區(qū)呂梁山西翼混合花崗雜巖向西排泄的徑流通道，使下盤(pán)混合花崗雜巖體內(nèi)地下水在斷裂帶受阻，水位抬升，并在斷層經(jīng)過(guò)的溝谷地帶向外排泄。

1.4.2.2 F2斷層

F2斷層為較典型的壓扭性構(gòu)造，斷裂帶寬度約50.0 m，走向NW330°，斷裂帶近于直立，略向西南傾，以走滑為主，兼有微量的傾滑，西南盤(pán)向南、北東盤(pán)向北走滑，為左旋走滑斷層類(lèi)型（逆時(shí)鐘走滑斷層）。斷層北東盤(pán)與西南盤(pán)出露地層基本一致，兩盤(pán)均見(jiàn)有寒武系徐莊組（∈2x）混合花崗雜巖（Mγ）和呂梁期花崗侵入巖（γ21），西南盤(pán)未見(jiàn)出露長(zhǎng)城系（Ch2）。兩盤(pán)相對(duì)走滑距約為120～150 m之間。

隧道右幅在K78+112—K78+250段、左幅在ZK78+060—ZK78+280段斜交穿越F2斷裂帶，洞內(nèi)斷裂帶影響長(zhǎng)度約138 m。斷裂面由糜棱巖組成，構(gòu)造巖裂隙不發(fā)育，透水性較差，斷層面兩側(cè)混合花崗巖風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，斷裂帶附近長(zhǎng)城系（Ch2）石英砂巖破碎，層理不清，流劈理發(fā)育，其透水性相對(duì)較好。F2斷層南西盤(pán)（上盤(pán)）與北東盤(pán)（下盤(pán)）之間水力聯(lián)系被該斷裂構(gòu)造阻斷，上下盤(pán)均在斷裂帶附近向薛家溝內(nèi)排泄。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 地表流域及井泉統(tǒng)計(jì)分析

隧址區(qū)地表流域按匯流范圍劃分為21個(gè)3～4級(jí)流域，流域最大匯水面積約5.2 km2，最小約0.9 km2，均屬于小流域。各流域內(nèi)共布置測(cè)流點(diǎn)36處，井泉調(diào)查點(diǎn)80個(gè)。調(diào)繪期處于枯水期，小流域?qū)崪y(cè)流量可視為枯水期流量[5]。

隧址工作區(qū)的地表徑流與隧道圍巖含水層形成的地表徑流流量總體差異較大[6]，二者流量?jī)H在隧道出口段及隧址工作區(qū)外圍局部小微流域相接近。

2.2 含水介質(zhì)分析

與隧道密切相關(guān)的含水介質(zhì)包括四類(lèi)，分別為混合巖化花崗雜巖（Mγ）、呂梁期花崗侵入巖（γ21）、斷層構(gòu)造碎裂巖及第四系松散堆積物（Q3+4）。各類(lèi)含水介質(zhì)特征，隧址區(qū)內(nèi)補(bǔ)、徑、排模式，富水性控制因素分析如下。

2.2.1 混合巖化花崗雜巖含水介質(zhì)

該巖層為構(gòu)成隧道主洞及其輔助通道的主要圍巖。其中，全風(fēng)化帶巖體裂隙連通性較差，富水性相對(duì)較差；強(qiáng)風(fēng)化帶巖體裂隙連通性好，富水性強(qiáng)。弱-微風(fēng)化帶巖體裂隙呈閉合或微張形態(tài)，連通性較差-差，富水性弱-極弱，成為上覆強(qiáng)風(fēng)化帶含水層的相對(duì)隔水層。

該套含水介質(zhì)地下水補(bǔ)給方式主要為降水入滲、地表徑流垂直補(bǔ)給及風(fēng)化裂隙帶滲流補(bǔ)給。主要徑流方式為強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)的層間潛流。強(qiáng)風(fēng)化帶含水層向南側(cè)三道川主河谷方向隱伏狀排泄，并直接匯入地表徑流之中；另有部分全-強(qiáng)風(fēng)化帶中地下水受上游溝谷侵蝕切割，直接在上游坡地排出。

2.2.2 呂梁期花崗侵入巖含水介質(zhì)

