長大鐵路隧道水文地質勘察中存在的主要問題

李顯偉

長大鐵路隧道水文地質勘察中存在的主要問題

李顯偉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

由于勘察階段勘探和試驗工作受限或不夠完善,影響到隧道涌水量預測的各主要因素難以準確確定,從而導致隧道設計預測涌水量不準確,施工中突、涌水災害時有發生,進而嚴重地影響了隧道施工進度及安全。以部分已施工隧道為例,對施工階段出現的問題與勘察階段勘探和試驗中各項工作完成的質量進行詳細對照分析,找出目前長大隧道水文地質勘察中存在的主要問題,有助于今后有效進行隧道水文地質勘察,提高隧道涌水量預測的準確性,避免出現施工階段的補充勘察及二次設計。

鐵路隧道;長大隧道;突涌水;勘探和試驗質量;水文地質

1 概述

近年來鐵路建設中長大隧道的突水、涌水風險明顯增加,隧道通過的構造斷裂帶、巖溶發育區突水涌水等問題比較突出[1]。隧道涌水的圍巖介質以裂隙型和裂隙巖溶型為主要類型,其在滲透性能方面具有強烈的非均質性和各向異性,其特征具體表現為突水方位不確定,突水量大,水壓力強,涌水量衰減緩慢,持續時間長,嚴重影響著圍巖的穩定,威脅隧道施工的安全,嚴重者造成巨大的經濟損失。除這些難以準確獲得的客觀水文地質特征外,決定涌水量預測準確性的主要人為因素就在于隧道的水文地質勘察質量和數量。我國西北地區設計施工的多條鐵路隧道均出現了不同程度的突、涌水現象,水量大大超出設計預測水量,對隧道正常施工、工期要求、排水費用及運營等產生了重大影響。因而,在勘察階段,查明隧道水文地質條件,為隧道設計提供可靠的水文地質參數,對減少隧道施工及運營階段安全風險,降低經濟損失意義重大。

2 水文地質勘察中存在的主要問題

從我國西北地區已建成和在建的秦嶺、東秦嶺、烏鞘嶺、北天山、中天山、關角、翠華山、西秦嶺等數十座工程地質、水文地質條件都非常復雜的長大隧道施工情況來看,長大隧道水文地質勘察中存在的主要問題如下。

2.1 隧道勘探手段有限

隧道作為地下線性建筑物,具有很強的隱蔽性,要查明大埋深隧道洞身的工程地質、水文地質條件,目前最常用也最有效的方法就是鉆探。物探作為輔助手段,針對不同的勘察目的,在隧道勘察初期或在鉆探條件受限時采用。在隧道嶺脊埋深大的地段,受地形條件制約,勘探孔布置難度大而無法實施的情況較為多見,如秦嶺、烏鞘嶺、北天山、中天山、關角、西秦嶺等埋深大的越嶺隧道都存在這種限制[2]。詳見表1。

表1 西北地區部分特長越嶺隧道埋深數據

電測剖面法、高密度電法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、地質雷達法及折射波法等多種物探方法,作為隧道工程地質調查和地質學研究不可缺少的一種手段和方法[3],雖能夠發揮一定的作用,但大于一定的深度,其準確性亦受到影響,且目前其探測精度仍有待提高。表1中隧道埋深超過600 m時,物探方法取得的數據準確性往往不佳。

目前,長大隧道地質勘察應用綜合勘察技術,即采用遙感、地質調繪、綜合物探、鉆探、綜合測井和試驗等多種勘察手段密切配合,取得的地質資料相互驗證,取長補短,但每一種勘察方法和測試手段都不可避免存在一些局限性或弊端,特別是隧道埋深大的地段,加上地形陡峻,植被茂密等因素疊加影響時,難以采用有效的勘察手段,獲得準確的水文地質資料。

