云南省某隧道水文地質(zhì)條件分析及涌水量分析

劉 韜 胡 強(qiáng)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

引言

隧道涌水預(yù)測是一個復(fù)雜的水文工程地質(zhì)問題，它關(guān)系到隧道方案工程設(shè)計、施工條件、工程造價、養(yǎng)護(hù)條件和運(yùn)營安全[1]。所以在隧道設(shè)計、施工前對隧道的水文地質(zhì)評價及涌水量預(yù)測十分重要。隧道的地下涌水量可根據(jù)隧址水文地質(zhì)條件選擇水文地質(zhì)比擬法、水均衡法、地下水動力學(xué)方法等進(jìn)行綜合分析評價[2]，本文以云南省某高速公路某隧道為例，探討分析了隧道區(qū)的水文地質(zhì)條件及涌水量的預(yù)測，并提出了預(yù)防措施。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)地處云貴高原西南邊緣，橫斷山脈南段，為怒江和瀾滄江河間地塊，區(qū)間山高谷深，層巒迭嶂，氣勢雄偉，山間盆地繁星般的點(diǎn)綴其中，景觀綺麗，地勢總體上北高南低，高差起伏大。隧道區(qū)附近海拔1783.00～2198.70m，相對高差415.70m。隧道橫穿多個山體、溝谷、國道及通鄉(xiāng)公路，進(jìn)出口均位于斜坡體上，進(jìn)口處地形縱坡較陡，出口處地形縱坡較緩，地表植被發(fā)育以灌木為主，基巖局部出露；隧道通過段地面高程為1800.93～2166.99m之間，相對高差366.06m。

根據(jù)地貌成因?qū)^(qū)內(nèi)地貌分為構(gòu)造剝蝕、河流侵蝕—剝蝕地貌兩種類型。構(gòu)造剝蝕地貌為場區(qū)大面積地貌，主要地貌單元為山地，山地形態(tài)有中山地貌、山間凹地；河流侵蝕—剝蝕地貌為場區(qū)小范圍地貌類型。

隧道進(jìn)出口端均為溝谷地形，自然坡度25°～45°；洞身段穿越山脊，最高點(diǎn)高程2167m。

隧道為分離式結(jié)構(gòu)型式特長隧道；左幅全長5200.00m，隧道最大埋深292m，右幅全長5255.00m，洞身最大埋深298m。

2 水文地質(zhì)

2.1 水文地質(zhì)特征

隧道上覆殘坡積層粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為元古界花崗混合巖及印支期花崗巖。隧道依次穿越F1、F2斷層。場區(qū)分布多條河流、溪溝，根據(jù)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型分為第四系松散孔隙水，基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水以大氣降水為主要補(bǔ)給源，次之為河流及溪溝。

根據(jù)構(gòu)造組合、地貌形態(tài)類型所起的控制作用，場區(qū)地表分水嶺與地下分水內(nèi)嶺總體一致，分水嶺東側(cè)，地下水一般以潛水的形式賦存于混合花崗巖地層中，混合花崗巖中發(fā)育的構(gòu)造裂隙、節(jié)理裂隙及侵入接觸構(gòu)造裂隙為主要含水層，其特點(diǎn)是受大氣降水補(bǔ)給外，還受地表水網(wǎng)補(bǔ)給，地下水徑流以垂直、水平循環(huán)為主，埋藏深，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)一致。分水嶺西側(cè)，地下水一般以潛水的形式賦存于花崗巖地層中，花崗巖中發(fā)育的構(gòu)造裂隙、節(jié)理裂隙及侵入接觸構(gòu)造裂隙為主要含水層，其特點(diǎn)是受大氣降水補(bǔ)給外，還受地表水網(wǎng)補(bǔ)給，地下水徑流以垂直、水平循環(huán)為主，埋藏深，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)一致。

2.2 水文地質(zhì)分區(qū)

依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用，將區(qū)內(nèi)分為勐庫河流域水文地質(zhì)區(qū)和閣河流域水文地質(zhì)區(qū)，再按流場和含水巖組、F1、F2阻水?dāng)鄬臃植迹瑒澐譃?個亞區(qū)。

勐庫河流域水文地質(zhì)Ⅰ區(qū)位于分水嶺西側(cè)，面積9.2km2。按F2阻水?dāng)鄬?、含水巖層劃分為三個亞區(qū)。

2.2.1 東弄水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ1)

ZK15+500～ZK16+290(YK15+500～YK16+320)位于該區(qū)域。地表水以雨源型河流、有水溪溝為主，該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，印支期(γ51)花崗巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，整體向北西徑流。該區(qū)域地下水主要以隙流的形式自東向西方向徑流，排泄于勐庫大河。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

2.2.2 正氣塘水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ2)

