某長大深埋鐵路隧道水文地質特征評價

徐健楠 鄧明萬 施紅藝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

長大深埋隧道往往是鐵路建設項目中的控制性工程，其水文地質條件一般比較復雜，查明長大深埋隧道的水文地質條件具有重要意義。前人已有許多研究成果，邵江[1]總結了大相嶺火山巖深埋隧道的涌水特征，認為火山巖深埋隧道段涌水多為靜態儲水所致；成建梅[2]以福建莆田青云山隧道為例，總結了降雨入滲法、地下水動力學法等多種方法在火山巖隧道斷層涌水量預測中的適用性。以下基于前人的研究，以福建省普陀山某長大深埋隧道為例，結合現場調查及勘察成果，對該隧道的水文地質特征進行評價。

2 工程地質概況

2.1 工程概況

擬建隧道位于福建省龍巖市上杭縣西普陀山景區南側，全長3 138 m，最大埋深約273 m，設計路肩高程為275～327 m，為單面坡隧道。

2.2 地形地貌

隧址區位于剝蝕低山區，高程一般為200～625 m，自然坡度為15°～75°不等，總體地勢為東北高西南低。植被茂密，山勢陡峻，交通困難(見圖1)。

圖1 隧址區地形地貌

2.3 地層巖性

區內主要發育有白堊系下統黃坑組、白堊系下統寨下組火山熔巖、火山碎屑巖[3]，由老至新分述如下。

(1)白堊系下統

以紫灰色安山巖為主，夾紫灰和紫紅色砂礫巖、粉砂巖，以及英安質含集塊角礫凝灰巖，不整合覆蓋于黃坑組下段或其他老地層之上，厚106 m。

(2)安山玢巖

以紫紅色、灰黑色為主，呈半環狀出露于普陀山火山機構東西兩側，厚度大于500 m。

(3)白堊系下統

該層下部以灰、灰紫、紫灰色流紋巖、流紋斑巖、流紋質含角礫晶屑熔結凝灰巖為主，夾流紋巖、流紋質含角礫晶屑凝灰熔巖及復成分礫巖、粉砂巖、沉凝灰巖。上部以流紋巖、流紋斑巖、球粒流紋巖為主，夾流紋質晶屑凝灰巖、流紋質含角礫晶屑凝灰熔巖、火山角礫巖。厚度大于462 m。

2.4 地質構造

隧址區位于位于閩西火山活動亞帶(上杭—云霄火山噴發帶)的北西端。受北西向深斷裂帶控制，火山構造主要分布于碧田砂—安鄉、石圳潭—章金兩條北西向斷裂帶控制的古石背噴發盆地[3-4]，盆地內火山機構(中心)呈北西向串珠狀展布。火山活動主期為早白堊世，多屬層狀火山，發育環狀、放射狀斷裂和寄生火山口[5]。

3 區域水文特征

3.1 氣象水文植被

隧址區屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，年平均氣溫為20.2 ℃，年平均濕度為76%，年平均降雨量為1 645.5 mm。

區內水系發育，主要河流為汀江，流量隨季節變化明顯，5～8月為汛期，占總流量70%以上；12月至次年2月為枯季。

區內植被較發育，主要為亞熱帶常綠闊葉、針葉混交林。

3.2 地下水賦存條件

區內以中生界中基性-酸性火山熔巖及火山碎屑巖為主，巖質一般致密堅硬。其中，火山碎屑巖賦水為層狀巖類裂隙水，火山熔巖賦水為塊狀夾層狀巖類裂隙水[6]，地下水賦存于層間裂隙、不整合接觸面、斷層破碎帶等構造裂隙中，局部富水性較強；此外，區內植被發育也使得在巖體的風化帶中賦存有網狀裂隙水，受風化帶厚度、排泄條件影響，其富水性分布不均勻。

3.3 地下水補、徑、排特征

區內地下水主要受大氣降水補給，補給源豐富，徑流途徑短，水力坡度大，循環速度快，就地補給，就地排泄，沒有明顯補、徑、排分區。

地下水流量隨季節變化明顯，雨水大部分形成地表徑流，地下水分散，多以下降泉形式從洼地、陡坎下、溝谷排泄，地面蒸發和植物蒸騰量約占降水量的30%。

4 隧址區水文分析

4.1 水文地質調查

隧道所處的普陀山火山機構外圍發育有3條溝谷溪流，其中船豐—石灰嶺—橋頭、船豐—白玉—草鞋嶺溪流經由環形外圍，大致方向為自東北流向西南，最終匯入汀江?；鹕綑C構發育環形斷裂，伴有潛火山相安山玢巖出露，與環形河流路徑高度相似(見圖2)。