另外,量測方法陳舊,準確性相對較差,也會影響相應水文地質參數的計算結果,如目前水文地質勘察階段最常用的浮漂法測量地表水流量的方法,雖然方便易操作,但測量精度差,計算獲得的地下徑流模數值誤差較大。因而,基礎勘探手段和設備仍有待提高和改進。目前國際上應用的水平定向鉆探對勘察大埋深隧道工程地質、水文地質條件有很大的優勢,可以沿隧道軸線鉆進,是今后大埋深隧道勘察可選的方法,具有一定的應用前景。

2.2 水文地質勘探及試驗孔數量不足

考慮經濟因素,隧道工程水文地質鉆探和試驗往往是綜合利用工程地質孔進行,由于水文地質試驗耗時長,在工期要求緊的情況下,亦不會選擇太多的鉆孔進行水文地質試驗。具體表現為:

2）長沙地區年平均雷暴日演化過程中存在5～6年、13～14年的尺度周期變化規律。其中，5～6年左右的周期振蕩在1965—1980年表現明顯，1980年左右，5～6年的周期信號呈減弱趨勢，逐漸變為13～14年的周期振蕩信號。

(1)鉆孔的位置大多根據工程地質條件確定,鉆孔的位置不是水文地質條件最典型地段或是富水地段,水文地質試驗結果不具代表性;

(2)鉆孔數量不足,由于隧道深埋,鉆孔深、成本高且工期長,只能布置少量鉆孔,因此不是每個富水段都有代表性鉆孔,因而缺少水文地質參數,無法采用地下水動力學法等方法準確預測隧道涌水量。

我國在隧道勘察方面普遍存在這樣的問題,西北地區部分在建和已建成特長鐵路隧道鉆探和水文地質試驗工作量初步統計[4]見表2。隨著我國綜合國力的增強,以及客運專線、高速鐵路的建設要求,近兩年,我國隧道工程鉆探量及水文地質試驗孔數量已明顯提高,有利于控制隧道地質、水文地質特征的各種因素均能充分展現出來,對隧道洞身附近構造發育程度及充填情況的判斷也能夠盡可能地接近真實、準確。

2.3 鉆孔巖芯鑒定的細致和準確程度不夠

在西北已建成和在建的多座隧道施工中,普遍存在對構造發育程度、充填情況、巖脈侵入情況的認知有一定差異及局限性的問題。由于鉆孔揭示的范圍和深度有限,在實際工作當中常常難以避免這種問題的產生,因此,加強鉆探巖芯鑒定的細致和準確程度就顯得尤為重要。如南疆線中天山隧道2號斜井[5]在開挖時發現中元古界片巖夾大理巖及閃長巖,受構造影響嚴重,節理、裂隙較發育—發育,節理張開度在斜井內量測大多達3 mm,為地下水的富集創造了良好的條件,最大涌水量達到14 600 m3/d,遠超過設計預測的4 486 m3/d。這是由于勘察階段受地面調查和鉆孔壓水試驗數據等多方面信息誤導,對洞身閃長巖巖脈及節理發育等因素的認知不足,在斜井設計涌水量預測計算時,對含水層厚度、影響半徑取值偏小,導致預測的斜井正常涌水量和最大涌水量與實際涌水量有較大偏差。又如西南線東秦嶺隧道[6]設計預測F5斷層帶為構造裂隙富水帶,而實際開挖時其為貧水帶。出現這種差異的主要原因,是由于F5斷層(平移斷層)為二級斷層,斷帶地表裂隙發育,且附近有泉水出露;斷層影響帶位于脆性石英巖中,石英巖節理裂隙發育,且多為張性節理。從工程安全綜合考慮,在設計階段,將F5斷層帶劃分為富水帶亦是合理的。但勘察中未能認知到洞身位置F5斷帶碎裂角礫間多有泥質充填,且裂隙多呈密閉狀,這一方面與鉆孔揭示范圍有限有關,另一方面也與巖芯鑒定的細致程度有關。因而鉆探過程中鉆孔巖芯鑒定的細致和準確程度十分重要,及時鑒定斷層帶及充填物質、侵入體裂隙發育程度、可溶巖含量及溶隙、溶孔發育程度等地質信息十分必要。

