郴州市獅子山隧道工程水文地質特征分析

劉立萍，王自平

（湖南省核工業地質局三〇二大隊，湖南郴州 423000）

獅子山隧道是資興市新區唐鯉大道公路段的重要工程之一，位于湖南省資興市新區唐鯉大道的中段。隧道進出口為斜坡，軸線方向呈南北向，隧道設計為拱式，寬約15.00 m，最大埋深為66.00 m，左線隧洞長約610 m，右線隧洞長約560 m，縱坡坡度在+1.947%～-2.763%。

本文為查明隧址區工程地質及水文地質條件，對相關隧址區進行了詳細勘察，并對場地水文地質條件、隧道圍巖巖性及其工程地質特征、隧道洞口及洞身的穩定性等進行了分析，以期為該隧道工程的設計、施工提供定量參數指標，并根據本場地巖溶灰巖及其水文地質特征，提出相應的整治措施。

1 隧址區水文、工程地質概況

1.1 氣象水文

隧址區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，日照強烈，四季分明。年降雨量為1 085～2 247 mm，多年平均降雨量為1 466.5 mm，日最大降雨量為295.3 mm，最高氣溫為41.3℃，最低氣溫為-9.0℃，年平均氣溫為17.8℃。

1.2 地形地貌

隧址區所處地貌單元為低山丘陵地貌，地面高程一般在131.0～213.0 m之間，坡角為20°～30°，隧道山體表面多發育茅草和少量灌木。當地最低侵蝕基準面標高為130.10 m，地表水、徑流水流向為北面向。

1.3 地層巖性

隧址區主要出露地層為石炭系地層（C1），進出口段表層以第四系松散人工填土（Q4ml）、殘積粉質黏土（Q4el）為主，局部地段出露淤積的淤泥質土（Q4pl）?；鶐r巖性主要由石炭系炭質頁巖夾砂巖（C1d）、石炭系強風化灰巖及中風化灰巖（C1y）等組成。

1）粉質黏土：呈褐黃色、褐紅色，稍濕至濕，硬可塑狀態。成分以黏粒為主，含少量強風化灰巖或風化粉砂巖碎屑；韌性中等，干強度中等，刀切面較光滑，搖振無反應。該層厚度為0.70～25.00 m，全場分布。

2）炭質頁巖：沉積成因，灰黑色，強風化，節理裂隙發育，巖石極破碎，巖芯呈薄片狀至土狀，含炭，易污手，力學強度低，水理性質差。

3）石炭系強風化灰巖（C1y）：沉積成因，灰色，強風化，裂隙較發育，含炭，裂隙面一般呈灰白色，巖體較破碎，有溶蝕現象，溶蝕面多有鈣華富集，局部發育有溶洞，厚度為1.80～22.70 m。

4）石炭系中風化灰巖（C1y）：沉積成因，灰色，中風化，隱晶質結構，中厚層構造。裂面含炭，巖芯較完整，巖質較硬，裂隙稍發育，裂隙面一般較新鮮，巖石較完整，厚度大。

1.4 地質構造與地震

隧址區未發現明顯的不良地質構造。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001）的附件《中國地震動峰值加速度區劃圖》，地震動峰值加速度為0.05 g，不考慮遠震，隧道區地震基本烈度Ⅵ度，屬相對穩定地塊。

2 隧址區水文地質特征

隧址區地下水類型主要為第四系孔隙水、基巖風化網狀裂隙水及灰巖巖溶裂隙水，其補給、逕流、排泄條件主要受巖性及地形控制。各含水層富水性分述如下：

1）第四系孔隙水，主要賦存于殘坡積層中，分布范圍較廣，含水層厚度變化大，富水性弱，主要受大氣降水直接滲入補給。水位埋深為3.50～12.60 m，隨季節變化明顯。隧址區范圍內未見地下水露頭，地下水一般向溝谷鄰區逕流排泄。

2）炭質頁巖風化帶網狀裂隙水，主要賦存于炭質頁巖風化帶中，含水介質為基巖風化裂隙、層間裂隙及構造裂隙，含水性不均一，富水性受風化裂隙與構造裂隙控制，主要接受大氣降水及上部松散層孔隙水補給，順層間裂隙、構造裂隙向地勢相對較低處以間歇性下降泉的形式排泄，水位埋深在11.30～30.60 m，透水性較差。

3）灰巖巖溶裂隙水，主要賦存于炭質頁巖與灰巖的不整合接觸面、灰巖巖溶裂隙及溶洞中，富水性不均一，主要受地形、巖溶裂隙發育程度等控制，其水位埋深在16.1～42.60 m，屬中等—強富水性。隧道施工時，局部溶洞發育部位可能存在透水或涌水現象。

隧道進口段為斜向坡，據鉆孔揭露，仰坡表部為殘坡積粉質黏土，下伏基巖為強風化炭質頁巖，裂隙較發育，巖體極破碎，穩定性極差，仰坡進口段需進行加固后方可進洞。洞身段在ZK29～ZK44鉆孔揭露顯示以強風化灰巖為主，裂隙較發育，巖體較破碎，弱透水層，頂部若無支護易產生坍塌，可采用導洞或臺階分步開挖，二次復合支護。隧道出口段為斜向坡，仰坡表部為殘坡積粉質黏土，下伏基巖為中風化灰巖，風化巖體厚度較小，穩定性較差，需加固處理后方可進洞，見圖1、圖2。

