某鐵路隧道涌水量預(yù)測分析與防護(hù)措施研究

周彥杰 張志發(fā)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

某鐵路隧道涌水量預(yù)測分析與防護(hù)措施研究

周彥杰 張志發(fā)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

結(jié)合某鐵路隧道工程實例，在對隧址區(qū)的地形地貌、巖性、構(gòu)造及水文地質(zhì)特征綜合分析的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場抽水、壓水試驗獲得各段落圍巖體的滲透系數(shù)，運用地下水動力學(xué)、經(jīng)驗公式等方法，對隧道的正常涌水量和最大涌水量進(jìn)行計算預(yù)測，提出了設(shè)置排水通道，加強(qiáng)監(jiān)控量測等防護(hù)措施。

水文地質(zhì) 涌水量 預(yù)測 護(hù)措施

隧道涌水是工程建設(shè)中常見的地質(zhì)問題和安全隱患，嚴(yán)重的涌水常常危及到隧道施工及后期運營安全。據(jù)統(tǒng)計，目前我國鐵路隧道近6 000座，其中約40%的隧道存在著不同程度的涌水或滲漏水[1-3]，影響了鐵路的正常運營。因此，加強(qiáng)對隧道涌水災(zāi)害的預(yù)測及防護(hù)研究，對于保證隧道工程質(zhì)量，保證鐵路安全運營，以及提升鐵路建設(shè)水平，均有十分重要的現(xiàn)實意義。有關(guān)涌水量預(yù)測研究已經(jīng)有近半個多世紀(jì)的歷史，近幾十年來，隨著鐵路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，無論研究的深度和廣度都有了很大的拓展，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員曾提出和發(fā)展了很多方法[4]。

結(jié)合某鐵路隧道工程的地質(zhì)情況，將水文地質(zhì)分析與隧道涌水量計算相結(jié)合，對隧道進(jìn)行涌水量計算預(yù)測并提出防護(hù)措施，為隧道設(shè)計、施工提供理論依據(jù)。該隧道是某改建鐵路雙線取直工程的一個重點工程，隧道進(jìn)出口均位于山坡上，植被稀少，基巖裸露，坡度40°～60°，隧道全長11 360 m，最大埋深約240余m，為雙線單洞隧道。隧道穿過多條大型斷層，且隧址區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，隧道穿越該類地層時，極大可能會遇到較大規(guī)模涌突水，會對工程帶來不利影響。因此，對隧道開挖涌水量進(jìn)行計算預(yù)測和分析研究十分必要。

1 隧址區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及地層

隧道位于內(nèi)蒙古高原向松遼平原的過渡地段，屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，地勢總體東北高，西南低，地形起伏較大，山勢陡峻，高差懸殊，隧道頂部大部分被第四系覆蓋，偶有基巖出露，山勢陡峭，地形崎嶇復(fù)雜，局部多懸崖陡坎。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，溝谷狹窄，切割強(qiáng)烈，谷底可見礫石塊石，谷坡植被茂密，基巖零星出露。隧道所經(jīng)山脈絕對高程一般在1 115～1 300 m之間，最高點(DK494+200.0附近)高程為1 342 m，隧道最大埋深246 m。

隧道范圍穿越地層較復(fù)雜，進(jìn)口為第四系上更新統(tǒng)坡洪積粗角礫土，洞身范圍經(jīng)過的主要地層為二疊系哲斯組上段砂巖、燕山期晚期花崗巖、侏羅系土城子組細(xì)砂巖、侏羅系滿克頭鄂博組砂巖，出口為二疊系哲斯組上段砂巖。山澗溝谷底部多有第四系上更新統(tǒng)坡洪積新黃土、粗角礫土、粗圓礫土，進(jìn)出口及村莊附近堆積有第四系全新統(tǒng)人工堆積層，出口地表覆蓋厚度較大。隧道工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 隧道工程地質(zhì)剖面

