基于水文地質(zhì)勘察綜合分析的呂梁山隧道涌水量預(yù)測

趙 冉

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

隧道是現(xiàn)代交通線路上十分重要的構(gòu)筑物，特長隧道水文地質(zhì)勘察及涌水量的預(yù)測是制定隧道施工設(shè)計方案的重要依據(jù)[1]，但水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、理論和公式參數(shù)的制約性，很難精準判斷隧道涌水位置并準確預(yù)測涌水量[2]。因此，需要在水文地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上[3]，結(jié)合物探、鉆探及水文試驗結(jié)果，采用合理的理論和水文分析方法[4]，最大限度地評估隧址區(qū)范圍內(nèi)是否存在中、強富水段以及具體的分布段落，并估算不同水文地質(zhì)條件下隧道洞身的涌水量，提前做好隧道涌水、突水的預(yù)防措施。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

呂梁山隧道自東向西橫穿南關(guān)帝山主脈，為越嶺型特長隧道，隧道全長9 806.0 m，最大埋深429.2 m。

1.2 氣象水文

隧址區(qū)范圍的年平均降雨量約550～600 mm，最大降雨量821.5 mm，多年日最大降水量103.4 mm。

隧址區(qū)地表水系總屬黃河大流域，隧道進口至呂梁山分水嶺段屬于汾河支流文峪河流域，呂梁山分水嶺至隧道出口段屬三川河流域。

1.3 地層巖性

隧址區(qū)地層巖性由老至新分別為混合花崗雜巖體（Mγ）、關(guān)帝山花崗巖（γ21）侵入體、長城系霍山砂巖（Ch2）、古生界寒武奧陶系沉積巖與巖漿巖（γ21）、新生界第四系中新統(tǒng)-全新統(tǒng)（Q2-4）松散堆積物。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為伴隨關(guān)帝山隆起過程中形成的褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。

1.4.1 褶皺構(gòu)造

褶皺構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為一個較大規(guī)模的平緩向斜構(gòu)造（S1、S3）和一個小型的平緩背斜構(gòu)造（S2）。這些褶曲構(gòu)造平緩開闊，對地下水的賦存及徑流方向具有明顯的控制作用。

1.4.2 斷裂構(gòu)造

隧址區(qū)內(nèi)包含兩組斷裂構(gòu)造，即F1斷層、F2斷層，二者組成“X”型構(gòu)造格局。其在地質(zhì)縱斷面表現(xiàn)見圖1所示。

圖1 隧道右幅K76+400-K78+500段工程地質(zhì)縱斷面

1.4.2.1 F1斷層

F1斷層走向為北北東向，長度約25 km，傾向北西西，產(chǎn)狀275°～285°∠40°～55°，由兩條斷裂帶F1-1、F1-2組成，呈平行排列分布，間距為250～300 m。

隧道右幅在K76+890—K77+060、K76+530—K76+690段，左幅在ZK76+510—ZK76+700、ZK76+865—ZK77+015段穿越F1-1、F1-2斷裂帶，洞內(nèi)斷裂帶影響長度約170～190 m，斷裂帶傾角約45°～58°。其中，F(xiàn)1-1斷裂帶巖性為構(gòu)造糜棱巖，成分以細粒-超細粒晶質(zhì)-黏土質(zhì)為主，為阻水性構(gòu)造巖。F1-2斷裂帶巖性為角礫狀構(gòu)造糜棱巖、碎裂巖，以細粒與碎塊狀成分為主，裂隙較為發(fā)育，屬于一般性含水構(gòu)造。兩個斷裂帶下盤均有阻水作用，其中F1-1斷裂面阻水更為明顯。F1-1、F1-2斷裂的阻水作用阻斷了隧址區(qū)呂梁山西翼混合花崗雜巖向西排泄的徑流通道，使下盤混合花崗雜巖體內(nèi)地下水在斷裂帶受阻，水位抬升，并在斷層經(jīng)過的溝谷地帶向外排泄。