兩側(cè)分別以F1、F2斷層、分水嶺為界，ZK13+150～ZK15+500(YK15+500～YK15+500)位于該區(qū)域。地表水以雨源型河流、有水溪溝為主，該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，印支期(γ51)花崗巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，整體向北西徑流，遇到阻水F2斷層阻隔，斷層區(qū)內(nèi)多為斷層泥，膠結(jié)程度較好，斷層局部位置導(dǎo)水。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

2.2.3 大黑山水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ3)

兩側(cè)分別以F1斷層、分水嶺為界，隧道ZK13+040～ZK13+150(YK13+040～YK13+150)位于該區(qū)域。地表水以雨源型河流、有水溪溝為主，該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，元古界(Pt)花崗混合巖，中等—強(qiáng)富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，整體向北西徑流，遇到阻水F2斷層阻隔，斷層區(qū)內(nèi)多為斷層泥，膠結(jié)程度較好，斷層局部位置導(dǎo)水。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

閣河流域水文地質(zhì)(Ⅱ)區(qū)位于分水嶺東側(cè)，面積10.5km2。按F1阻水?dāng)鄬?、含水巖層劃分為兩個水文地質(zhì)亞區(qū)。

(1)白石山水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ1)

隧道南側(cè)，隧道未經(jīng)過位于該區(qū)域。該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，印支期(γ51)花崗巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受阻水?dāng)鄬覨1阻隔該區(qū)域地下水主要以隙流的形式向東南徑流。

(2)肖家水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ2)

西側(cè)邊界以分水嶺、阻水?dāng)鄬覨1為界，隧道ZK11+090～ZK13+150(YK11+073～YK13+150)位于該區(qū)域。該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，元古界(Pt)花崗混合巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水、溪溝的補(bǔ)給，整體向南東徑流。該區(qū)域地下水主要以隙流的形式自西向南東徑流，排泄于閣河，最終匯入瀾滄江。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

2.3 地下水水質(zhì)

區(qū)內(nèi)地下水總體上呈無色、無味、無嗅、透明，總體上物理性質(zhì)良好。地下水水質(zhì)分析化學(xué)特征(腐蝕性分析)資料見下表。

表1 地下水對建筑材料的腐蝕性分析表

腐蝕性等級綜合評價：水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

3 隧道涌水量預(yù)測

3.1 地下水動力學(xué)法

參照《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB 10049-2014)，隧道通過潛水含水體時，可采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式(1)預(yù)測隧道最大涌水量[3]：

(1)

式中：Q—隧道通過含水體地段最大涌水量(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)。

3.2 水均衡法

3.2.1 大氣降水入滲法

隧道處于強(qiáng)透水巖層內(nèi)，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水的賦存量較大，匯水面積較大，其補(bǔ)給源主要為大氣降雨，故采用大氣降水入滲法，按分區(qū)塊段各段匯水消水計算預(yù)測隧道涌水量。雨季涌水量或暴雨涌水量可采用經(jīng)驗(yàn)公式(2)：

Q= 2.74α×A×W

(2)

式中：Q—隧道通過含水體地段的雨季涌水量或計算頻率暴雨涌水量(m3/d)；

α—為降水入滲系數(shù)；

A—隧道集水面積(km2)；

W—區(qū)域年最大降雨量。

本次按多年最大年降雨量1479.4mm計算，通過以上對隧道涌水量進(jìn)行計算預(yù)測，其涌水量為20040m3/d。

3.2.2 地下徑流模數(shù)法

越嶺隧道通過一個或多個地表水流域時，預(yù)測隧道正常涌水量。可采用地下徑流模數(shù)法：通常，地下水徑流模數(shù)不是一個固定量，與降雨多少有關(guān)，隧道涌水量預(yù)測，宜采用豐水期徑流模數(shù)計算如式(3)。

Q= 86.4×M×F

(3)

式中：M—豐水期逕流模數(shù)(L/s·km2)，據(jù)1∶50萬測區(qū)市水文綜合水文圖及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值；

F—為隧道通過含水體的地下匯水面積(km2)。

通過以上對隧道涌水量進(jìn)行計算預(yù)測，其涌水量為18787m3/d。

3.3 涌水量計算結(jié)果評價

通過以上多種方法預(yù)測，采用大氣降雨入滲法計算得到隧道最大涌水量為20040m3/d；地下徑流模數(shù)法計算隧道最大涌水量為18787m3/d；古德曼經(jīng)驗(yàn)公式計算得到隧道最大涌水量為35243m3/d，相互間具有一定差異。

因大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法存在局限性，加之現(xiàn)今極端天氣頻發(fā)，故建議隧道設(shè)計時按古德曼經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測的隧道最大涌水量，預(yù)測隧道最大涌水量為36000m3/d 。