圖2 隧道水文地質示意

隧址區泉點流量為0.014～0.185 L/s，泉點出露不多，流量較小(部分表現為滴水狀)。大氣降水大部分通過短途徑流排泄至洼地、溝谷，少部分賦存在風化帶網狀裂隙及巖體構造裂隙中，隧道施工對地表徑流影響較小。隧道附近村民生活用水基本為溝谷上游溪水，由隧址東北側金玉頂、雙髻山區域地表徑流補給，補給源豐富。隧址附近民井少見，僅白玉村、普陀庵有井，井深不足3 m，水位接近地表，水量小，提水可干，現已廢棄。因此，隧道施工對居民用水影響較小。

隧道工程軌面高程位于附近溪流高程之上25～67 m，故隧道涌水受地表溪流影響較小。

4.2 隧道巖層及構造特征

普陀山火山機構經歷了數次爆發-噴溢過程，隧址處于火山機構北部，巖層主要為噴溢-爆發相、噴發-沉積相[3]，巖相較多、巖石成分復雜。

隧址區地層主要有白堊系下統寨下組灰紫色、紫紅色凝灰質砂礫巖、流紋質晶屑凝灰巖、安山巖，白堊系下統黃坑組紫紅色、灰色粉砂巖、安山巖，紫紅色、灰紫色安山玢巖，巖層致密堅硬，存在平行層理、透鏡狀層理等，淺部裂隙較發育，深部巖體相對較完整，巖體呈現出較明顯的“沉積-噴發”旋回特征。隧道深埋段位于似向斜構造中部，巖性、巖相復雜，各巖性接觸分界位置分布不一(見圖3)。

圖3 隧道地質縱斷面(橫縱比為1∶5)

綜合分析區域資料、現場調查及鉆探、物探解譯成果，認為在火山機構東西兩側分布有半環狀潛火山相侵入體安山玢巖，推測有弧形斷層與線路在DK35+887處近似垂直相交。該弧形斷層屬普陀山火山構造，與環形溪流路由變化關系密切，斷層產狀大致為240°∠60°，影響寬度約40 m。物探揭示，潛火山巖相侵入帶、斷層帶具富水特征，巖體較破碎，構造裂隙水富集，對隧道圍巖條件影響較大。

該長大深埋隧道的地下水補給充足，其總涌水量與單位涌水量均隨埋深增加而增大[7]。綜上，隧址區巖體具備賦存較大靜儲水量的條件。

4.3 隧道水文條件評價

根據勘察鉆孔揭示，進出口、淺埋段水位埋深多在10 m內，局部接近地表；深埋段水位埋深極不均勻，根據深孔測井成果，推測F1斷層帶前后區域在100～103 m深度范圍有出水特征，其余深埋地段無明顯出水點。

按照地表徑流匯水區域及地下水蓄水構造對隧道水文條件進行分段評價。

(1)隧道進口至DK35+600段

隧道洞身處于潛火山相安山玢巖侵入帶、噴發-沉積相凝灰質礫巖、復成分礫巖等過渡區域，隧道最大埋深大于100 m。該段強風化巖層厚度普遍不超過10 m，但巖體的節理裂隙較發育，大氣降水的地下排泄條件較好，地表水與地下水分水嶺一致，隧道匯水方向為由北西向南東。物探顯示地下水較發育，半環形的潛火山巖侵入體可能形成儲水構造，隧道開挖可能引起短時較大涌水。

(2)DK35+600至DK36+100段

隧道洞身發育有噴發-沉積相凝灰質礫巖、復成分礫巖與爆發相晶屑凝灰巖、火山角礫巖等多種巖層，隧道埋深95～180 m，風化層厚度不超過6 m?？辈斐晒@示，該段巖體大部分較完整，裂隙程度不大，洞身受地表徑流影響不大，但部分深度處存在裂隙較發育的情況；在靠近洞頂位置5.6 m和12 m處探測到出水特征。另外，洞身在DK35+887附近與環形斷層相交，斷層附近巖層破碎，地下水富集，將導致隧道圍巖條件較差，涌水量較大。

(3)DK36+100至DK37+200段

隧道洞身主要穿越火山碎屑巖層，洞身最大埋深為273 m?？辈旖沂荆瓷韼r體大部分較完整，富水性較弱，但EH-4物探顯示存在低阻帶。該深埋段由于其位于似向斜構造中部、巖性接觸分界位置分布不一，設計時需考慮深部層面結構的靜態儲水可能。