1.4.2.2 F2斷層

F2斷層為較典型的壓扭性構(gòu)造，斷裂帶寬度約50.0 m，走向NW330°，斷裂帶近于直立，略向西南傾，以走滑為主，兼有微量的傾滑，西南盤向南、北東盤向北走滑，為左旋走滑斷層類型（逆時鐘走滑斷層）。斷層北東盤與西南盤出露地層基本一致，兩盤均見有寒武系徐莊組（∈2x）混合花崗雜巖（Mγ）和呂梁期花崗侵入巖（γ21），西南盤未見出露長城系（Ch2）。兩盤相對走滑距約為120～150 m之間。

隧道右幅在K78+112—K78+250段、左幅在ZK78+060—ZK78+280段斜交穿越F2斷裂帶，洞內(nèi)斷裂帶影響長度約138 m。斷裂面由糜棱巖組成，構(gòu)造巖裂隙不發(fā)育，透水性較差，斷層面兩側(cè)混合花崗巖風化蝕變強烈，斷裂帶附近長城系（Ch2）石英砂巖破碎，層理不清，流劈理發(fā)育，其透水性相對較好。F2斷層南西盤（上盤）與北東盤（下盤）之間水力聯(lián)系被該斷裂構(gòu)造阻斷，上下盤均在斷裂帶附近向薛家溝內(nèi)排泄。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 地表流域及井泉統(tǒng)計分析

隧址區(qū)地表流域按匯流范圍劃分為21個3～4級流域，流域最大匯水面積約5.2 km2，最小約0.9 km2，均屬于小流域。各流域內(nèi)共布置測流點36處，井泉調(diào)查點80個。調(diào)繪期處于枯水期，小流域?qū)崪y流量可視為枯水期流量[5]。

隧址工作區(qū)的地表徑流與隧道圍巖含水層形成的地表徑流流量總體差異較大[6]，二者流量僅在隧道出口段及隧址工作區(qū)外圍局部小微流域相接近。

2.2 含水介質(zhì)分析

與隧道密切相關(guān)的含水介質(zhì)包括四類，分別為混合巖化花崗雜巖（Mγ）、呂梁期花崗侵入巖（γ21）、斷層構(gòu)造碎裂巖及第四系松散堆積物（Q3+4）。各類含水介質(zhì)特征，隧址區(qū)內(nèi)補、徑、排模式，富水性控制因素分析如下。

2.2.1 混合巖化花崗雜巖含水介質(zhì)

該巖層為構(gòu)成隧道主洞及其輔助通道的主要圍巖。其中，全風化帶巖體裂隙連通性較差，富水性相對較差；強風化帶巖體裂隙連通性好，富水性強。弱-微風化帶巖體裂隙呈閉合或微張形態(tài)，連通性較差-差，富水性弱-極弱，成為上覆強風化帶含水層的相對隔水層。

該套含水介質(zhì)地下水補給方式主要為降水入滲、地表徑流垂直補給及風化裂隙帶滲流補給。主要徑流方式為強風化帶內(nèi)的層間潛流。強風化帶含水層向南側(cè)三道川主河谷方向隱伏狀排泄，并直接匯入地表徑流之中；另有部分全-強風化帶中地下水受上游溝谷侵蝕切割，直接在上游坡地排出。

2.2.2 呂梁期花崗侵入巖含水介質(zhì)

隧址區(qū)花崗侵入巖（γ21）含水介質(zhì)主要分布于隧道出口一端，分布較為均一。含水層主要為地表裸露的全-強風化帶巖體，巖體裂隙發(fā)育，透水性較強，在巖體強-弱風化界面形成強風化裂隙帶潛水含水層。依靠大氣降水和上游溝谷地表水等共同補給，并就地徑流和排泄。本類含水介質(zhì)富水性總體較弱。

2.2.3 斷層構(gòu)造破碎帶含水介質(zhì)

