廈門文興隧道近接?xùn)|山水庫段地下水連通試驗研究

陳智強

（廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司，福建廈門 361008）

0 引言

近年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，原有的城市交通運輸能力已經(jīng)不能滿足交通量迅猛增長的需求，提高城市交通運輸能力已成為當(dāng)前急需解決的問題，廈門也不例外。據(jù)分析，目前，廈門城市交通發(fā)展形勢呈現(xiàn)如下特點[1]：（1）機動車總量不大，但增長迅速，尤以島內(nèi)為甚；（2）道路供給水平較好，但跟不上機動車發(fā)展的要求；（3）高峰期交通運行不暢，惡化趨勢明顯；（4）土地開發(fā)強度過大，加劇交通擁擠。

為改善交通現(xiàn)狀，促進城市發(fā)展，廈門市已在島內(nèi)外規(guī)劃了多條道路，但由于受地形的影響，為實現(xiàn)方便快捷的目的，不可避免地需要采用隧道的方式實現(xiàn)穿越。如2010年底通車的翔安海底隧道，即將開建的連接湖里區(qū)和海滄區(qū)的穿越廈門西海域的廈門第二西部通道等。這些修建于城市中的非穿山即穿海底的隧道，在建設(shè)過程中都會遭遇到水（地下水、海水）的威脅，而且一旦出現(xiàn)水害事故，不僅會影響到工程的建設(shè)，更會給城市人群帶來生命、財產(chǎn)等的威脅，會對城市環(huán)境造成巨大影響。

本文以廈門市文興隧道為工程背景，考慮該工程地質(zhì)條件和水文條件，采用多種地下水連通試驗方法，研究大氣降水、水庫水和隧道內(nèi)滲漏水的關(guān)系，對文興隧道通過近接?xùn)|山水庫段施工時，施工方法和施工工藝的選擇有指導(dǎo)意義。

1 工程概況[2][3]

文興隧道工程位于廈門市思明區(qū)，為山嶺分離式雙線城市隧道，左線全長2.021 km，右線全長1.993 km。隧道沿線多為山地、廠區(qū)及居民小區(qū)，隧道洞身處于弱～微風(fēng)化巖體中，構(gòu)造裂隙較發(fā)育，主要為III～Ⅴ級圍巖，局部為較完整微風(fēng)化巖體，圍巖級別為Ⅱ級。左線隧道中段東側(cè)為東山水庫，距水庫邊線最近約20 m，文興隧道經(jīng)過水庫地段，隧道底高程27.87～30.56 m，水庫枯水季節(jié)水位高程98.5 m，隧道頂距離東山水庫底部高差40m左右，見圖1所示。

圖1 文興隧道與東山水庫位置關(guān)系圖

東山水庫集水面積1.85 km2，總庫容1.02×106m3。東山水庫枯水期（見圖2）庫容量5×104m3～6×104m3，有水面積小，水深 3～4 m；雨季期（見圖3）儲量增加，庫容量約 7.5×105m3。

圖2 枯水期東山水庫實景

圖3 雨季期東山水庫實景

1.1 工程地質(zhì)

隧道沿線地貌單元屬丘陵山地，山坡起伏較大，隧道沿線高程25.2～162.0 m，自然坡角5°～40°之間，部分地段大于50°。山上叢草、灌木密集，山體由燕山期花崗巖構(gòu)成，由花崗巖球狀風(fēng)化形成的孤石形態(tài)各異，石球、石蛋十分發(fā)育，散落于山坡上，構(gòu)成一道獨特的自然景觀。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地面工程地質(zhì)測繪，黃厝-龍山斷裂帶經(jīng)過隧道。該斷裂帶發(fā)育在燕山晚期花崗巖、燕山早期花崗斑巖和南園組火山巖中，總體走向北西320°，傾向北東，局部傾向南西，傾角 72°～85°。破碎帶寬3～10 m，斷層破碎帶與東山水庫相連，屬壓扭性斷裂帶。

1.2 水文地質(zhì)

