廈門文興隧道近接東山水庫段地下水連通試驗研究

陳智強

（廈門市市政建設開發總公司，福建廈門 361008）

0 引言

近年來，隨著我國城市建設的快速發展，原有的城市交通運輸能力已經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前急需解決的問題，廈門也不例外。據分析，目前，廈門城市交通發展形勢呈現如下特點[1]：（1）機動車總量不大，但增長迅速，尤以島內為甚；（2）道路供給水平較好，但跟不上機動車發展的要求；（3）高峰期交通運行不暢，惡化趨勢明顯；（4）土地開發強度過大，加劇交通擁擠。

為改善交通現狀，促進城市發展，廈門市已在島內外規劃了多條道路，但由于受地形的影響，為實現方便快捷的目的，不可避免地需要采用隧道的方式實現穿越。如2010年底通車的翔安海底隧道，即將開建的連接湖里區和海滄區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，在建設過程中都會遭遇到水（地下水、海水）的威脅，而且一旦出現水害事故，不僅會影響到工程的建設，更會給城市人群帶來生命、財產等的威脅，會對城市環境造成巨大影響。

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、水庫水和隧道內滲漏水的關系，對文興隧道通過近接東山水庫段施工時，施工方法和施工工藝的選擇有指導意義。

1 工程概況[2][3]

文興隧道工程位于廈門市思明區，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、廠區及居民小區，隧道洞身處于弱～微風化巖體中，構造裂隙較發育，主要為III～Ⅴ級圍巖，局部為較完整微風化巖體，圍巖級別為Ⅱ級。左線隧道中段東側為東山水庫，距水庫邊線最近約20 m，文興隧道經過水庫地段，隧道底高程27.87～30.56 m，水庫枯水季節水位高程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

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成，由花崗巖球狀風化形成的孤石形態各異，石球、石蛋十分發育，散落于山坡上，構成一道獨特的自然景觀。根據區域地質資料及地面工程地質測繪，黃厝-龍山斷裂帶經過隧道。該斷裂帶發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

該地區地處亞熱帶，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化花崗巖、強風化花崗巖孔隙、裂隙之中，以及弱風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。在基巖風化帶中的裂隙水與其滲透性、涌水量與基巖的裂隙發育程度及連通性有關。據勘察揭露，基巖風化帶節理、裂隙較發育，但多以閉合裂隙或充填裂隙為主，有滲水、滴水現象，局部節理、裂隙強烈發育帶會有小股水流流出。地下水對隧道施工將造成不可預見的危害，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 氫氧穩定同位素試驗

化學元素氫包括兩種穩定同位素：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，具有更準確的可測量性。

氫氧穩定同位素組成以δD（‰）和δ18O（‰）表示，分析結果以SMOW（標準平均海水）為標準，寫成表達式即為：

δD（或δ18O）=[(R樣品-R標準)/R標準]×1 000‰

式中：R樣品和R標準表示樣品和標準物中穩定性氫同位素（D/H）或穩定性氧同位素18O/16O的比值；δ值是樣品同位素比值相對于標準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。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-是最穩定的，即Cl-通過長距離的運動濃度幾乎不會發生變化，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也可忽略；Cl-的穩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滲漏水水力聯系將更為準確。即如果水庫水與隧道內滲漏水中Cl-的濃度相同，兩者之間的水力聯系較高，如果隧道內滲漏水中Cl-的濃度比水庫水低，則兩者之間的水力聯系較低。

當SO42-的濃度較低時（低于200 mg/L），SO42-也較穩定，也可作為天然示蹤劑。當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生交換反應，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 水樣系統聚類分析

系統聚類分析法是系統工程及其應用領域常用的一種系統內部結構分析方法，可對工程運行進行性態觀測。系統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。這樣一種連續并類的過程可用一種類似于樹狀結構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性質、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質的示蹤劑。

