新建鄭萬鐵路小三峽隧道水文地質條件分析及涌水量預測

楊東強

摘? 要：小三峽隧道地處高中山區，為鄭州至萬州鐵路關鍵性控制工程之一，全長18.13 km，工程地質及水文地質條件均較為復雜，特別是會遇到石灰巖溶地區的大斷面隧道工程建設。該文在野外勘察的基礎上，采用地下水徑流模數法及地下水動力學法對隧道涌水量進行了計算預測，為隧道設計和施工提供依據。

關鍵詞：小三峽隧道;巖溶;水文地質特征;涌水量預測

中圖分類號：U452? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 概況

1.1 工程概況

新建鄭萬鐵路小三峽隧道隧址區以奉節與巫山縣界山脊為地表分水嶺，巫山縣境為大寧河流域，奉節縣境為草堂河流域，隧道起止里程為DK665+870～DK684+000，總長18.13 km。隧道進口位于巫山縣北東約6.5 km處，處于長江支流大寧河右岸，隧道出口位于奉節縣北東約27.3 km處，隸屬于奉節縣雙潭鄉新房村境內。隧道最高標高位于隧道中部齊耀山背斜軸部山脊，標高約1 770 m，最低處為隧道進口大寧河沿線，標高165 m，相對高差約1 605 m。

1.2 氣象

隧址區位于奉節縣東部與巫山縣接壤地帶，該地段屬溫濕的中亞熱帶氣候，氣候受地形影響十分顯著，冬季溫和，夏季炎熱，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫18.4 ℃，最冷的1月份平均氣溫為7.1 ℃，最熱的7月份平均氣溫為29.3 ℃;年平均降雨量在1 026.7 mm～1 423.7 mm，月最大降雨量343.8 mm～453.1 mm，日最大降雨量94.3 mm～141.4 mm。

2 隧道地質特征

2.1 地層巖性

隧道工程范圍涉及主要巖性為第四系全新統（Q4）土層，主要為沖、洪、坡積塊、碎石土、漂（卵）石土及粉質黏土等，三疊系上統須家河組（T3xj）砂巖、泥巖及頁巖，三疊系中統巴東組（T2b）泥巖、泥灰巖及灰巖，三疊系下統嘉陵江組（T1j）灰巖、白云質灰巖及角礫狀灰巖，三疊系中統大冶組（T1d）頁巖、泥灰巖及灰巖，其中可溶性巖層為三疊系中統巴東組三段（T2b3）、一段（T2b1）、下統嘉陵江組（T1j）和大冶組（T1d）地層灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖等組成。

2.2 地質構造

測區跨越新華夏系第三隆起帶和第三沉降帶之接合部位，齊耀山基底大斷裂通過該區，在該區域形成齊耀山背斜，在背斜兩側形成“人”字形構造體系，齊耀山背斜南東側形成北東向構造，齊耀山背斜北西側形成弧形構造，其構造形式以褶皺變形為主，而斷裂較少見，區域一級褶皺構造均呈北北東向展布，背斜形態以箱形為主，相間狹窄的向斜，組成隔槽式褶皺。

3 隧道水文地質特征

3.1 地下水的類型及分布特征

3.1.1 地下水類型

根據巖性、地下水分布形式和水理性質和水動力特征，將區內的地下水分類型劃分為：松散堆積層孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和碳酸巖類巖溶水等3種類型，對隧道工程有影響的為后2種。

3.1.1.1 碎屑巖類孔隙裂隙水

主要賦存于測區須家河組、巴東組二段和四段的砂巖、粉砂巖中，該類地下水多賦存于節理裂隙、層理間隙和巖體孔隙中，該類地下水多以散流形式進行排泄，調查發現該類地下水泉點15個，流量一般為0.015 L/s～0.72 L/s，分布標高一般為400 m～1150 m，該類巖組的大氣降水入滲系數約0.07，地下水枯季徑流模數為0.1 L/s.km2～0.50 L/s.km2。

3.1.1.2 碳酸巖類巖溶水

主要賦存于三疊系中統巴東組三段（T2b3）、一段（T2b1）、下統嘉陵江組（T1j ）和大冶組（T1d）地層灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖中，為區內的相對含水層，對隧道影響顯著。該地區溶蝕現象發育，在地表以巖溶槽谷和溶蝕洼地、落水洞等垂直溶蝕地貌景觀產出，據調查，區內共發現該類地下水排泄點152個，其中暗河出口12個，地下水流量介于0.03 L/s～175 L/s，流量總值約為457.53 L/s;巖溶泉點140個，流量介于0.005 L/s～157.19 L/s，流量總值約為1 162.27 L/s。區內該類巖組的大氣降水入滲系數約為0.25～0.58，其中，巴東組三段和一段泥質灰巖出露條件好，枯季徑流模數為3 L/S.km2～6 L/S.km2;而嘉陵江組和大冶組巖溶發育強烈，枯季徑流模數大于6 L/S.km2。

3.1.2 含水巖組

將三疊系中統巴東組三段（T2b3）劃分為Ⅰ號含水層，三疊系中統巴東組一段（T2b1）、三疊系下統嘉陵江組（T1j）和大冶組（T1d）劃分為Ⅱ含水層。

3.1.2.1 Ⅰ號含水層

含水層厚280 m～370 m，出露面積約為45.98 km2，地表多以溶溝、溶孔和溶穴等巖溶現象為主，據調查，該含水層泉點共27個，出露標高224～1180 m，流量介于0.017 L/s～25 L/s，流量總值166.13 L/s，其中大于1 L/S的有15個。地表水匯集溪溝流流量約為19.45 L/s。地下水枯季徑流模數為4.81 L/S.km2，富水性中等，該含水層入滲系數約為0.25。