該地區(qū)地處亞熱帶，雨量充沛，且地下水補給充分，隧道中部高程為162.0 m，隧道兩邊進出洞口區(qū)高程為20～43 m，高差較大，地下水在強烈的交潛作用下，沿裂隙向兩邊低處滲流，雨季常在沖溝、山腳、陡坎處形成泉水出露地表，或滲流補給相鄰含水層。地下水類型主要為孔隙潛水、裂隙潛水，主要賦存和運移于全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖孔隙、裂隙之中，以及弱風(fēng)化花崗巖及破碎帶裂隙之中。其次賦存和運移于殘積亞粘土孔隙之中，屬孔隙潛水。在基巖風(fēng)化帶中的裂隙水與其滲透性、涌水量與基巖的裂隙發(fā)育程度及連通性有關(guān)。據(jù)勘察揭露，基巖風(fēng)化帶節(jié)理、裂隙較發(fā)育，但多以閉合裂隙或充填裂隙為主，有滲水、滴水現(xiàn)象，局部節(jié)理、裂隙強烈發(fā)育帶會有小股水流流出。地下水對隧道施工將造成不可預(yù)見的危害，也不排除該隧道斷層破碎帶可能存在有較好的富水性，尤其是雨季施工將會大大增加地下水的涌水量。

2 試驗方法與試驗流程

2.1 試驗方法

2.1.1 氫氧穩(wěn)定同位素試驗

化學(xué)元素氫包括兩種穩(wěn)定同位素：氕（1H）和氘（2H或D），其豐度分別約為99.985%和0.015%（同位素豐度是指某元素的各種同位素的相對含量），同位素比率2H/1H=0.000 15。因同位素之間相對較高的質(zhì)量差異，這種同位素比率的自然含量約為250‰。

氧有七種同位素，自然界中常見的只有三種：18O、17O、16O，它們都是穩(wěn)定同位素，其豐度分別為99.76%、0.035%、0.2%。從嚴格意義上來說，觀測17O的濃度幾乎不可能為人們提供任何水文信息，相關(guān)的水文信息可以通過研究18O的變化獲得，18O豐度較大，具有更準(zhǔn)確的可測量性。

氫氧穩(wěn)定同位素組成以δD（‰）和δ18O（‰）表示，分析結(jié)果以SMOW（標(biāo)準(zhǔn)平均海水）為標(biāo)準(zhǔn)，寫成表達式即為：

δD（或δ18O）=[(R樣品-R標(biāo)準(zhǔn))/R標(biāo)準(zhǔn)]×1 000‰

式中：R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物中穩(wěn)定性氫同位素（D/H）或穩(wěn)定性氧同位素18O/16O的比值；δ值是樣品同位素比值相對于標(biāo)準(zhǔn)樣品同位素比值的千分偏差，即表示樣品中同位素相對富集的一個指標(biāo)。δ值偏正，表征樣品重同位素富集，反之，則同位素貧化[4][5][6]。

2.1.2 水化學(xué)試驗

通常，溶解于水中的主要離子，陽離子有Na+、K+、Ca2+和 Mg2+；陰離子有 Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-和CO32-。

所有溶解于水中的離子中，Cl-是最穩(wěn)定的，即Cl-通過長距離的運動濃度幾乎不會發(fā)生變化，這主要是由于氯化物在水中的溶解度較高，除了氯化鉛、氯化銀、氯化佗，而這些元素在水中的濃度幾乎可忽略；同時，Cl-與巖層中其它離子的反應(yīng)也可忽略；Cl-的穩(wěn)定特性可用于地下水連通試驗天然示蹤劑，利用Cl-的濃度來探測水庫水與隧道內(nèi)滲漏水水力聯(lián)系將更為準(zhǔn)確。即如果水庫水與隧道內(nèi)滲漏水中Cl-的濃度相同，兩者之間的水力聯(lián)系較高，如果隧道內(nèi)滲漏水中Cl-的濃度比水庫水低，則兩者之間的水力聯(lián)系較低。

當(dāng)SO42-的濃度較低時（低于200 mg/L），SO42-也較穩(wěn)定，也可作為天然示蹤劑。當(dāng)SO42-濃度較高時，如果Ca2+的濃度增加，如碳酸鈣的溶解時，SO42-將會與Ca2+生成CaSO4而沉淀。此時SO42-將不適合作為水的示蹤劑。