表2 西北地區部分已建和在建特長隧道鉆探和水文地質試驗工作量統計

2.4 洗孔不徹底

《鐵路工程水文地質勘察規程》[7]規定基巖中宜采用清水鉆進,實際情況是幾乎所有的鉆探均采用泥漿鉆進,深孔歷時時間長,一般情況超過7 d孔壁泥皮就開始硬化,時間越長洗孔越困難。如東秦嶺特長隧道4號鉆孔[8],孔深348.73 m,泥漿鉆進,歷時206 d。每個階段只做一次二氧化碳洗孔。第一階段抽水試驗(0～200 m)降深S=72 m,出水量Q=22.20 m3/d;第二階段抽水試驗(200～348.73 m)降深S=144.2 m,出水量Q=15.90 m3/d。從抽水試驗結果看,由于該孔洗孔不徹底,出現水位降深越大,出水量卻減小的現象,從而引起計算的滲透系數K值比實際值偏小,造成巖體富水性的劃分不準確,從而對隧道的涌水量預測準確性產生了一定的影響。

由此可見,水文地質試驗前的洗孔質量是影響隧道涌水量預測準確性的又一關鍵因素,在以后的工作中應引起重視。

2.5 水文地質試驗結果受人為因素的影響大

水文地質試驗是取得必要水文地質參數和了解地下水運移規律的重要手段,是以鉆孔或水井為平臺,評價含水層的水文地質特征、富水程度和透水性。隧道勘察中常用的水文地質試驗包括抽水、注水、壓水、提水和連通試驗等,其中,抽水試驗是最主要、最常用的手段,抽水、注水、壓水均有較成熟的方法和計算公式;而提水試驗人工操作動水位難以控制,不易達到穩定,當水位較深時,測定動水位時間長,精度差。結合多年水文地質勘察實踐經驗,對隧道工程水文地質試驗有以下幾點建議。

(1)水文地質試驗應以抽水試驗為主,當沒有抽水條件時,可采用注水或壓水試驗,盡量不做或少做提水試驗。在下發鉆探任務書時就應明確規定。個別鉆機組有時為圖省事不帶抽水試驗設備,總想以簡單的提水試驗代替抽水試驗,配合人員應堅持原則。

(2)當水位很深并且水量很小時,可進行提水試驗,但宜采用《鐵路工程水文地質勘察規程》條文說明中介紹的定降深法,否則動水位難以穩定,會給水文地質參數計算帶來困難。

(3)水文地質試驗中,應進行必要的觀測和測試工作,取得更多的基礎資料信息。如襄渝線新麒麟隧道麒Z-2號孔[10],地層主要以寒武系及志留系下統云母石英片巖為主。該孔地下水類型為構造裂隙水,孔內水呈自流狀態,當水位高出地面a=1.58 m時,觀測自流量Q=442.54 m3/d;當水位高出地面b=4.15 m時,自流量Q=228.00 m3/d。經計算,推測靜止水位ΔH=6.881 m,滲透系數K=5.631 m/d,影響半徑R= 223 m。從這些數據可以看出,該孔自流量和滲透系數之大,在基巖中是很少見的。但是,該孔未進行水文測井,無法判斷出水的具體位置,難以分析含水巖體與隧道的關系。同時,該孔也未測定水溫,如果測定了水溫,可根據增溫率推測構造裂隙水運移和補給的深度。因而,初見水位、穩定水位、水溫、水量測量及水文測井等觀測和測試工作在隧道水文地質試驗中均需認真對待,缺一不可。

(4)正確選擇抽水試驗類型。由于泥巖等相對隔水的基巖地層中地下水出水量遠遠小于其上部第四系松散層含水層,所以混合抽水會大幅度抵消上部松散層的滲透系數值,因而應根據分層抽水試驗取得的不同類型含水層的各項水文地質參數,來進行隧道涌水量預測,結果才會符合實際情況。如寶蘭客運專線渭河隧道采用“V”形坡[11]通過約3.3 km籍河河谷區強富水粗圓礫土、卵石土含水層,補充定測階段專門采用了分層抽水試驗,查明了松散層中的滲透系數K值范圍在38.60～68.06 m/d,而不是定測階段混合抽水取得的5.48～30.35 m/d,合理地預測了隧道涌水量,優化了隧道“V”形坡和輔助坑道方案,降低了施工階段隧道發生突涌水災害的可能性。