隧址區(qū)范圍內(nèi)分布F1斷層、F2斷層兩個斷裂構(gòu)造，兩條斷層斷裂帶下盤阻水，上盤張性裂隙發(fā)育，導水性強，斷裂面相對富水。地下水在斷裂面以下大量溢流排泄而出，在溝谷內(nèi)形成壯觀的激增徑流量。

2.2.4 第四系松散堆積物含水介質(zhì)

隧址范圍第四系松散堆積物厚度達20～40 m，巖性為碎塊石，充填物以黏性土為主，富水性較差。在隧道淺埋段，第四系沖洪積物與下伏的混合巖化花崗雜巖古風化殼全風化帶共同構(gòu)成隧道圍巖的組成部分，二者間的水力聯(lián)系對隧道圍巖富水性影響較大。

2.3 物探解譯及鉆探驗證分析

物探采用瞬變電磁法[7]，共布置兩條瞬變電磁測線。經(jīng)物探查明，在隧道瞬變電磁剖面上，左右幅中段圍巖區(qū)域電性參數(shù)主要以高視電阻率為主，左右幅進出口段與中后段存在幾處較為明顯的低阻異常，物探推斷與地下水相關(guān)[8]。左幅發(fā)現(xiàn)4處異常區(qū)，即ZWD-1、ZWD-2、ZWD-3、ZWD-4；右幅發(fā)現(xiàn)6處異 常 區(qū) ， 即 YWD-1、YWD-2、YWD-3、YWD-4、YWD-5、YWD-6。其中，左幅ZWD-1、ZWD-2、ZWD-3與右幅YWD-1、YWD-2、YWD-3均與土黃溝、無名溝、深溝等3個連續(xù)分布的山間溝谷相對應(yīng)，經(jīng)鉆探孔CKG-SD-2（土黃溝）、CKG-SD-3（無名溝）、SWZK2（XK-SD-10）（深溝）驗證和抽水試驗驗證，確認物探異常區(qū)巖芯破碎、存在承壓型強富水含水層。右幅YWD-4、YWD-5異常區(qū)連續(xù)性較差，屬于獨立異常區(qū)，圍巖以微風化混合花崗雜巖為主，解譯為圍巖裂隙相對發(fā)育、地下水中-弱富集區(qū)，難以達到強富水程度。左幅ZWD-4與右幅YWD-6縱斷位置相對應(yīng)，空間上南北相呼應(yīng)，解譯為中等富水異常區(qū)。F1、F2斷層帶電阻率橫向變化幅度較大，斷層位置揭示明顯，視電阻率從上至下遞增，呈環(huán)狀封閉形，剖面圖上顯示為上下貫通，范圍較大，物探解譯為巖層破碎、含水量大。

3 隧道涌水量預(yù)測

3.1 水文地質(zhì)試驗及參數(shù)計算

呂梁山隧道布設(shè)水文孔3個，編號為SWZK1、SWZK2、SWZK3號，其中SWZK1、SWZK2號水文孔抽水試驗分別按3個降深進行觀測，SWZK3號水文孔抽水試驗按2個降深進行觀測。依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》TB 10049—2014中水文地質(zhì)參數(shù)計算的一般規(guī)定[9]，全風化混合花崗雜巖滲透系數(shù)K值取0.05 m/d；強風化混合花崗雜巖滲透系數(shù)K值取0.42 m/d。計算結(jié)果如表1所示。

表1 全風化-強風化混合花崗巖含水層滲透系數(shù)、影響半徑計算結(jié)果

3.2 隧道圍巖涌水量的預(yù)測

根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果及隧道涌水量計算公式的適用條件[10]，本隧道采用古德曼經(jīng)驗式預(yù)測隧道最大涌水量，利用水平坑道法及裘布依理論公式預(yù)測隧道正常涌水量，并在此基礎(chǔ)上提出隧道涌水量推薦值。計算結(jié)果如表2所示。