陽離子與巖層中的成分易發(fā)生交換反應(yīng)，通常不適合作為連通試驗的示蹤劑，尤其是堿性離子[7-8]。

2.1.3 水樣系統(tǒng)聚類分析

系統(tǒng)聚類分析法是系統(tǒng)工程及其應(yīng)用領(lǐng)域常用的一種系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析方法，可對工程運行進行性態(tài)觀測。系統(tǒng)聚類法也稱層次聚類法，該方法的基本思想是：先將n個樣品各自看成一類，這就有n個類，并規(guī)定樣品與樣品之間的距離和類與類之間的距離，樣品之間的距離即為類間的距離。開始時，因每個樣品自成一類，類與類之間的距離與樣品之間的距離是相同的。然后，在所有的類中，選擇距離最小的兩個類合并成一個新類，并計算出所得新類和其它各類的距離；接著再將距離最近的兩類合并，這樣每次合并兩類，直至將所有的樣品都合并成一類為止。這樣一種連續(xù)并類的過程可用一種類似于樹狀結(jié)構(gòu)的圖形即聚類譜系圖（俗稱樹狀圖）來表示，由樹狀圖可清楚地看出全部樣品的聚集過程，并可自然客觀地描述分類對象各個體之間的差異和聯(lián)系，從而可做出對全部樣品的分類。

2.1.4 人工示蹤試驗

人工示蹤地下水連通試驗的研究重點之一是示蹤劑的選擇。示蹤劑選擇依賴于該示蹤劑的物理化學(xué)性質(zhì)、天然地下水的背景值，以及其檢測方法等，只有能方便有效地從天然地下水中識別出異常的示蹤劑才是優(yōu)質(zhì)的示蹤劑。

氯化鈉是我國使用最為普遍，也是使用最早的一種化學(xué)示蹤劑。氯化鈉為無色或白色四方體結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，微有潮解性。用氯化鈉作人工示蹤劑對環(huán)境基本上無損害，其缺點是背景值較大，并且常常有一定的波動性，它比較適合于小范圍的簡單連通示蹤試驗[7][11]。

2.2 試驗流程

由上述基于氫氧穩(wěn)定同位素試驗、水化學(xué)試驗和水樣系統(tǒng)聚類分析三種天然示蹤，以及人工示蹤地下水連通試驗方法的介紹，不難發(fā)現(xiàn)，天然示蹤與人工示蹤地下水連通試驗在具體實施過程中有各自的優(yōu)缺點和適用條件，具體見表1所列。

表1 天然示蹤與人工示蹤地下水連通試驗對比分析表

進行地下水連通試驗時，單一的方法得出的試驗結(jié)論一定程度上并不一定說明各水體的補給關(guān)系及連通性，為了得到更多的證據(jù)，使得試驗結(jié)果更具有說服力，應(yīng)采用綜合試驗方法。經(jīng)以上分析，可建立城市隧道地下水連通綜合試驗方法，其流程見圖4所示。

圖4 城市隧道地下水連通綜合試驗方法流程圖

試驗方法步驟如下：

（1）對研究區(qū)大氣降水、水庫水，以及隧道內(nèi)滲漏水水樣進行定期采集，送實驗室進行氫氧穩(wěn)定同位素δD與δ18O值與水化學(xué)測定。

（2）基于氫氧穩(wěn)定同位素δD與δ18O值進行連通試驗，判斷隧道內(nèi)滲漏水的補給來源。

（3）基于水化學(xué)分析進行連通試驗，主要通過某些化學(xué)離子水遷移能力強的性質(zhì)進行分析，判斷水庫水與隧道內(nèi)滲漏水的水力聯(lián)系。

（4）進一步利用水樣系統(tǒng)聚類分析判別水體的補給關(guān)系及水力聯(lián)系情況。

（5）若以上三種方法判斷水庫水與隧道內(nèi)滲漏水不連通，則應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)滲漏水的滲漏范圍及滲漏量大小，采取一定的措施進行封堵或者限量排放。

（6）若以上三種方法判斷水庫水與隧道內(nèi)滲漏水水力聯(lián)系較強，為進一步判斷水庫水與隧道內(nèi)滲漏水的連通性，還應(yīng)進行人工示蹤地下水連通試驗。

