地下水對(duì)隧道圍巖分級(jí)的影響

陳林

（四川省冶金地質(zhì)勘查局水文工程大隊(duì)，四川成都 611700）

0 引言

隧道圍巖分級(jí)是圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，可為隧道工程設(shè)計(jì)與施工提供有效依據(jù)?？茖W(xué)的圍巖分級(jí)可以節(jié)省建設(shè)成本，保證施工安全，是不可或缺的重要環(huán)節(jié)[1]。通過(guò)一隧道工程的實(shí)例研究，工程面臨復(fù)雜的地質(zhì)水文環(huán)境，集合地下水對(duì)隧道圍巖分級(jí)影響分析，探尋合理進(jìn)行圍巖分級(jí)的方法。

1 工程概況

擬建隧道位于拉薩市附近，是該公路的控制性工程，隧道設(shè)計(jì)為分離式雙洞隧道，兩洞相距25～35m，隧道最大埋深約1347.92m。隧道左洞全長(zhǎng)13566m（ZK7+630～ZK21+196），隧道路面設(shè)計(jì)高程為4033.39m(進(jìn)口)～3826.43m(出口)，設(shè)計(jì)縱坡為1.8/11998，-0.6/1554，右洞全長(zhǎng)13552m（K7+631～K21+183），隧道路面設(shè)計(jì)標(biāo)高3826.49m(出口)～4033.34m(進(jìn)口)，設(shè)計(jì)縱坡1.8/12010，-0.6/1556。隧道進(jìn)出口洞門(mén)型式為端墻式。隧道洞體設(shè)計(jì)限高5.0m，設(shè)計(jì)限寬10.25m，為特長(zhǎng)深埋隧道。

隧道穿越橫貫東西的果拉山山脈，為北部拉薩河水系支流澎波曲與南部拉薩河水系的地表分水嶺。在支流水系的溯源側(cè)蝕和古冰川的刨蝕作用下，于分水嶺南北形成了眾多弧形折曲狀次級(jí)山系和深切溝谷。隧道南北向穿越了多條次級(jí)山系和溝谷。隧址區(qū)地層上往北以變質(zhì)巖為主，往南以侵入巖為主，地下水以基巖裂隙水為主要特征。

2 水文地質(zhì)條件勘察

2.1 主要含水層及富水性

根據(jù)擬建隧道一帶的地層結(jié)構(gòu)以及巖體的滲透性和富水性，將隧址區(qū)的含水巖組劃分為松散巖類(lèi)孔隙水巖組、弱-中等富水的裂隙水含水巖組以及導(dǎo)水裂隙密集發(fā)育帶含水巖組和相對(duì)隔水層。

2.1.1 松散巖類(lèi)孔隙水巖組

隧址區(qū)地表較大支溝、低洼地段接受地表水補(bǔ)給，富水性強(qiáng)；殘坡積層及高階地地段，主要接受降水及基巖裂隙水的補(bǔ)給，由于補(bǔ)給量不穩(wěn)定且具有明顯的季節(jié)性，因而該類(lèi)堆積物富水性也具有明顯的季節(jié)性差異，富水性總體較強(qiáng)。

2.1.2 弱富水的裂隙水含水巖組

賦存于擬建隧道的白堊紀(jì)晚白堊世（ηγβK2）和白堊紀(jì)早白堊世（γσk1）的厚層花崗巖體組成的含水巖組及楚木龍組（K1c）厚層粉砂巖含水巖組中，地下水主要接受降雨滲入式補(bǔ)給，并賦存于巖體的孔隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)鉆孔水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)，含水巖組富水性屬弱富水。

2.1.3 較富水的巖溶裂隙水

賦存于侏羅系上統(tǒng)多底溝組（J3d）的厚層灰?guī)r與白堊系下統(tǒng)林布宗組(J3K1l)板巖接觸帶附近，地下水露頭的泉流量為0.9～4.0L/s，經(jīng)鉆孔水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)，含水巖組富水性較強(qiáng)。

2.1.4 導(dǎo)水裂隙密集發(fā)育帶含水巖組

隧道址區(qū)埋藏于地表以下200～300m 深處的構(gòu)造裂隙水，在南北向徑流受限制的條件下，東西方向地下徑流也并不暢通，地下水處于相對(duì)封閉靜止的狀態(tài)。

2.1.5 相對(duì)隔水層

隧址區(qū)規(guī)模宏大的白堊系下統(tǒng)林布宗組(J3K1l)的板巖及巖體完整的黑云母二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等因透水性差、層位穩(wěn)定，均屬相對(duì)隔水層。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特征

2.2.1 地下水補(bǔ)給

每年5～9月，地下水主要接受冰雪融水和大氣降雨的入滲補(bǔ)給。其他時(shí)間地表水呈冰凍狀態(tài)，最大凍深達(dá)到140cm，地下水呈封閉狀態(tài)。

