北武夷山隧道嵐谷斜井涌水預報技術

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

涌突水是隧道工程常見的病害之一，不但影響施工進度，增加建設費用，影響隧道穩定和安全，也會引起地下水位的下降。在隧道涌水的所有可能來源(地表水、圍巖中的地下水以及降水)中，地下水無疑是誘發事故的主要因素。地下水的變化加劇了隧道水害的形成，影響隧道的正常施工和運營。因此，隧道地下水涌水的預測及其引起地下水位下降的預測已成為隧道設計、施工和建設的重要部分。

1　隧道工程及區域水文地質概況

1.1　隧道工程概況

合福鐵路客運專線是京福鐵路客運專線的重要組成部分，是溝通華中與華南地區的一條大能力客運通道，途徑安徽省、江西省及福建省三省。該斜井工程位于江西省與福建省交界處的武夷山脈北側，隸屬江西省上饒縣五府山鎮甘溪村，是合福鐵路最長隧道北武夷山隧道的第二個輔助坑道。

斜井位于線路里程DK524+500～DK526+300右側，與正線夾角約8°，在斜井里程X2DK0+113.392～+041.907處設半徑50 m的彎道，后與正線正交于DK526+300處，全長1 839.484 m。

1.2　水文地質條件概況

武夷山脈屬于中亞熱帶季風氣候，四季分明。歷年平均氣溫18.8 ℃，極端最高氣溫41.2 ℃、極端最低氣溫-6.8 ℃；歷年平均相對濕度76%。年平均降水量1 923.2 mm、年最大降水量2 731.6 mm、年最小降水量1 366.5 mm、年平均降水日數153 d，降水主要集中在4～6月，占年降雨量的50.5%，其中雨季(5～6月)降雨量占全年的38.1%；日最大降水量218.3 mm；雨季多集中于5～6月，7～9月多雷陣雨。多年平均降水量1 780 mm，雨量豐富。

斜井緊臨禹溪河，兩節理密集帶穿越斜井與禹溪河相連，且X2DK0+900左500 m處有一攔水壩，為一小型發電站(天益電站)，攔水壩蓄水與X2DK0+009～+210節理密集帶相通。

斜井XJ2DK0+009～+210、XJ2DK0+630～+915兩節理密集帶處路面高程分別為500～530 m、570～590 m，而兩節理密集帶與禹溪河交匯處的溝底高程分別約為800 m、750 m。斜井開挖后改變了該處地下水的排泄方向，地下水沿XJ2DK0+009～+210、XJ2DK0+630～+915兩節理密集帶排入斜井，斜井成為該段地下水的排泄區。

故地下水類型主要為構造裂隙水和基巖裂隙水，受禹溪河及基巖裂隙水補給。由于山體切割強烈，溝谷縱橫，地下水徑流途徑較短，水量受禹溪河水豐枯情況影響較大。

2　地質調查內容

2.1　地層巖性

區內出露為侏羅系上統南園組(J3n)流紋質凝灰熔巖，巖性單一，主要為灰色、青灰色，巨厚層—塊狀構造，凝灰熔巖結構，巖質堅硬，巖體較完整。受巖體節理影響，局部地段巖體較破碎。

2.2　地質構造

通過三維遙感解譯、地表調查測繪、附近的物探分析及洞內工作面情況調查，經綜合分析認為斜井范圍內并無主要的斷層構造，主要發育有兩條節理密集帶分別與斜井小角度相交。兩節理密集帶特征如下。

①XJ2DK0+009～+210節理密集帶：產狀為226°∠80°，長約1.3 km，寬約200 m，始端(左上方)與天益電站水庫相連，中間與斜井軸線呈約37°相交于XJ2DK0+009～+210間，帶內巖石節理裂隙發育，裂隙充填方解石晶體，巖體破碎，地下水沿密集帶噴出。

②XJ2DK0+630～+915節理密集帶：產狀為226°∠73°，長約1.1 km，寬約280 m，始端(左上方)與禹溪河相連，中間與斜井軸線呈約38°相交于XJ2DK0+630～+915間，帶內巖石節理裂隙發育，巖體破碎，地下水沿密集帶流出。

構造地質縱斷面見圖1。

圖2　節理密集帶構造地質縱斷面

2.3　涌水概況

2011年2月至12月,隨著斜井開挖不斷深入，涌水量也隨之不斷增加，進入枯水期(11、12月份)后，涌水量有所回落。最小涌水量出現在2月下旬，涌水量約為4 500 m3/d(隧道工作面里程約為X2DK0+900)；3、4、5月,份隨著工作面的推進，涌水量逐漸增加，6、7、8、9四個月份涌水量最大，約為15 000～16 000 m3/d；10月份后進入枯水期，涌水量逐漸減少。12月份下旬斜井貫通，通過現場實測，全斜井涌水量約為11 150 m3/d，其中X2DK0+009～+210節理密集帶涌水量約為6 420 m3/d，X2DK0+630～+915節理密集帶涌水量約為3 140 m3/d。

3　涌水預報

根據以上對地質構造及地下水給排關系的分析，可以確定地下水的補給來源主要為大氣降水，其補給量的多少受降水強度、降水持續時間、地形及地表節理裂隙的發育程度控制。根據以上研究成果，采用降水入滲法和水動力學法等手段對工作區涌突水量進行了預測。

降水入滲法公式為

Q=2.74×a×W×A

(1)

式中：Q為隧道通過含水體地段的涌水量/(m3/d)；a為降水入滲系數；W為年降水量，計算正常涌水量為Qs時取1 923.2 mm，計算最大涌水量Q0時取2 731.6 mm；A為隧道通過含水體地段的匯水面積/km3；其中XJ2DK0+009～+210節理密集帶A取3.77 km2，XJ2DK0+630～+915節理密集帶A取2.30 km2。

最大單位涌水量公式為

q0=Q0/L

(2)

式中L為隧道通過含水體的長度/m。XJ2DK0+009～+210節理密集帶L取200 m，其中XJ2DK0+630～+915節理密集帶A取275 m。

經驗算，XJ2DK0+009～+210節理密集帶正常涌水量為5 960 m3/d，實際涌水量6 420 mm3/d，標準誤差為7.17%。

XJ2DK0+630～+915節理密集帶正常涌水量為3 030 m3/d，實際涌水量3 140 m3/d，標準誤差為3.50%。

古德曼經驗公式

(3)

式中Q0為隧道通過含水體地段的最大涌水量/(m3/d)；K為含水體滲透系數/(m/d)；H靜止水位至洞身橫斷面等價圓(面積等價)中心的距離/m；d為洞身橫斷面等價圓直徑/m；L為隧道通過含水體的長度/m。

經驗算，XJ2DK0+009～+210節理密集帶正常涌水量為7 520 m3/d，實際涌水量6 420 m3/d，誤差17.13%。

XJ2DK0+630～+915節理密集帶正常涌水量為3 030 m3/d，實際涌水量3 224 m3/d，誤差2.67%。

對比兩種公式與實際涌水量的誤差，降水入滲法的預報結果在該地區的準確性相對較高。

4　結論

(1)閩贛山區山的直線型深溝有可能是斷層或節理密集帶，應該做為勘察重點。

(2)如果地質構造與常年有水的河道或水庫連通，降水入滲系數、含水體滲透系數等取最大允許值，同時，匯水面積應乘以2～3的系數。

(3)隧道輔助坑道的選線應重視地質選線，盡量繞避地質構造區，特別是地下水發育的斷面或節理密集帶。

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