（7）若天然示蹤與人工示蹤連通試驗結(jié)論都判明水庫水與隧道內(nèi)滲漏水存連通，則應(yīng)根據(jù)具體情況，對隧道內(nèi)出現(xiàn)的滲漏水進行處理。

3 現(xiàn)場連通試驗

對文興隧道近接?xùn)|山水庫段的大氣降水、水庫水和隧道內(nèi)滲漏水進行了水樣采集，采集時間從該段隧道施工開始到施工結(jié)束[12][13]。大氣降水在下雨時采集；水庫水在水庫內(nèi)采集；隧道內(nèi)內(nèi)滲漏水采樣點包括 YK0+750（SDS1）、ZK0+970（SDS2）、ZK1+150（SDS3）、ZK1+257（SDS4）、ZK1+282（SDS5）、ZK1+320（SDS6）、ZK1+351（SDS7）、ZK1+390（SDS8）八處，采樣點見圖5所示。

圖5 水樣采樣點位置圖

4 試驗結(jié)果分析

4.1 氫氧穩(wěn)定同位素組成特征

圖6為同位素水樣的δD-δ18O關(guān)系圖。

圖6 同位素水樣的δD-δ18O關(guān)系圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)回歸分析，擬合的廈門地區(qū)大氣降水線方程如下式：

上式中相關(guān)系數(shù)R=0.992 6，接近于1，可見擬合的是一個線性特征非常明顯的實驗?zāi)Ｐ?，即說明擬合直線能夠以大于99.26%地去解釋、涵蓋了實測數(shù)據(jù)，具有很好的一般性。從圖6可以看出，廈門地區(qū)大氣降水線（δD=7.48δ18O+4.42）斜率與我國大氣降水線（δD=7.74δ18O+6.48）斜率相差不大，基本平行，相似度較高。

從圖6不難發(fā)現(xiàn)，水庫水的氫氧穩(wěn)定同位素δD與δ18O值絕大部門落在廈門地區(qū)大氣降水線右下方，有兩點直接落在降水線上，水庫水氫氧穩(wěn)定同位素組成部分偏離于大氣降水線，表明水庫水受季節(jié)性變化的影響，經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)作用而引起了同位素的變化。

從圖6還可以看出，隧道內(nèi)滲漏水水樣氫氧穩(wěn)定同位素δD與δ18O值落于大氣降水線兩側(cè)且偏離不大，基本上在一條直線上，說明隧道內(nèi)滲漏水的同位素組成特征與大氣降水相似，從而說明該區(qū)隧道內(nèi)滲漏水源于大氣降水，是由大氣降水的入滲補給的，降水量大時其裂隙潛水補給增強，滲漏水量也就增大。另外，據(jù)觀察經(jīng)過一段時間后，隧道內(nèi)滲漏水量明顯減少，進一步說明滲漏水來源于裂隙潛水，在無大氣降水的情況下無補充。

4.2 水化學(xué)組成特征

利用Cl-和SO42-的穩(wěn)定特性作為天然的示蹤劑。由于Cl-和SO42-通過長距離的運動濃度只會增加而不會減少，因此，如果水庫水與隧道內(nèi)滲漏水中Cl-或SO42-的濃度分別是一樣的，說明水庫水與隧道內(nèi)滲漏水之間的水力聯(lián)系比較高，反之，如果隧道內(nèi)滲漏水中Cl-或SO42-的濃度比水庫水低，則說明兩者之間的水力聯(lián)系弱。

水庫水的Cl-濃度分別為28.71mg/L、28.36mg/L、28.71 mg/L、28.67 mg/L、28.61 mg/L、28.52 mg/L、28.56mg/L，分別高于對應(yīng)隧道內(nèi)滲漏水的22.33mg/L、15.24 mg/L、6.38 mg/L、21.54 mg/L、20.24 mg/L、18.97mg/L、19.24mg/L；此外，水庫水的 SO42-濃度分別為 22.29mg/L、20.36mg/L、12.30mg/L、18.64mg/L、17.64mg/L、16.58mg/L、17.61mg/L，亦分別高于對應(yīng)隧道內(nèi)滲漏水的16.14mg/L、18.44mg/L、8.84mg/L、16.59 mg/L、17.16 mg/L、15.43 mg/L、16.34 mg/L，由此說明水庫水與隧道內(nèi)滲漏水水力聯(lián)系較弱或者本身就不存在水力聯(lián)系。這也就驗證了前面同位素分析中所述的隧道內(nèi)滲漏水來源于裂隙潛水，而不是水庫水。