隧道區(qū)地下水補(bǔ)給源主要為大氣降水或由大氣降水轉(zhuǎn)化的冰雪融水。以降雨為主，在山地海拔較高處還有降雪，故地下水的補(bǔ)給源中，冰雪融水亦占有重要位置。

2.2.2 地下水徑流、排泄條件

地下水的徑流嚴(yán)格受地勢(shì)控制，由山嶺高處到低洼谷地沿斜坡順裂隙、斷裂不均勻地向就近溝谷徑流。基巖裂隙是地下水運(yùn)移、貯存的通道和空間，受地形條件影響，地下水的徑流途程一般較短，并在溝谷兩側(cè)以隱滲或泉流的方式向溝谷地下水或地表水排泄。

基巖風(fēng)化裂隙水流量受季節(jié)性變化影響。風(fēng)化裂隙水埋深淺，接受地表冰雪融水和在大氣降雨的入滲補(bǔ)給后，一方面沿基巖裂隙向地下深部入滲，另一方面向拉薩河和雅魯藏布江河谷滲流排泄。

構(gòu)造裂隙水賦存于構(gòu)造裂隙或基巖破碎帶中，埋深大，接受風(fēng)化裂隙水的入滲補(bǔ)給。隧道址區(qū)埋藏于地表以下200～300m 深處的構(gòu)造裂隙水，在南北向徑流受限制的條件下，東西方向地下徑流并不暢通，地下水處于相對(duì)封閉、靜止的狀態(tài)。

2.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)

在各鉆孔內(nèi)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以查明隧道圍巖的透水性，評(píng)價(jià)巖體的滲透特征以及為設(shè)計(jì)防滲措施提供參數(shù)。滲透系數(shù)按承壓完整井公式計(jì)算[2]。

2.4 隧道涌水量預(yù)測(cè)

采用地下水徑流模數(shù)法與地下水動(dòng)力學(xué)水平坑道疏干法計(jì)算隧道的涌水量[3]。在公式計(jì)算中，由于徑流模數(shù)和入滲系數(shù)受地形地貌、植被、構(gòu)造影響，同時(shí)由于本區(qū)水文地質(zhì)資料，若用偶測(cè)值計(jì)算，則隨機(jī)性太大，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和徑流模數(shù)有關(guān)資料類(lèi)比綜合取值為21.2～30L/S.km2。綜合隧道區(qū)的地下水類(lèi)型、埋藏深度，地形切割情況，地層巖性特征，自然地理特點(diǎn)和雨量分布狀況。隧址區(qū)地形地貌為高山地貌，風(fēng)化裂隙，根據(jù)入滲條件選用隧址區(qū)的平水期滲入系數(shù)0.65。

兩種計(jì)算結(jié)果一致，表明各計(jì)算參數(shù)的選用是合理的。隧道主洞涌水量為49528.31～52259.13m3/d；斜井：豎井一般涌水量為50m3/d，1#斜井一般涌水量為2164.39～3611.52m3/d；2#斜井一般涌水量為4074.62～4109.27m3/d；斜井5261.76～6352.50m3/d。以地下徑流模數(shù)法計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，分析整理本隧道分段、分地層平水期涌水量和預(yù)測(cè)豐水期最大涌水量，取平水期的1.5 倍為隧道豐水期的涌水量。

2.5 環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕性評(píng)價(jià)

地下水中超標(biāo)組分有NH4+、NO2-、Fe、Mn、pH 值、耗氧量、細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群八項(xiàng)指標(biāo)。地下水水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca 型為主，其次為HCO3-Ca·Na型，極個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)HCO3·NO3-Ca 型水。地下水pH 值在7～8 之間，平均7.57；礦化度一般在0.1～0.4g/L之間，平均0.27g/L；總硬度一般在100～200mg/L 之間，平均133.42mg/L(以CaCO3計(jì))。屬中性-弱堿性低礦化滲濾型軟水。

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）中關(guān)于環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕性的判定標(biāo)準(zhǔn)，隧道區(qū)環(huán)境水有關(guān)指標(biāo)、檢測(cè)值都在微腐蝕性界限值以?xún)?nèi)，即環(huán)境水對(duì)混凝土有微腐蝕性。

3 隧道圍巖工程地質(zhì)分級(jí)

3.1 隧道圍巖分級(jí)的原則和方法

隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D3370.1—2018）3.6.2 節(jié)中，根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征和定量的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ），綜合進(jìn)行分級(jí)[4]。對(duì)圍巖進(jìn)行詳細(xì)定級(jí)時(shí)，應(yīng)在巖體基本質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上考慮修正因素的影響，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ），結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判，確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)[5]。圍巖詳細(xì)定級(jí)時(shí)，如遇有地下水或圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響，由一組起控制作用；存在高初始應(yīng)力三種情況之一，應(yīng)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）值進(jìn)行修正[6]。地下水影響修正系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地下水影響修正系數(shù)

