隧洞斷層破碎帶巖體涌水量分析
——安哥拉某水電站為例

李辰舟，蘇傳洋，鄧爭榮，李林，袁洋洋

(長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010)

隨著國內(nèi)外工程隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道涌水問題在水電、交通、建筑及國防等土建工程中經(jīng)常遇到，并被逐漸重視(張飛等，2012)。涌水問題直接影響到隧道的施工和運(yùn)營安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。因此，準(zhǔn)確預(yù)測隧道涌水量，對隧道設(shè)計、施工安全和運(yùn)營管理都是很重要的。目前，隧洞突涌水預(yù)測由定性分析逐漸發(fā)展為定量計算與定性分析結(jié)合。隧道突涌水預(yù)測的方法主要有水均衡法、地下水動力學(xué)法、經(jīng)驗公式法、工程類比法等(徐國鑫等，2017)。國內(nèi)很多學(xué)者對隧道突涌水進(jìn)行了一定研究。其中，羅玉虎(2017)等通過對摩天嶺隧道地層、構(gòu)造、水文地質(zhì)特征及涌水特點的綜合分析，確定巖溶地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，對巖溶隧道涌水量進(jìn)行綜合預(yù)測研究；孫臣生(2017)通過詳細(xì)分析天河山隧道涌水發(fā)生的原因，研究提出了不同的處治方案，對隧道的安全施工起到了很好的作用；浦友繁(2015)通過對牛欄江滇池補(bǔ)水干河泵站引水洞暗河采用“鋼管引流、封堵灌漿、巖石超前固結(jié)、閘閥閉水”措施，確保安全成功地對地下暗河進(jìn)行了封堵；張?zhí)烀鞯?2013)等通過查清牛欄江滇池補(bǔ)水工程引水隧洞涌水量、涌水補(bǔ)給途徑、水壓等情況，采取分流、強(qiáng)抽排、封堵等方式成功封堵涌水；錢富林(2014)為保證關(guān)角隧道順利穿越巖溶富水區(qū)，通過研究關(guān)角隧道突涌水發(fā)生的機(jī)理，對不同的突涌水模式制訂針對性方案，保證了工程順利進(jìn)行。

巖石裂隙是基巖裂隙水的儲存空間和運(yùn)移通道，裂隙的發(fā)育程度受構(gòu)造控制強(qiáng)烈(周宗青等,2012)。大量的實例表明，涌水與斷層關(guān)系密切，受斷層影響，斷層周圍巖體通常極為破碎，破碎帶成為地下水的儲集場所(馬曉輝，2010)。筆者以安哥拉某水電站進(jìn)廠交通洞涌水事件為例，通過分析研究其涌水特征和成因，根據(jù)斷層附近巖體透水性的不同，建立相應(yīng)的地質(zhì)模型；結(jié)合地質(zhì)模型對巖體的正常涌水量和最大涌水量進(jìn)行估算，結(jié)果與實際測量結(jié)果基本一致。研究成果可供其他類似工程參考。

1 工程概況

進(jìn)廠交通洞在開挖過程中，開挖至樁號K1+229.3～K1+214.9段時，揭露一逆沖斷層f1，頂拱及邊墻出現(xiàn)大量滲水現(xiàn)象，多股地下水從排水孔中呈股狀流出，流量較小，對工程進(jìn)度影響甚微。隨著隧洞繼續(xù)開挖，至樁號K1+090.2處，因其揭穿f2斷層，沿3個爆破孔發(fā)生涌水(圖1)，水流清澈并具一定承壓性，初始總涌水量約145 m3/h，流量較大，造成現(xiàn)場停工12天。

圖1 f2斷層涌水現(xiàn)場圖Fig.1 Site photos of water inflow

2 涌水特征

2.1 實測涌水量

自樁號K1+090.2處初見涌水后，即對總涌水量進(jìn)行了持續(xù)觀測，監(jiān)測到初始最大流量達(dá)3 408 m3/d，后流量迅速減小，約7天后流量減小至729.6 m3/d。隨后流量減小趨緩，第61天后減小至120.8 m3/d，之后流量趨于穩(wěn)定，維持在120 m3/d左右，流量變化曲線見圖2。

圖2 流量變化曲線圖Fig.2 Flow change curve

2.2 水溫特征

涌水后對其涌水點、沿斷層f1出水點水溫和洞室內(nèi)溫度以及就近涌水點處寬扎河河水溫度分別進(jìn)行了測量，結(jié)果見表1。由此可知，涌水點水溫保持相對穩(wěn)定，并高出同時段就近河水水溫，沿f1斷層滲水點水溫分別約3℃、0.4℃。