3 結語

隧道圍巖涌水現象本身的復雜性和人們研究能力的局限性,使得地面調查及勘探資料與地下深處的巖體特征有所差異,因而隧道涌水量預測的不準確也是難以避免的。但對于隧道工程水文地質勘察工作,目前能夠做到并且需要完善如下幾點:

(1)認真全面做好隧道地面地質、水文地質調查、測量和分析工作,保證基礎勘察資料真實、可靠;

(2)勘探孔的布置要合理,勘探量能夠達到最大可能地揭示隧道重要的構造特征、不同巖性接觸帶和富水帶位置的需要為宜;

(3)嚴格按照規范進行水文地質試驗,洗孔質量是保證巖體富水性劃分準確性的基礎;

(4)積累經驗,不斷學習交流,掌握不同隧道突涌水原因,綜合分析隧道區各種因素,合理選擇適合隧道情況的參數進行涌水量計算,并在以后的工作中強化隧道水文地質勘察數據和實際涌水量的統計,驗證預測結果,并修正模型參數,以提高涌水量預測的準確性;

(5)結合隧道地質超前預報,進行動態設計,及時跟蹤,不斷完善隧道涌水量預測結果。

[1] 何發亮,李蒼松,陳成宗.巖溶地區長大隧道涌水災害預測預報技術[J].水文地質工程地質,2001(5):21-23.

[2] 畢煥軍,孟祥連,李響,等.長大隧道涌水量預測主要影響因素的分析研究[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2011.

[3] 黃春峰.合武鐵路隧道超前地質預報技術綜述[J].鐵道標準設計,2007(S1):47-50.

[4] 畢煥軍,李顯偉,張慶珠,等.隧道水文地質匯編報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2011.

[5] 熊敏才.中天山特長隧道涌水量預測差異分析[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2011.

[6] 李顯偉.東秦嶺特長隧道涌水量預測差異分析[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2011.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10049—2004鐵路工程水文地質勘察規程[S].北京:中國鐵道出版社,2004.

[8] 許貴.東秦嶺特長隧道平行導坑施工地質超前預報總報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2002.

[9] 李顯偉.太峪隧道水文地質報告[R].西安:鐵道第一勘察設計院集團有限公司,2010.

[10]賈云翔.襄渝線新麒麟隧道水文地質報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2005.

[11]李顯偉.渭河隧道水文地質條件分析對“V”形坡設計方案的優化與施工建議[J].鐵道標準設計,2013(12):90-94.

Analysis on Main Problems in Hydrogeology Investigation Stage for Long and Large Tunnels

LI Xian-wei
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

If the exploration and experimental works in investigation stage are limited or not perfect,it will be difficult to accurately determine the main factors which affect the tunnel water inflow prediction; and consequentially this will make the water inflow prediction in tunnel design stage inaccurate,resulting in water inrush or water inflow hazards occurring in tunnel construction stage from time to time,and posing a serious threat to the tunnel construction progress and safety.To solve this problem,in this paper,some of the under-construction tunnels were taken as the examples,and then a detailed comparative analysis was carried out,between the problems existing in construction stage and the relevant exploration/experiment work qualities completed in investigation stage.As a result,the main problems existing in hydrogeology investigation stages for long and large tunnels have been found out in this study. This study can be useful for making an effective hydrogeology investigation in future,improving the accuracy of tunnel water inflow prediction,and therefore avoiding supplementary investigation and design alteration in construction stage.

railway tunnel;long and large tunnel;water inrush and water inflow;quality of exploration and experiment;hydrogeology

U452.1+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.019

1004-2954(2014)04-0083-04

2013-11-26;

2013-12-23

李顯偉(1970—),女,高級工程師,1992年畢業于長安大學水文地質與工程地質專業,工程碩士,E-mail:xwli.163@163.com。