(4)DK37+200至隧道出口段

隧道洞身分別穿越半環狀潛火山相侵入安山玢巖體、寨下組與黃坑組巖性接觸帶，物探揭示有富水特征；另外，DK37+780至880段為淺埋段，埋深小于20 m，其巖體圍巖條件差，局部富水性較強；其余段落富水性較弱。

綜上，隧道淺埋段、F1斷層帶及半環形的潛火山巖侵入體區域存在突涌水高風險，DK36+100至DK37+200段似向斜構造中部可能有短時較大涌水風險，應在上述段落開展超前地質預報工作，加強施工監控量測，盡量避免反坡排水，并做好防排水措施。

4.4 隧道涌水分析

根據已有工程經驗[8-15]，降水入滲法、徑流模數法等簡易水均衡法適用于淺埋隧道的潛水含水體，地下水動力學法可用于斷層等構造裂隙帶涌水量計算，針對該隧道的區域水文條件、巖性及構造發育特征，采用多種方法組合，分段對隧道的正常涌水量、最大涌水量進行預測評估。

①隧道進口至DK35+600段，隧道正常涌水量及最大涌水量均以降水入滲法和徑流模數法計算(取大值考慮)；②DK35+600至DK36+100段正常涌水量采用F1斷層地下水動力學法計算值，最大涌水量采用疊加徑流模數法計算值；③DK36+100至DK37+200段，考慮到其具有層狀火山似向斜構造，采用徑流模數法估算其可能的靜態最大涌水量；④DK37+200至隧道出口段正常涌水量采用淺埋段及潛火山巖體侵入帶賦水量，最大涌水量取各方法計算的大值。計算結果如表1～表4所示。

(1) 降水入滲法

大氣降水入滲法隧道涌水量計算公式為

Q=2.74·α·W·A

(1)

式中Q——隧道通過含水體地段的正常涌水量/(m3/d)；

α——降水入滲系數，根據經驗或試驗數據確定；

A——隧道通過含水體的集水面積/km2；

W——年降水量/mm(根據氣象資料取值)。

(2)徑流模數法

地下徑流模數取自《上杭幅區域水文地質普查報告》?？筛鶕菟镜叵聫搅髂祿Q算年平均地下徑流模數(M年)，有

M年=λ·M枯

(2)

式中：λ為年平均地下徑流模數的換算系數，取2.70。

根據區域水文地質普查報告，隧道通過區域徑流模數取3.0 [(L/s)/km2]，故M年=8.1 [(L/s)/km2]。

(3)地下水動力學法

斷層、侵入接觸帶、淺埋段等地下水具潛水性質，可用古德曼經驗公式計算隧道最大涌水量，用佐藤邦明經驗式計算正常涌水量，有

(3)

(4)

其中Q0——隧道通過含水體段的最大涌水量/(m3/d)；

Qs——隧道通過含水體段的正常涌水量/(m3/d)；

K——含水體滲透系數/(m/d)；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離/m；

d——洞身橫斷面等價圓直徑/m；

L——隧道通過含水體的長度/m；

m——換算系數，一般取0.86；

r0——洞身橫斷面等價圓半徑/m；

hc——含水體厚度/m；

表3 地下水動力學法估算涌水量計算

表4 涌水量計算 m3/d

綜上，在斷層帶、侵入接觸、淺埋段等影響范圍內富水性較強，具有分段涌水的特點，全隧道預測正常涌水量為2 698 m3/d，最大涌水量為13 715 m3/d。

5 結論

(1)隧址區泉點流量為0.014～0.185 L/s，周邊居民用水主要依靠溝谷地表徑流，隧道涌水受地表溪流影響小，隧道施工對周邊居民用水影響較小。

(2)隧址區地下水儲水構造以潛火山相侵入體、斷層破碎帶等為主，隧道中部深埋段似向斜構造層面有靜態儲水可能，施工中易遇短時較大涌水，其最大涌水量為2 573 m3/d。

(3)應采用不同方法分段預測涌水量。洞身穿越潛火山相侵入體、斷層破碎帶、淺埋段等位置，富水程度較高，宜采用地下水動力學法預測正常涌水量，疊加徑流模數法預測最大涌水量；深埋似向斜構造段落巖性接觸分界位置分布不一，其層面構造可能引起短時較大涌水量，宜采用徑流模數法預測最大值。

(4)隧道淺埋段、F1斷層帶及潛火山巖侵入體區域最大單位長度涌水量為14.0～88.0 m3/d，富水程度為強富水，施工中存在突涌水高風險，需加強監測量測，按要求開展地質超前預報工作，并做好防排水措施。