表1 涌水水溫及其他位置溫度觀測結(jié)果表Tab.1 Observation results of water inrush temperature and other location temperatures

2.3 水化學(xué)特征

表2 水化學(xué)分析主要成分結(jié)果匯總表Tab.2 Components of water chemical analysis results

2.4 附近鉆孔地下水水位變化

樁號K1+090.2處地下水涌水發(fā)生后，對其沿線前期鉆孔S625與周邊長期觀測孔S529、S533、S603、S606、S610地下水水位變化進(jìn)行了同步觀測。觀測結(jié)果表明：樁號K1+090.2～K1+053段地下水涌(滲)水持續(xù)，該隧洞沿線附近鉆孔S625地下水位下降約1.0 m，下降幅度較大，46天后，累計下降約4.9 m；周邊5個長期觀測孔地下水位間隔2天，下降約0.07～0.20 m，下降幅度明顯，46天后，累計下降約0.3～0.7 m。

由周邊及附近長期觀測孔同步觀測結(jié)果可知：樁號K1+090.2～K1+053洞段地下水涌(滲)水由周邊及附近地下水補(bǔ)給，且距涌(滲)水段越近，地下水位下降幅度越大(圖3)。

圖3 涌水處及周邊鉆孔位置示意圖Fig.3 Location of water inrush and peripheral boreholes

3 涌水段地質(zhì)模型及涌水量估算

3.1 涌水成因分析

發(fā)生涌水洞段的地層巖性為下太古界下段片麻巖，片麻理總體傾向160°～195°，傾角為35°～50°，片麻理揉皺現(xiàn)象明顯。后續(xù)開挖揭示：地下水沿小斷層f2巖體破碎帶涌出，斷層傾向250°～270°，傾角為24°～35°，斷層核部寬為2～5 cm，物質(zhì)組成為碎屑夾泥。受斷層影響，斷層兩側(cè)為巖體破碎帶(斷層影響帶)，該帶巖體結(jié)構(gòu)呈碎塊狀，兩側(cè)帶寬均約0.4 m(圖4)?，F(xiàn)場開挖揭示：K1+090～K1+050段巖體節(jié)理相比于其他洞段更為發(fā)育；發(fā)育北東、北西、北北西向3組優(yōu)勢節(jié)理，節(jié)理間距為0.3～1.0 m，傾角以中陡傾角為主，開度小于3 mm，鈣質(zhì)充填，節(jié)理兩壁未蝕變，延伸長度一般為3～8 m，節(jié)理形態(tài)多平直稍粗糙，屬硬性結(jié)構(gòu)面。

圖4 泥化碎屑帶及巖體破碎帶圖Fig.4 Mud-detrital and broken rock masses zone

工程區(qū)巖體透水率大部分屬微-極微透水(GB 50287-2016,2016；GB 50287-2016,2016)，切割巖塊的裂隙網(wǎng)絡(luò)為地下水的儲存和運(yùn)移場所，地下水通過降雨入滲后賦存在網(wǎng)狀裂隙中，受斷層影響的巖體破碎區(qū)域巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，賦存的地下水較多，在鉆爆孔揭穿該區(qū)域后，因其透水性強(qiáng)而發(fā)生涌水，地下水涌(滲)水來源主要由周邊及附近地下水補(bǔ)給。

3.2 涌水段地質(zhì)模型建立

復(fù)合滲透結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型更符合巖體破碎帶滲透特征。按照隧洞段巖體透水性的不同，可將發(fā)生涌水的f2斷層附近巖體分為3部分(圖5)。其中，①為巖體極破碎-破碎的強(qiáng)透水層帶(核部+斷層破碎帶)，根據(jù)鉆孔壓水試驗結(jié)果為不起壓，巖體破碎帶滲透系數(shù)為10-2cm/s，初期的涌水均主要來自于此部分地下水。②為巖體較破碎的中等-弱透水層帶(斷層影響帶)，根據(jù)鉆孔壓水試驗結(jié)果，巖體滲透系數(shù)為10-4cm/s，為流量緩慢衰減的涌水主要來源。③為巖體較完整-完整的微-極微透水層帶，裂隙發(fā)育少，為穩(wěn)定階段的涌(滲)水提供來源。

圖5 斷層帶區(qū)導(dǎo)水通道劃分圖Fig.5 Water passage formed by fracture network

涌水一般分初期階段，衰減階段，穩(wěn)定階段(GB 50487-2008,2008)，初期發(fā)生的涌水主要來源于受斷層影響的極破碎-較破碎的巖體破碎帶(①和②)，鉆孔揭露巖體破碎帶后，破碎帶中賦存的地下水沿鉆孔涌出，因該區(qū)域巖體透水率強(qiáng)，涌水量隨時間迅速衰減，水位迅速下降。賦存于周圍裂隙帶(③)中的地下水向巖體破碎帶進(jìn)行補(bǔ)給，巖體破碎帶中的地下水排空后，涌水量遞減趨緩，最終流量達(dá)到穩(wěn)定，形成以涌水點為匯的降落漏斗。