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)大地構(gòu)造上位于內(nèi)蒙古中部地槽褶皺系，自陰山向東延伸部分的北側(cè)，大興安嶺南端， 為陰山東西向復(fù)雜構(gòu)造帶和大興安嶺隆起帶的交界處，板塊位置屬晚古生代陸殼增生區(qū)的碰撞消減地帶。區(qū)域內(nèi)以北東和東西向構(gòu)造為主，西拉沐倫近東西向的斷裂帶，對該隧道地質(zhì)體具明顯的控制作用。受區(qū)域構(gòu)造作用的影響，區(qū)域內(nèi)發(fā)育的褶皺和斷裂大多以東西向和北東向形跡為主，斷層大多呈陡傾狀，走向大多與背斜一致。在強(qiáng)烈的褶皺造山運動及第四紀(jì)冰川作用下，區(qū)域發(fā)生多期花崗巖侵入活動，較老的侏羅系和二疊系地層在侵入過程中發(fā)生區(qū)域熱變，形成變質(zhì)砂巖。

通過野外地質(zhì)調(diào)繪，結(jié)合區(qū)域物探、鉆探成果資料，發(fā)現(xiàn)工程建設(shè)區(qū)內(nèi)存在有多處較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造，隧道穿越的構(gòu)造破碎帶主要有以下幾段。

DK493+100～DK493+650段：分布逆斷層F4，F(xiàn)4-1，斷層影響寬度35～50 m，巖性為二疊系哲斯組砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈塊及碎塊狀。物探判釋結(jié)果顯示該段電阻率較低，等值線橫向不連續(xù)，在DK493+510附近電阻率呈自上而下的低阻條帶。

DK495+550～DK495+700段：分布逆斷層F5，影響寬度約50 m，巖性為侏羅系土城子組細(xì)砂巖及礫巖，巖石節(jié)理發(fā)育，塊石狀結(jié)構(gòu)，局部破碎嚴(yán)重。物探顯示該段存在明顯電性界面，且等值線陡直密集，電阻率變化較大。

DK495+860～DK495+980段：分布逆斷層F5-1，影響寬度約50～60 m，巖性為為變質(zhì)砂巖與花崗巖分界面，上覆第四系沖洪積卵石土、洪積碎石土及黃土，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎嚴(yán)重。根據(jù)物探成果資料，該段電阻率較低，等值線向小里程深部扭曲，推測存在匯水通道；在DK495+875附近電阻率變化劇烈，存在明顯電性界面。

DK496+900～DK497+100段：分布正斷層F5-2，影響寬度約40 m，隧道圍巖為燕山期淺肉紅色花崗巖，坡腳覆蓋第四系薄層坡積黃土，巖體較破碎，呈碎石狀結(jié)構(gòu)，物探成果揭示該段分布有低阻異常帶。

DK501+050～DK501+330段：分布正斷層F6，影響寬度約70 m，斷層帶出露寬度大于1.5 m，發(fā)育有斷層泥，巖性為變質(zhì)砂巖，產(chǎn)狀為95°∠78°，與隧道距離90～300 m。該段電阻率值較低，而且等值線變化劇烈。斷裂帶內(nèi)巖石破碎，節(jié)理密集發(fā)育，局部節(jié)理裂隙面扭曲變形。

2 水文地質(zhì)特征分析

2.1 地表水特征

隧址區(qū)充水來源主要為大氣降水，冬季地表為冰雪覆蓋，夏季冰雪融水及大氣降水順溝谷匯集，向下滲入隧道。在雨季，由于隧址區(qū)地形陡峭，巖土體易受到季節(jié)性降雨的沖刷發(fā)育沖溝，沖溝雨季常年流水，水量受大氣降水影響，呈季節(jié)性變化。根據(jù)1∶10 000地質(zhì)調(diào)查，在隧道中線兩側(cè)1 km范圍內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)十余處泉水及供水井點，泉水流量一般0.5～2 L/min，大多為下降泉。沖溝內(nèi)有多處泉水出露，其補(bǔ)給來源主要為第四系松散含水層潛水和基巖裂隙水。

2.2 地下水的賦存與分布

根據(jù)地下水賦存條件的不同，區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，少量為構(gòu)造裂隙水。