表2 隧道涌水量計算綜合成果表

左幅洞身內(nèi)含水段長度9 685.0 m，最大涌水量建議值Qs=27840.8 m3/d，洞身內(nèi)局部可能有少量突泥突水。正常涌水量建議采用水平坑道與裘布依法均值，即Qs=7125.0 m3/d。強富水區(qū)集中在ZK69+520—ZK70+390段、ZK76+510—ZK76+700段及ZK78+060—ZK78+280段，單位最大涌水量在5.27～25.41 m3/(d·m)。右幅洞身內(nèi)含水段長度9 690.0 m，最大涌水量建議值Qs=27960.9 m3/d，洞身內(nèi)多處可能發(fā)生涌突水。正常涌水量建議采用水平坑道與裘布依法均值，即Qs=7157.1 m3/d。強富水區(qū)集中在K69+530—K70+455段 、K76+530—K76+690段 及K78+115—K78+250段，單位最大涌水量在5.56～24.48 m3/(d·m)。

4 隧道水文地質(zhì)條件評價及涌水、突水預(yù)測

隧道進口段混合巖化花崗巖強風化帶含水層地下水補給較為充足，隧洞穿過的含水層厚度較大，富水性強，極有可能存在涌突水；而全風化帶含水層雖補給充足，但因風化作用，巖體裂隙弱發(fā)育，徑流條件較差，富水性相對較弱。隧道穿越的F1、F2斷層為區(qū)域性的壓扭斷裂構(gòu)造，為阻水構(gòu)造，僅在斷裂構(gòu)造的下盤、上盤張性裂隙帶等部位存在地下水。隧道出口段呂梁期花崗侵入巖強風化帶含水層補給單一，徑流路徑短，排泄較為通暢，地下水的賦存量較為有限，僅局部可能富水。

因此，隧道主線洞身涌突水位置主要位于隧道進口穿越的混合巖化花崗巖強風化段及F1、F2斷層的上下盤裂隙帶附近。

5 隧道工程對周邊環(huán)境的影響

隧道進口段左右幅洞身橫穿混合花崗雜巖全-強風化含水層，該含水層自然條件下散排于三道川河河谷河槽內(nèi)，隧道施工及營運后，洞身圍巖內(nèi)出水排泄會造成三道川河河谷總排泄量小幅度降低，但由于三道川河地表徑流主要來源于上覆寒武系、長城系蓋層的強富水含水層，因此隧道進口段施工對隧道地表環(huán)境影響不大。隧道中部洞身圍巖多屬于微風化混合花崗雜巖，為弱富水巖體，與地表環(huán)境水水力聯(lián)系極弱，洞身排水對地表環(huán)境影響極其輕微。隧道出口段穿過兩條斷裂構(gòu)造的3個斷裂面，可能對斷裂面附近地下水的重新分布造成一定范圍的影響，但洞身所排出地下水與自然條件下排泄地下水仍屬于同一流域空間，且隧道出口段圍巖以微弱含水巖層為主，對環(huán)境影響極其微弱。

6 結(jié)論

本文采用水文地質(zhì)綜合勘察手段，對呂梁山隧道的富水性及涌水量進行了分析計算，得出以下結(jié)論。

a）隧道內(nèi)富水段易發(fā)生集中涌突水部位主要位于隧道中前段及斷層上下盤裂隙帶。

b）隧道左幅洞身正常涌水量為7 125 m3/d，穩(wěn)定含水段最大涌水量為27 840.8 m3/d；右幅洞身正常涌水量為7 157.1 m3/d，穩(wěn)定含水段最大涌水量為27 960.9 m3/d。

c）隧道工程對周邊環(huán)境影響不大，對隧址區(qū)總體地下水的徑流排泄屬于輕微程度影響。施工過程中應(yīng)最大限度地保護工程區(qū)水文環(huán)境，實現(xiàn)并保持自然條件下原有的平衡狀態(tài)。