隧址區(qū)花崗侵入巖（γ21）含水介質(zhì)主要分布于隧道出口一端，分布較為均一。含水層主要為地表裸露的全-強(qiáng)風(fēng)化帶巖體，巖體裂隙發(fā)育，透水性較強(qiáng)，在巖體強(qiáng)-弱風(fēng)化界面形成強(qiáng)風(fēng)化裂隙帶潛水含水層。依靠大氣降水和上游溝谷地表水等共同補(bǔ)給，并就地徑流和排泄。本類(lèi)含水介質(zhì)富水性總體較弱。

2.2.3 斷層構(gòu)造破碎帶含水介質(zhì)

隧址區(qū)范圍內(nèi)分布F1斷層、F2斷層兩個(gè)斷裂構(gòu)造，兩條斷層斷裂帶下盤(pán)阻水，上盤(pán)張性裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)，斷裂面相對(duì)富水。地下水在斷裂面以下大量溢流排泄而出，在溝谷內(nèi)形成壯觀的激增徑流量。

2.2.4 第四系松散堆積物含水介質(zhì)

隧址范圍第四系松散堆積物厚度達(dá)20～40 m，巖性為碎塊石，充填物以黏性土為主，富水性較差。在隧道淺埋段，第四系沖洪積物與下伏的混合巖化花崗雜巖古風(fēng)化殼全風(fēng)化帶共同構(gòu)成隧道圍巖的組成部分，二者間的水力聯(lián)系對(duì)隧道圍巖富水性影響較大。

2.3 物探解譯及鉆探驗(yàn)證分析

物探采用瞬變電磁法[7]，共布置兩條瞬變電磁測(cè)線。經(jīng)物探查明，在隧道瞬變電磁剖面上，左右幅中段圍巖區(qū)域電性參數(shù)主要以高視電阻率為主，左右幅進(jìn)出口段與中后段存在幾處較為明顯的低阻異常，物探推斷與地下水相關(guān)[8]。左幅發(fā)現(xiàn)4處異常區(qū)，即ZWD-1、ZWD-2、ZWD-3、ZWD-4；右幅發(fā)現(xiàn)6處異 常 區(qū) ， 即 YWD-1、YWD-2、YWD-3、YWD-4、YWD-5、YWD-6。其中，左幅ZWD-1、ZWD-2、ZWD-3與右幅YWD-1、YWD-2、YWD-3均與土黃溝、無(wú)名溝、深溝等3個(gè)連續(xù)分布的山間溝谷相對(duì)應(yīng)，經(jīng)鉆探孔CKG-SD-2（土黃溝）、CKG-SD-3（無(wú)名溝）、SWZK2（XK-SD-10）（深溝）驗(yàn)證和抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)物探異常區(qū)巖芯破碎、存在承壓型強(qiáng)富水含水層。右幅YWD-4、YWD-5異常區(qū)連續(xù)性較差，屬于獨(dú)立異常區(qū)，圍巖以微風(fēng)化混合花崗雜巖為主，解譯為圍巖裂隙相對(duì)發(fā)育、地下水中-弱富集區(qū)，難以達(dá)到強(qiáng)富水程度。左幅ZWD-4與右幅YWD-6縱斷位置相對(duì)應(yīng)，空間上南北相呼應(yīng)，解譯為中等富水異常區(qū)。F1、F2斷層帶電阻率橫向變化幅度較大，斷層位置揭示明顯，視電阻率從上至下遞增，呈環(huán)狀封閉形，剖面圖上顯示為上下貫通，范圍較大，物探解譯為巖層破碎、含水量大。

3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 水文地質(zhì)試驗(yàn)及參數(shù)計(jì)算

呂梁山隧道布設(shè)水文孔3個(gè)，編號(hào)為SWZK1、SWZK2、SWZK3號(hào)，其中SWZK1、SWZK2號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)分別按3個(gè)降深進(jìn)行觀測(cè)，SWZK3號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)按2個(gè)降深進(jìn)行觀測(cè)。依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》TB 10049—2014中水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的一般規(guī)定[9]，全風(fēng)化混合花崗雜巖滲透系數(shù)K值取0.05 m/d；強(qiáng)風(fēng)化混合花崗雜巖滲透系數(shù)K值取0.42 m/d。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖含水層滲透系數(shù)、影響半徑計(jì)算結(jié)果

3.2 隧道圍巖涌水量的預(yù)測(cè)

根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果及隧道涌水量計(jì)算公式的適用條件[10]，本隧道采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測(cè)隧道最大涌水量，利用水平坑道法及裘布依理論公式預(yù)測(cè)隧道正常涌水量，并在此基礎(chǔ)上提出隧道涌水量推薦值。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 隧道涌水量計(jì)算綜合成果表