第四系孔隙潛水主要賦存于隧道進(jìn)、出口及洞身溝谷或山坡上第四系松散堆積物中。地下水呈層狀分布，水位、水量隨季節(jié)氣候變化而變，雨季水量較大，干旱季節(jié)水量較少；基巖裂隙水分布于隧道大部分地段，主要賦存于砂巖和花崗巖風(fēng)化裂隙中。由于巖體存在不均勻風(fēng)化現(xiàn)象，導(dǎo)致基巖裂隙發(fā)育，遇到降水入滲，容易在巖體風(fēng)化帶內(nèi)形成囊狀富水帶，局部水量較大。在區(qū)域斷裂構(gòu)造附近，由于斷裂帶附近裂隙比較發(fā)育，容易形成富水構(gòu)造。隧址區(qū)基巖裂隙水呈層狀、脈狀分布，主要接受大氣降水補(bǔ)給及第四系孔隙水的補(bǔ)給，地下水位隨季節(jié)變化幅度明顯；構(gòu)造裂隙水主要分布在隧道洞身斷層破碎帶地段，地下水呈脈狀、透鏡狀分布，其富水性較弱，一般受大氣降水補(bǔ)給，隨季節(jié)氣候動態(tài)變化。

隧址區(qū)徑流條件良好，地下水排泄方式主要有為蒸發(fā)排泄和地下徑流排泄，地下徑流為其主要排泄方式。

3 隧道涌水量預(yù)測及分析

3.1 隧道涌水量計算方法[5-8]

在總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)隧道涌水預(yù)測計算的基礎(chǔ)上，在實用，可行的前提下，遵循相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，運用地下水動力學(xué)和經(jīng)驗公式等方法，對隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測計算。

(1)柯斯嘉科夫計算涌水量理論公式

(1)

式中：QS為隧道通過含水體段正常涌水量/(m3/d)；H為靜止水位至隧道洞底距離/m；L為隧道通過含水體的長度/m；K為含水體的滲透系數(shù)/(m/d)；R為隧道涌水量影響寬度/m；r為隧道橫斷面寬度的一半/m，即r=W/2。

公式適用于基巖山嶺隧道，含水體假設(shè)為為無限厚度，含水體為無界潛水層。其概化后模型見圖2。

圖2 柯斯嘉科夫理論概化模型

(2)大島洋志最大涌水量計算公式

(2)

式中：q0為洞身通過含水體單位長度最大涌水量/(m3/d)；d為隧道洞身橫斷面等價圓直徑/m；r0為洞身橫斷面等價圓半徑/m；λ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取值0.86。公式適用于山嶺隧道，含水體為無界潛水，概化模型見圖3。

圖3 大島洋志計算概化模型

(3)佐藤邦明非穩(wěn)定流理論公式

(3)

式中：q0為洞身單位長度最大涌水量/(m3/d)；qs為單位長度正常涌水量/(m3/d)；h為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離；hc為含水體有效厚度；λ為轉(zhuǎn)換系數(shù)；ε為平均試驗系數(shù)，一般取作12.8，其他符號意義同上。

(4)古得曼經(jīng)驗公式

(5)

式中Q0為隧道通過段落可能最大涌水量/(m3/d)，其他符合同上。

(5)鐵路勘測規(guī)范經(jīng)驗公式

正常涌水量計算公式

(6)

最大涌水量計算公式

3.2 隧道洞身分段涌水量預(yù)測

為了便于涌水量計算，根據(jù)隧址區(qū)巖性、構(gòu)造、地形地貌及水文地質(zhì)特征，將隧道分成不同的水文地質(zhì)段落。在地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)上，選取代表性的地質(zhì)鉆孔，進(jìn)行地下水抽水、壓水試驗，獲取了各段基巖滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。采用上述涌水量公式對各水文地質(zhì)段落分別進(jìn)行涌水量計算，根據(jù)計算結(jié)果，對該段落的涌水量綜合考慮，給出推薦值。