氯化鈉是我國使用最為普遍，也是使用最早的一種化學示蹤劑。氯化鈉為無色或白色四方體結晶或結晶性粉末，微有潮解性。用氯化鈉作人工示蹤劑對環境基本上無損害，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

由上述基于氫氧穩定同位素試驗、水化學試驗和水樣系統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，不難發現，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論一定程度上并不一定說明各水體的補給關系及連通性，為了得到更多的證據，使得試驗結果更具有說服力，應采用綜合試驗方法。經以上分析，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）對研究區大氣降水、水庫水，以及隧道內滲漏水水樣進行定期采集，送實驗室進行氫氧穩定同位素δD與δ18O值與水化學測定。

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

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

（4）進一步利用水樣系統聚類分析判別水體的補給關系及水力聯系情況。

（5）若以上三種方法判斷水庫水與隧道內滲漏水不連通，則應根據隧道內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滲漏水水力聯系較強，為進一步判斷水庫水與隧道內滲漏水的連通性，還應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論都判明水庫水與隧道內滲漏水存連通，則應根據具體情況，對隧道內出現的滲漏水進行處理。

3 現場連通試驗

對文興隧道近接東山水庫段的大氣降水、水庫水和隧道內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束[12][13]。大氣降水在下雨時采集；水庫水在水庫內采集；隧道內內滲漏水采樣點包括 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 試驗結果分析

4.1 氫氧穩定同位素組成特征

圖6為同位素水樣的δD-δ18O關系圖。

圖6 同位素水樣的δD-δ18O關系圖

經過數據回歸分析，擬合的廈門地區大氣降水線方程如下式：

上式中相關系數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模型，即說明擬合直線能夠以大于99.26%地去解釋、涵蓋了實測數據，具有很好的一般性。從圖6可以看出，廈門地區大氣降水線（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不難發現，水庫水的氫氧穩定同位素δD與δ18O值絕大部門落在廈門地區大氣降水線右下方，有兩點直接落在降水線上，水庫水氫氧穩定同位素組成部分偏離于大氣降水線，表明水庫水受季節性變化的影響，經歷了一定程度的蒸發作用而引起了同位素的變化。

從圖6還可以看出，隧道內滲漏水水樣氫氧穩定同位素δD與δ18O值落于大氣降水線兩側且偏離不大，基本上在一條直線上，說明隧道內滲漏水的同位素組成特征與大氣降水相似，從而說明該區隧道內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，據觀察經過一段時間后，隧道內滲漏水量明顯減少，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 水化學組成特征

利用Cl-和SO42-的穩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滲漏水之間的水力聯系比較高，反之，如果隧道內滲漏水中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，分別高于對應隧道內滲漏水的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，亦分別高于對應隧道內滲漏水的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滲漏水水力聯系較弱或者本身就不存在水力聯系。這也就驗證了前面同位素分析中所述的隧道內滲漏水來源于裂隙潛水，而不是水庫水。

4.3 水樣系統聚類分析

由于隧道內滲漏水只可能有兩種來源，即當地大氣降水補給或水庫水滲漏補給，因此將該區大氣降水、水庫水以及隧道內滲漏水進行合理的聚類即可查清隧道內滲漏水的補給來源，以及各水體之間的水力聯系情況。

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，見表2所列。

表2 聚類分析參數一覽表

應用Spss17軟件對選取的數據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

上述分析結果表明，隧道內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滲漏水點不存在水力聯系，隧道內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 結論及建議

通過總結分析，可得出如下結論：

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

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

（3）基于Spass17水樣系統聚類分析法，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進行聚類分析?？芍?，隧道內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滲漏水不存在水力聯系，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定同位素和水化學分析的地下水連通性試驗結果。

針對隧道內出現滲漏水的實際情況，為了保證順利通過近接東山水庫富水斷裂破碎帶，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水，致水庫水滲漏進入隧道，所有爆破均應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，以減小圍巖松弛變形。

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

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

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