3.2 圍巖結(jié)構(gòu)特征分段及完整程度

擬建隧道為巖質(zhì)隧道，隧道圍巖體涉及地層為白堊系下統(tǒng)林布宗組(J3K1l)、白堊系下統(tǒng)楚木龍組（K1c）、侏羅系下統(tǒng)多底溝（J3d）組白堊紀(jì)晚白堊世（ηγβK2）、早白堊世地層（γσk1），主要巖性為板巖、變質(zhì)砂巖、黑云母二長(zhǎng)花崗巖以及花崗閃長(zhǎng)巖，夾泥巖薄層。板巖性質(zhì)軟，強(qiáng)度低，抗風(fēng)化能力差，地表多風(fēng)化呈巖屑狀，層理發(fā)育，層間結(jié)合較差。砂巖及花崗巖為中～厚層狀構(gòu)造，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巖石較硬，強(qiáng)度較大，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。

為便于隧道圍巖分級(jí)，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分段，隧道為巖質(zhì)隧道，板巖為較軟巖，變質(zhì)砂巖及片麻狀花崗巖為較硬巖，黑云母二長(zhǎng)花崗巖為堅(jiān)硬巖。各種巖石的抗壓強(qiáng)度值和完整系數(shù)差別較大，圍巖分類(lèi)時(shí)考慮各類(lèi)巖性差異的劃分，分段原則：對(duì)洞口考慮洞口淺埋、巖石風(fēng)化程度及破碎程度等因素，將洞口段頂板厚度在1～3 倍洞徑內(nèi)中風(fēng)化巖體按同類(lèi)洞身圍巖類(lèi)別降低一類(lèi)；對(duì)破碎帶則按同類(lèi)別降低一類(lèi)劃分。

3.3 圍巖的堅(jiān)硬程度

隧道圍巖巖石堅(jiān)硬程度根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度劃分，隧道圍巖堅(jiān)硬程度劃分詳見(jiàn)表2。

表2 圍巖巖石堅(jiān)硬程度劃分

3.4 圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)

根據(jù)圍巖強(qiáng)度以及上述確定的圍巖完整程度，對(duì)隧道圍巖的基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算。

隧道各圍巖段的完整程度不一，地下水的發(fā)育狀況及對(duì)圍巖的影響程度也不盡相同，不同巖性、不同段落巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系不同，各區(qū)段的地應(yīng)力也存在差異，故按修正系數(shù)的不同對(duì)隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正[7]。

3.5 隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過(guò)以上綜合劃分后最終確定了隧道的圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅴ級(jí)級(jí)，各級(jí)圍巖長(zhǎng)度及其占隧道總長(zhǎng)度比例見(jiàn)表3。各段圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)如下。

表3 隧道各級(jí)圍巖分布情況表

Ⅲ級(jí)圍巖巖石強(qiáng)度大、巖體較完整，為厚～巨厚層狀，穩(wěn)定性較好。拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可發(fā)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動(dòng)過(guò)大易坍。地下水易沿風(fēng)化裂隙向隧道涌入，隧道出水一般呈滴水及小股水滲出。施工可采取光面爆破，一次成洞，全斷面開(kāi)挖，一次支護(hù)，對(duì)局部軟質(zhì)巖夾層應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

IV 級(jí)圍巖以較堅(jiān)硬巖為主，多呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖一般無(wú)自穩(wěn)能力，拱部無(wú)支護(hù)時(shí)，可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定。施工時(shí)應(yīng)采用臺(tái)階分部開(kāi)挖，復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)，短開(kāi)挖，快支護(hù)，局部巖體完整性較差地段采用噴錨支護(hù)。

V 級(jí)圍巖主要為碎石土、粉土以及強(qiáng)風(fēng)化巖層?；鶐r裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，土層結(jié)構(gòu)稍密。處理不當(dāng)洞頂易發(fā)生大規(guī)模坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，淺埋時(shí)易出現(xiàn)地表下沉（陷）或坍至地表。建議施工時(shí)應(yīng)采用臺(tái)階分部開(kāi)挖，復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)。加強(qiáng)施工期地質(zhì)工作，進(jìn)行超前鉆探，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的各種資料進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息法施工。

4 結(jié)語(yǔ)

公路隧道建設(shè)往往面臨圍巖級(jí)別的不確定性，由于隧道圍巖級(jí)別判斷不準(zhǔn)確，導(dǎo)致隧道施工無(wú)法按照設(shè)計(jì)方案順利開(kāi)展，需要提高地質(zhì)勘察精度與深度，全面考慮地下水等因素對(duì)隧道圍巖分級(jí)的影響，對(duì)隧道圍巖合理分級(jí)，從而采取有效的針對(duì)性措施，以提高公路隧道設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。