采用上述公式首先對DK493+360～DK493+700段進(jìn)行涌水量計算。該地表為第四系上更新統(tǒng)粗角礫土，下伏二疊系哲斯組上段砂巖，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，以基巖裂隙水為主，根據(jù)水文地質(zhì)試驗取得滲透系數(shù)K=0.03 m/d，該段計算涌水量如表1。

表1 DK493+360～DK493+700段涌水量計算

經(jīng)計算得知，隧道在該段正常涌水量為268.60 m3/d，可能最大涌水量為350.20 m3/d，單位最大涌水量為1.03 m3/d，綜合判定屬于弱富水地段。

同理，通過上述方法對該隧道其他段落分別進(jìn)行涌水量計算，并對計算結(jié)果綜合分析，最終確定隧道各段涌水量計算結(jié)果(見表2)。

從表2中可以看出，受斷層構(gòu)造影響，斷層破碎帶附近大多為強(qiáng)富水區(qū)。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，整個隧道正常涌水量為29 517.19 m3/d，可能發(fā)生的最大涌水量41 245.64 m3/d。斷裂帶及其旁側(cè)巖石較破碎，由于其連通性較好，有利于地下水富集和運移，施工開挖時，在相應(yīng)斷層發(fā)育附近可能會發(fā)生突然涌水現(xiàn)象。

表2 隧道各里程段落滲透系數(shù)取值及涌水量預(yù)測

3.3 涌水可能地段分析

在隧道地質(zhì)勘察資料基礎(chǔ)上，根據(jù)地形地貌、巖性構(gòu)造、水文地質(zhì)等綜合分析，涌水地段主要發(fā)生在斷裂構(gòu)造發(fā)育帶、溝谷淺埋地段和物探揭示的低阻異常地段。

斷裂構(gòu)造的發(fā)育與涌水有著密切的聯(lián)系，斷層的存在往往會引起巖體結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，成為地下水活動的通道，形成局部富水帶。工程實踐證明，在構(gòu)造斷裂和區(qū)域性斷層破碎帶附近，較容易發(fā)生隧道涌水突泥等災(zāi)害。在隧道DK493+100～DK493+650段及DK495+500～DK496+100段，發(fā)育F4，F(xiàn)5等斷裂破碎帶，局部甚至有多處斷層交匯。受構(gòu)造運動影響，斷層間巖體裂隙發(fā)育，破碎強(qiáng)烈，隧道開挖時，在斷層及巖層接觸帶附近，發(fā)生集中涌水及泥屑物質(zhì)涌突的可能性極大，設(shè)計、施工時應(yīng)重點防范。

溝谷地貌是補(bǔ)給和貯存地下水的有利條件，從地貌上看，DK495+700～DK497+200段主要是山谷、溝谷地形，地勢低洼，坡腳處覆蓋第四系坡洪積物，地表水易滲透導(dǎo)致地下水富集形成富水帶；又是隧道淺埋地段，埋深淺，風(fēng)化劇烈，基巖破碎，裂隙發(fā)育，地下水儲存豐富。因此，一旦隧道開挖揭露了這些巖性特征的地層，易形成涌水突泥等災(zāi)害。

巖體中由于節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水儲存豐富，造成電阻率下降，物探測試反映低阻帶明顯地段，特別是物探異常帶地段，賦水性較強(qiáng)，極易產(chǎn)生突然涌水、突泥。根據(jù)物探資料揭示，隧道DK494+085～185段物探顯示存在低阻圈閉，在DK495+875附近電阻率變化劇烈，在DK496+325，+725等處等值線陡直密集，電阻率變化較大。經(jīng)鉆探驗證，上述地段富水性較好，施工開挖時可能形成集中涌水，應(yīng)采取防排水措施。

綜合地質(zhì)勘察結(jié)果表明：隧道地下水主要賦存于溝谷淺埋段、構(gòu)造斷裂帶、花崗巖和碎屑巖接觸帶等，由于構(gòu)造運動影響，局部淺埋溝谷，斷層發(fā)育附近及物探異常地段可能出現(xiàn)較大涌水。