4 隧道水文地質(zhì)問題分析及施工驗(yàn)證

隧道穿越地層為Pt、γ51，巖性為混合花崗巖及花崗巖。隧道穿越F1、F2斷層，隧道上方通過多條河流、溪溝。地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示場區(qū)巖體差異風(fēng)化嚴(yán)重，巖體極破碎至破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，并存在松散、軟弱充填物或充水。物探亦揭示多處低阻異常，推測為破碎富水囊?guī)?。地下水造成圍巖穩(wěn)定條件惡化，甚至引起局部失穩(wěn)[4],根據(jù)隧址地質(zhì)條件、氣象條件、結(jié)合施工因素，隧道施工中涌水突泥主要表現(xiàn)在以下情況：

4.1 斷層破碎帶發(fā)生涌水突泥

一般來說構(gòu)造斷裂是山區(qū)地表水滲入地下的通道[5]，斷層F1與、F2與隧道相交，受斷層對巖體的強(qiáng)烈擾動、破碎作用，阻水?dāng)鄬觾蓚?cè)裂隙發(fā)育具備充水條件，富水性較斷層中心部位強(qiáng)，因此當(dāng)施工至斷層兩側(cè)，尤其迎水側(cè)，揭露富水帶，易造成突泥涌水。另一方面，由于斷層局部位置導(dǎo)水，局部易形成較大儲水區(qū)和破碎帶徑流通道，形成風(fēng)化強(qiáng)烈的松散軟弱層及構(gòu)造破碎帶等富水帶，造成施工涌水突泥。再則，在采動條件下，斷層面性質(zhì)，由壓性斷裂變?yōu)閺埿詳嗔?，隔水層張開活化成為導(dǎo)水通道[6]。

4.2 裂隙密集帶涌水突泥。

根據(jù)物探解譯，隧道洞身存在多處裂隙密集帶，裂隙密集帶內(nèi)巖體破碎，裂隙發(fā)育，為地下水導(dǎo)通通道，并兼有導(dǎo)水、蓄水功能，當(dāng)隧道洞身通過裂隙巖體含水區(qū)段時，就會形成積水廊道[7]，造成施工涌水突泥。

4.3 河流、溪溝串通涌水突泥

隧道頂部有河流、溪溝通過，開挖導(dǎo)致地表河流、溪溝帶透漏水開挖造成河流、溪溝串通。

4.4 降雨增大水壓誘發(fā)涌水突泥

項(xiàng)目區(qū)夏秋兩季雨量充沛，尤其在暴雨期間，地下水位迅速上升，水壓增大，極易誘發(fā)涌水突泥，尤其在風(fēng)化強(qiáng)烈的軟弱帶、構(gòu)造破碎帶等區(qū)段。

4.5 施工擾動誘發(fā)涌水突泥

隧道施工前，巖體處于自然平衡狀態(tài)。隧道開挖擾動巖體，形成臨空面，并在隧道周邊形成松動圈[8]，從而誘發(fā)涌水突泥，主要有以下情況：

(1)隧道開挖直接誘發(fā)涌水突泥，主要原因?yàn)椋洪_挖直接揭穿高壓、富水囊?guī)?；施工爆破等作用?dǎo)致巖體節(jié)理裂隙擴(kuò)張，造成巖體局部應(yīng)力集中和破裂。

(2)隧道開挖間接誘發(fā)涌水突泥，主要原因?yàn)椋洪_挖導(dǎo)致止防突巖層[9]出現(xiàn)變形和位移，不能抵抗水壓、土壓和構(gòu)造應(yīng)力，防突巖層受力和變形位移過大，逐漸失穩(wěn)或破壞造成涌水突泥。

(3)隧道施工，爆破后圍巖裂隙變化十分顯著，增強(qiáng)巖石滲透系數(shù)[10],隧道開挖面后方發(fā)生涌水突泥。隧道開挖擾動圍巖，造成圍巖壓力增大或大氣降雨造成水壓突然升高，隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗土壓和水壓，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)和破壞，形成涌水突泥。

4.6 施工驗(yàn)證

施工過程中由于隧道雙向掘進(jìn)，在進(jìn)口端設(shè)有抽水泵及水表，經(jīng)統(tǒng)計兩個雨季中最大涌水量31655m3/d。

通過對比分析該隧道采用地下水動力學(xué)中古德曼經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際情況接近。

5 結(jié)語

花崗巖地層中常伴有巖脈、富水囊?guī)?、蝕變帶，基本無規(guī)律可循，具有一定隨機(jī)性，建議施工中采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報，并結(jié)合施工開挖揭露情況，掌握施工面前方更為詳細(xì)的地質(zhì)情況，如圍巖完整性、軟弱夾層及破碎帶的分布位置、充填情況、儲水及補(bǔ)給等，進(jìn)行綜合分析和研究，及時正確地制訂相關(guān)設(shè)計、施工技術(shù)方案及應(yīng)急預(yù)案，及時進(jìn)行支護(hù)，防止坍塌、涌水、突泥等產(chǎn)生，確保隧道及施工安全。