左幅洞身內(nèi)含水段長(zhǎng)度9 685.0 m，最大涌水量建議值Qs=27840.8 m3/d，洞身內(nèi)局部可能有少量突泥突水。正常涌水量建議采用水平坑道與裘布依法均值，即Qs=7125.0 m3/d。強(qiáng)富水區(qū)集中在ZK69+520—ZK70+390段、ZK76+510—ZK76+700段及ZK78+060—ZK78+280段，單位最大涌水量在5.27～25.41 m3/(d·m)。右幅洞身內(nèi)含水段長(zhǎng)度9 690.0 m，最大涌水量建議值Qs=27960.9 m3/d，洞身內(nèi)多處可能發(fā)生涌突水。正常涌水量建議采用水平坑道與裘布依法均值，即Qs=7157.1 m3/d。強(qiáng)富水區(qū)集中在K69+530—K70+455段 、K76+530—K76+690段 及K78+115—K78+250段，單位最大涌水量在5.56～24.48 m3/(d·m)。

4 隧道水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及涌水、突水預(yù)測(cè)

隧道進(jìn)口段混合巖化花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶含水層地下水補(bǔ)給較為充足，隧洞穿過(guò)的含水層厚度較大，富水性強(qiáng)，極有可能存在涌突水；而全風(fēng)化帶含水層雖補(bǔ)給充足，但因風(fēng)化作用，巖體裂隙弱發(fā)育，徑流條件較差，富水性相對(duì)較弱。隧道穿越的F1、F2斷層為區(qū)域性的壓扭斷裂構(gòu)造，為阻水構(gòu)造，僅在斷裂構(gòu)造的下盤(pán)、上盤(pán)張性裂隙帶等部位存在地下水。隧道出口段呂梁期花崗侵入巖強(qiáng)風(fēng)化帶含水層補(bǔ)給單一，徑流路徑短，排泄較為通暢，地下水的賦存量較為有限，僅局部可能富水。

因此，隧道主線洞身涌突水位置主要位于隧道進(jìn)口穿越的混合巖化花崗巖強(qiáng)風(fēng)化段及F1、F2斷層的上下盤(pán)裂隙帶附近。

5 隧道工程對(duì)周邊環(huán)境的影響

隧道進(jìn)口段左右幅洞身橫穿混合花崗雜巖全-強(qiáng)風(fēng)化含水層，該含水層自然條件下散排于三道川河河谷河槽內(nèi)，隧道施工及營(yíng)運(yùn)后，洞身圍巖內(nèi)出水排泄會(huì)造成三道川河河谷總排泄量小幅度降低，但由于三道川河地表徑流主要來(lái)源于上覆寒武系、長(zhǎng)城系蓋層的強(qiáng)富水含水層，因此隧道進(jìn)口段施工對(duì)隧道地表環(huán)境影響不大。隧道中部洞身圍巖多屬于微風(fēng)化混合花崗雜巖，為弱富水巖體，與地表環(huán)境水水力聯(lián)系極弱，洞身排水對(duì)地表環(huán)境影響極其輕微。隧道出口段穿過(guò)兩條斷裂構(gòu)造的3個(gè)斷裂面，可能對(duì)斷裂面附近地下水的重新分布造成一定范圍的影響，但洞身所排出地下水與自然條件下排泄地下水仍屬于同一流域空間，且隧道出口段圍巖以微弱含水巖層為主，對(duì)環(huán)境影響極其微弱。

6 結(jié)論

本文采用水文地質(zhì)綜合勘察手段，對(duì)呂梁山隧道的富水性及涌水量進(jìn)行了分析計(jì)算，得出以下結(jié)論。

a）隧道內(nèi)富水段易發(fā)生集中涌突水部位主要位于隧道中前段及斷層上下盤(pán)裂隙帶。

b）隧道左幅洞身正常涌水量為7 125 m3/d，穩(wěn)定含水段最大涌水量為27 840.8 m3/d；右幅洞身正常涌水量為7 157.1 m3/d，穩(wěn)定含水段最大涌水量為27 960.9 m3/d。

c）隧道工程對(duì)周邊環(huán)境影響不大，對(duì)隧址區(qū)總體地下水的徑流排泄屬于輕微程度影響。施工過(guò)程中應(yīng)最大限度地保護(hù)工程區(qū)水文環(huán)境，實(shí)現(xiàn)并保持自然條件下原有的平衡狀態(tài)。