4 防護(hù)措施

隧道預(yù)防涌水突泥應(yīng)以預(yù)防、排水為主，遵循防、排、堵等方法相結(jié)合，因地制宜，綜合治理的原則，采取可實施性高的防治措施。在收集水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，在查明隧址區(qū)水的性質(zhì)及分布，查清斷層、裂隙及破碎帶位置，掌握其涌水量及其變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，實際預(yù)測各大斷層及破碎帶侵對施工的影響，設(shè)置暢通的排水通道以加強(qiáng)排水疏導(dǎo)。同時，加強(qiáng)對進(jìn)出口、物探低阻異常帶這些地段的圍巖支護(hù)工作，采取綜合措施，加強(qiáng)隧道防排水。

針對斷層及破碎帶，應(yīng)該以堵為主，適當(dāng)輔以截排等措施，條件需要時應(yīng)采用帷幕注漿等方案對斷層突水進(jìn)行處治；對于基巖裂隙涌水，則應(yīng)寧疏勿堵，設(shè)置排水設(shè)施。對于地表水相對發(fā)育區(qū)，應(yīng)在進(jìn)出口邊坡及仰坡設(shè)天溝以排除地表水，特別是隧道區(qū)節(jié)理裂隙較發(fā)育、物探異常帶地段，極易產(chǎn)生突然涌水、突泥，設(shè)計和施工時應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)及防水排水措施。

隧道施工期間，應(yīng)注意施工方法，提前進(jìn)行超前鉆孔，及時掌握、了解工作面前方水文地質(zhì)條件，避免出現(xiàn)產(chǎn)生大面積突然涌水，影響施工安全及進(jìn)度。同時準(zhǔn)備足夠的抽排水設(shè)備，做好地下水和施工用水的排放。針對隧道可能存在的安全風(fēng)險，制定隧道施工安全風(fēng)險規(guī)避方案，做好安全風(fēng)險管理與控制 。隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，對工作面涌水量及壓力、溝谷地表流水及附近居民飲水點水量變化情況進(jìn)行監(jiān)測。針對不同地層及構(gòu)造特點，采用各種地質(zhì)預(yù)報手段探明工作面前方地質(zhì)情況，及時將地下水引出，防止發(fā)生突水塌方事件。

除了涌水災(zāi)害，該隧道還存在巖爆、坍塌冒落、圍巖失穩(wěn)等風(fēng)險。因此，施工前應(yīng)對隧道工程開展風(fēng)險評估，加強(qiáng)對各種風(fēng)險的重視，確保施工及人員安全，必要時應(yīng)設(shè)置觀測點，做好水文地質(zhì)監(jiān)測及地質(zhì)超前預(yù)報工作。

5 結(jié)論

通過對該鐵路隧道巖性、構(gòu)造及水文地質(zhì)特征的分析，運用地下水動力學(xué)等方法對各水文地質(zhì)單元進(jìn)行涌水量計算和預(yù)測分析，其結(jié)果對設(shè)計和施工有一定的指導(dǎo)意義。

隧道洞身DK495+780～DK497+220段山體比較扁平，且洞頂分布新黃土和碎石類土，在遇水的情況下容易坍塌，易造成滑塌、突泥涌水等災(zāi)害，施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和襯砌，及時排水，并采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

鑒于隧址區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，該涌水量預(yù)測與實際會存在一定的差異，其預(yù)測結(jié)果需在施工中加以動態(tài)修正，以提高預(yù)測精度，滿足工程需要。

對易發(fā)生涌水突泥的斷層破碎帶、巖性接觸帶及部分隧道淺埋地段，設(shè)計和施工中應(yīng)做好地質(zhì)超前預(yù)報工作，針對不同地層及構(gòu)造特點采用適宜的預(yù)報方法，不斷提高工作面施工前方的涌水預(yù)報效果，更好地服務(wù)于施工。

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TheWaterVolumeForecastAnalysisandProtectiveMeasuresResearchofaRailwayTunnel

ZHOU Yan-jie ZHANG Zhi-fa

2014-06-11

周彥杰(1982—)，男，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)05-0066-05

U452.1+1

： A