4.3 水樣系統(tǒng)聚類分析

由于隧道內(nèi)滲漏水只可能有兩種來源，即當(dāng)?shù)卮髿饨邓a給或水庫水滲漏補給，因此將該區(qū)大氣降水、水庫水以及隧道內(nèi)滲漏水進行合理的聚類即可查清隧道內(nèi)滲漏水的補給來源，以及各水體之間的水力聯(lián)系情況。

選取三種水體的21個樣品進行聚類分析，擬定水樣中δD、δ18O、Cl-濃度與TDS（礦化度）作為樣品指標(biāo)，見表2所列。

表2 聚類分析參數(shù)一覽表

應(yīng)用Spss17軟件對選取的數(shù)據(jù)進行歐式距離聚類分析，采用歐式距離公式計算樣品類與類之間的距離，得到的聚類結(jié)果見圖7所示。從圖7可以看出，首先樣品1—7歸為一類，15—21歸為一類，但最終樣品1—7、15—21歸為一類，8—14歸為一類。

圖7 歐式距離聚類分析樹狀圖

上述分析結(jié)果表明，隧道內(nèi)滲漏水與大氣降水的δD、δ18O、Cl-濃度與TDS在聚類過程中差異性小，而與水庫水差異性較大。

由于三種天然示蹤地下水連通試驗查明了水庫水與隧道內(nèi)滲漏水點不存在水力聯(lián)系，隧道內(nèi)滲漏水補給來源為大氣降水，因此，按試驗流程，無需進行人工示蹤地下水連通試驗。

5 結(jié)論及建議

通過總結(jié)分析，可得出如下結(jié)論：

（1）基于氫氧穩(wěn)定同位素δD與δ18O值進行天然示蹤連通試驗，分析得出：隧道內(nèi)滲漏水的同位素組成特征與大氣降水相似，從而說明該區(qū)隧道內(nèi)滲漏水源于大氣降水，是由大氣降水的入滲補給的。

（2）水化學(xué)試驗結(jié)果表明，隧道內(nèi)各滲漏水點中的Cl-和SO42-離子濃度低于水庫水，說明水庫水與隧道內(nèi)滲漏水水力聯(lián)系弱。

（3）基于Spass17水樣系統(tǒng)聚類分析法，采用歐式距離公式計算樣品類與類之間的距離，選取不同的樣品指標(biāo)進行聚類分析。可知，隧道內(nèi)滲漏水與大氣降水所選取的聚類樣品在聚類過程中差異性小，而與水庫水差異性較大，說明水庫水與隧道內(nèi)滲漏水不存在水力聯(lián)系，滲漏水補給來源為降水入滲的裂隙潛水。這也驗證了基于氫氧穩(wěn)定同位素和水化學(xué)分析的地下水連通性試驗結(jié)果。

針對隧道內(nèi)出現(xiàn)滲漏水的實際情況，為了保證順利通過近接?xùn)|山水庫富水?dāng)嗔哑扑閹?，建議采取以下措施確保隧道施工安全：

（1）施工過程中避免強爆破大斷面掘進，以免造成原閉合的裂隙張開而導(dǎo)水，致水庫水滲漏進入隧道，所有爆破均應(yīng)采用毫秒微差控制爆破，達到減震作用。

（2）開挖后及時進行初期支護與臨時支護施工，初期支護與臨時支護措施本著“寧強勿弱”的原則，緊跟開挖進行，盡早封閉成環(huán)，以減小圍巖松弛變形。

（3）在初期支護完成后，為了保證圍巖的穩(wěn)定，防止過大變形，從安全角度出發(fā)根據(jù)量測情況及時施作二次襯砌。

（4）加強現(xiàn)場監(jiān)控量測，加密量測斷面，加強對圍巖拱頂下沉、周邊位移收斂，以及隧底隆起的監(jiān)測，及時進行量測結(jié)果分析反饋，以指導(dǎo)施工及判斷各項支護參數(shù)是否合理有效，及時調(diào)整支護參數(shù)，確保施工安全順利進行。

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