3.3 涌水量估算

3.3.1 最大涌水量估算

巖體破碎帶中，巖體透水性強(qiáng)，初期涌水量大，且涌水量隨時間迅速衰減，該部分地下水運(yùn)動不符合達(dá)西定律。因此，采用流體力學(xué)中伯努利方程(GB 50487-2008,2008)進(jìn)行估算。

(1)

將式(1)進(jìn)行化簡得：

(2)

根據(jù)式(2)得到最大涌水量：

(3)

式中：水頭h=91 m；管嘴流量系數(shù)μ按0.82取值；g=9.8 m/s2；A為鉆孔面積1 962.5 mm2(鉆孔直徑50 mm)，計算得涌水量約3 390.2 m3/d，與實測最大涌水量3 408.0 m3/d相當(dāng)。

3.3.2 正常涌水量估算

隧洞正常涌水量根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049-2004)(2004)及《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 629-2014)(林建忠,2013)中提到的裘布依理論公式進(jìn)行估算：

(4)

式中：

Ry=215.5+510.5K

(5)

其中，Ry為隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑(m)；Qs為隧道正常穩(wěn)定涌水量(m3/d)；L為隧洞通過含水體的長度(m)，為40 m；K為含水體滲透系數(shù)(m/d)，按10-4cm/s估算；H2為洞底以上含水體厚度(m)，為101 m；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深(m)，取0.5 m；r為洞身橫斷面等價圓半徑(m)，為4.94 m。

帶入式(5)與式(4)，計算得隧道通過含水體地段的正常穩(wěn)定涌水量為112.4 m3/d，略小于實測穩(wěn)定涌水量120 m3/d。

4 涌水處理措施

鑒于樁號K1+090處涌水主要來源于巖體中賦存的地下水，與河水無關(guān)聯(lián)。為了有效排出襯砌以外的圍巖裂隙水，消除二次襯砌背面的靜水壓力，按照“動態(tài)排水”的排水原則:①初期支護(hù)噴射混凝土中的排水管由原設(shè)計的隨機(jī)設(shè)置調(diào)整為系統(tǒng)布置，采用Φ50排水孔引排，排水孔為深4 m的花管，排水孔間距為1.5 m，排水孔位置和孔深根據(jù)現(xiàn)場巖體破碎區(qū)域進(jìn)行調(diào)整。②樁號K1+090位置底板兩側(cè)設(shè)置集水坑，集水坑尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m，采用水泵抽排，達(dá)到減少洞內(nèi)積水的目的。另外，在涌水洞段范圍內(nèi)，布置收斂監(jiān)測斷面，每個斷面布置5個測點，長期對巖體變形情況進(jìn)行監(jiān)測。

鑒于涌(滲)水洞段涌水處初始流量較大，考慮其對圍巖長期穩(wěn)定性及運(yùn)行的影響，建議設(shè)計對f2斷層帶及附近部位，視需要采取掏挖后回填混凝土塞，并結(jié)合帷幕灌漿處理措施。另外，對于后續(xù)隧洞開挖過程中巖體破碎部位水量較豐富洞段，布置超前鉆孔排水，提前釋放巖體中賦存的地下水。

5 結(jié)論

(1)對隧洞涌水的水量、水溫、水化學(xué)及附近周邊鉆孔地下水位變化分析表明，樁號K1+090.2處涌水來源于巖體網(wǎng)絡(luò)中儲存的地下水，受降雨入滲補(bǔ)給，與就近河水無關(guān)聯(lián)。

(2)根據(jù)涌水洞段巖體透水性的不同，將受斷層影響的破碎巖體分為：巖體極破碎-破碎的強(qiáng)透水層帶，初期的最大涌水主要來自于此部分地下水；巖體較破碎的中等-弱透水層帶，為流量緩慢衰減的涌水主要來源；巖體較完整-完整的微-極微透水層帶，為穩(wěn)定階段的涌(滲)水提供來源。

(3)根據(jù)建立的地質(zhì)模型，利用流體力學(xué)伯努利方程得到涌水初期的最大涌水量為3 390.2 m3/d；利用穩(wěn)定流裘布依理論公式得到正常涌水量為112.4 m3/d。計算結(jié)果與實測最大涌水量和正常涌水量大小相近。該研究方法及成果可供其他類似工程參考。