圖1 左線隧道工程地質縱剖面

圖2 右線隧道工程地質縱剖面

在隧道左線ZK29和ZK36及右線LK1+540～LK1+610地段均有揭露灰巖溶洞。這些溶洞主要發育在炭質頁巖與灰巖的不整合接觸面上，富水性較強。為了對隧道涌水量進行合理地評價，需要求取水文地質參數含水層滲透系數K、影響半徑R。在勘察過程中，ZK29、ZK36鉆孔揭露巖溶裂隙較發育，鉆孔見水量大，故選擇對兩個孔進行抽水試驗。試驗結果見表1。

表1 抽水試驗成果

3 隧道涌水量預測與評價

3.1 隧道涌水量預測

根據隧址區水文地質條件，綜合考慮各種因素，采用大氣降水法和集水廊道法對隧道日平均涌水量進行分析預測。

1）大氣降水法。其計算公式為：

式中：α為大氣降水入滲系數，采用勘察報告中的取值0.2；F為集雨面積，按照隧道兩側各400 m計；P為降雨量，按當地年平均降雨量來計。

按α＝0.2，F=497 150 m2，P＝1.47 m計算，可得Q0=400.44 m3/d。

2）集水廊道法。集水廊道滲流量示意見圖3。

圖3 集水廊道滲流量計算方法

單寬滲流量計算公式見式（2）：

式中：k為滲透系數，根據抽水試驗統計平均值，k=0.123 m/d；H為含水層厚度，根據報告中地下水靜止水位平均值與隧道平均高程差值得到。h為隧道內水深，假設隧道內是干的，取h=0。L為橫向的影響半徑，根據計算得到。

積水廊道兩側的總流量計算公式見式（3）：

式中：q為單寬滲流量；L0為垂直于紙面的廊道縱向長度。

按L0=530 m，K=0.123 m/d，H=25.2 m，h=0，L＝88.73 m計算，可得Q=933.3 m3/d。

3.2 水文地質評價

隧址區地下水賦存于巖石節理裂隙中，主要靠大氣降水補給。由于裂隙多被充填，且向下漸閉合，淺層巖體透水性一般較強，深部巖體透水性一般較弱。淺埋地段洞身圍巖透水性較強，地下水易呈股狀或涌流狀流出。

場地內巖溶形態主要以溶洞為主，場地內ZK39發現鉆孔溶洞1處，發育深度在15.2～19.8 m，溶洞高4.6 m，溶洞內全部充填黏土，黏土呈軟塑狀；場地內ZK40發現鉆孔溶洞1處，發育深度在34.5～37.0 m，溶洞高2.5 m，溶洞內全部充填黏土，黏土呈軟塑狀。

根據鉆孔在進口段、洞身段、出口段的探查結果可知：LK1+540～LK1+610地段揭露有灰巖溶洞等不良地質現象，該區域灰巖富水性較強，施工過程中可能存在透水現象，根據抽水試驗成果預測的隧道地下水涌水量達到878.71 m3/d，是本區應重點防范透水地段。

3.3 地下水效應評價

場地基巖地下水主要賦存于基巖裂隙和巖溶溶洞中。根據本隧址區鉆孔揭露的基巖情況可以看到，基巖主要為灰巖和炭質頁巖，強風化頁巖一般節理裂隙發育，故一般為強透水層；中風化巖節理裂隙較發育或不發育，且多為閉合，一般為弱—微透水層。由于地形利于地下水排泄，故大氣降水后，滲入補給的地下水在幾天內會自然疏干。

隧道地層中炭質頁巖主要以大氣降水補給為主，水量較貧乏，弱富水，受地形地貌、地質構造、大氣降水周期及降水量控制顯著；灰巖裂隙發育，富水性較強。場地內隧洞底板標高在141.50～155.60 m，當地最低侵蝕基準面標高為130.10 m，隧道底板標高高于當地侵蝕基準面，有利于隧道開挖后的自然排水，只要做好隧道排水溝等設施，可以有效降低隧址區的地下水水位，不會對隧道底板起到頂托作用。

4 隧道施工建議

1）根據本隧道進口段的圍巖地質情況，建議進出洞口段加強洞頂的防護措施，防止冒頂片幫事故發生；施工時應注意及時排水，防止軟弱圍巖因浸泡時間過長而軟化，預防坍塌事故發生。

2）炭質頁巖與灰巖不整合接觸面部位巖石極破碎、巖溶較發育，可能存在坍塌、透水等事故隱患，尤其在LK1+540～LK1+610揭露有灰巖溶洞的地段。建議在加強鉆孔地下水水位動態觀測的同時，密切監測隧道內的地下水水壓和涌水量，采用超前探水、預疏干等預防措施，盡可能防止透水事故的發生。