3.1.2.2 Ⅱ含水層

為隧址區內主要含水層，含水層厚900 m～1 900 m，主要分布于隧道進口至DK672+870一帶，出露面積約為194.33 km2，巖溶化程度極高，地表常發育溶蝕洼地、暗河、落水洞、槽谷和溶洞等大型巖溶形態，據調查，該含水層共出露地下暗河11條，流量介于0.03 L/s～157 L/s，流量總值為233.53 L/s。出露泉點103個，流量介于0.005 L/s～80 L/s，流量總值為487.608? L/s，其中大于20 L/s的有8個，1 L/s～20 L/s的7個。地表水匯集溪溝流流量約為745.027 L/s。地下水枯季徑流模數為7.58 L/s.km2，富水性強，該含水層入滲系數約為0.44～0.58。

3.2 地下水補徑排條件

區內地下水主要以大氣降水補給為主，其徑流、排泄方向受地層巖性、構造、地形切割的控制，主要向2個方向排泄。具體表現為：Ⅰ水文地質單元主要是在以巫山與奉節縣交界山嶺以東，地下水主要是順構造跡線由西向西排泄至大寧河;而Ⅱ水文地質單元則主要是在以巫山與奉節縣交界山嶺以西，地下水主要是順構造跡線由東向西排泄至石馬河與長江。

3.3 隧道涌水量預測

該次對擬設小三峽隧道采用大氣降水入滲法、泉流量法和地下徑流模數法進行預測，并進行對比，選出最佳涌水量。

3.3.1 大氣降水入滲法

計算公式：Q=2.74 A·W·α

式中，Q—隧道正常涌水量，較大涌水量（Qmax）按正常涌水量的3倍計（m3/d）。

A—匯水面積，由1︰1萬平面圖量測，km2;A=L·B

L—分段含水體的長度，km。

B—影響分段含水體的寬度，km。

W—多年平均降雨量，mm。

α—入滲系數，根據1︰20萬奉節幅《區域水文地質普查報告》和該次野外調查以及經驗綜合分析取值。

經計算可以看出，隧道一般季節涌水量為108 759 m3/d，雨季涌水量Q大=158 080 m3/d。

3.3.2 泉流量法

計算公式。

式中，Q—隧道涌水量（m3/d）。

—隧址區水點流量總和（L/s）。

86.4—由L/s換算為t/d的常數。

經計算，隧道枯季總涌水量Q+86.4×619.05=53 486 m3/d。

由于該次調查時間為當地枯季時間，故計算結果為隧道的枯季涌水量，雨季涌水量取正常涌水量Q的3倍，即為160 458 m3/d。

3.3.3 地下徑流模數法

計算公式：Q=86.4·M·A

式中：Q—隧道正常涌水量。

M—地層巖性地下徑流模數，m3/d·km2。

A—隧道通過含水體的集水面積，km2;A=L·B

L—分段含水體的長度，km。

B—影響分段含水體的寬度，km。

經計算可以看出，正常涌水量Q=47 615 m3/d，較大涌水量Q大=142 845 m3/d（按正常涌水量的5倍計算）。

通過上述3種預測方法對隧道涌水量進行預測，從預測結果看，3種方法計算結果差別相差不大，故建議隧道枯季涌水量采用值為47 615 m3/d～53 486 m3/d，較大涌水量采用值為142845 m3/d～160 458 m3/d。

3.4 水文地質條件評價

（1）高壓水對工程的影響評價：根據現場調查分析，區內隧道開挖最大地下水水頭高度約為460 m，其最大地下水壓力可達4.5 MPa，其初始壓力將可能導致隧道拱頂發生坍塌，導致施工的人員和設備發生危險。

（2）巖溶水突水、突泥對工程影響評價：擬建隧道穿越可溶性巖長度約為14 715 m，占總隧道長度的81.16%，受巖溶、構造裂隙的影響，易發生巖溶突水、突泥、巖溶坍塌等，此外是在背斜軸部、非可溶巖可溶巖的接觸部位，也亦發生。施工中圍巖的坍塌、突水、突泥等是面臨的突出問題。其中在雨季施工時，遭遇突水、突泥的概率最大。

4 結論

根據小三峽隧道的水文地質特征分析和涌水量預測，隧址區巖溶發育，巖溶是影響隧道施工的主要問題之一，巖溶發育特征也在很大程度上決定了本區地下水的特征，因此，在設計和施工中需要注意。

（1）該文涌水量僅考慮在單線情況下的預測值，該次對隧道涌水量的計算部分參數為區域資料或經驗值，故推薦的涌水量值只為預測值，涌水量預測結果仍需在施工中加以驗證和動態修正。

（2）對易發生突涌水、坍塌變形的斷層破碎帶、褶皺核部、巖性接觸帶、長大密集節理帶及部分隧道淺埋地段，設計及施工應做好地質超前預報工作，做好超前支付且及時襯砌，提高防排水意識。

（3）隧道設計應合理選用堵水結構和材料，施工廢水應處理達標后才能排放，防治工程施工而產生新的環境影響問題。

參考文獻

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