奧陶系碳酸巖地層隧道水文地質特征及其影響分析

鄒福林，許崇幫，楊香英，周幸宇

(1. 中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037；2. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；)

0 引言

奧陶系碳酸鹽巖地層在我國北方分布十分廣泛，是我國煤炭[1-5]、石油、石膏[6-9]等礦產能源的主要賦存地層，如山西的煤礦、陜西的石油礦等；同時，由于奧陶系碳酸巖地層賦存于地殼淺層，該地層成為了我國隧道工程及地下工程設施建設的主戰場之一。奧陶系地層沉積成巖時間短，地層巖性多變，易受地質活動影響，該套地層常呈現出較為復雜的地質環境，致使隧道工程在穿越該層時常面臨隧道軟巖大變形[10-14]、巖溶塌方[15-16]、突泥涌水[17-18]、瓦斯突出等重大安全問題。

地下水的存在是導致此類工程問題的主要原因，如富水環境下松散巖體常導致隧道發生突泥涌水、地下水匯集溶洞時易發生突水、膨脹巖層在地下水作用下易誘發膨脹變形和襯砌失穩、軟巖在地下水作用下易發生軟化造成圍巖失穩等。此次依托工程所處的南呂梁山為該套地層的典型代表，南呂梁山中廣泛分布煤礦及采空區[19]，并且該區域內形成了面積2 250 km2的龍子祠泉域[20]，且石炭紀地層與奧陶紀地層夾多層泥質頁巖的碳酸鹽巖形成了非可溶巖和可溶巖(碳酸鹽巖)穿插型接觸的地質結構[21]，而該類型穿插接觸帶的工程特性的認識還有待深入[22]。因此，在該奧陶系地層修建隧道時需要高度重視地下水的發育狀況，判斷該地段在地下水作用下對隧道的潛在的工程風險。

本研究依托某特長奧陶系碳酸鹽地層隧道工程，從區域水文地質調繪、隧址區地表水調查、地下水補給關系測試、隧道地下水出露情況調查及隧道病害統計分析等角度，綜合分析了該類地層中隧道的工程水文地質特征，及其對隧道結構設施長期安全性的影響。

1 依托工程概況

依托工程某山嶺隧道位于山西境內呂梁山域內，隧道長約10.3 km，最大埋深約550 m。隧址區屬構造侵蝕-剝蝕基巖山區地貌區，地表總體以一定的坡度向東西兩側傾斜，沖溝發育；隧道穿越奧陶系碳酸巖地層，地下水較豐富，地質構造發育，使得隧道建造過程中圍巖誘發了軟化、膨脹等工程問題，導致隧道結構出現了襯砌開裂、邊墻內擠、滲漏水等現象。

1.1 地層巖性

隧道上覆巖層自上而下依次是第四系、二疊系和石炭系及奧陶系地層，隧道洞身位于奧陶系中統地層中。隧道縱向洞身交替穿越奧陶系中統峰峰組(O2f1)和上馬家溝組(O2s3)巖層，各組巖層呈近水平狀，向出口方向傾斜。其中K97+300～K100+250和K104+200～K106+500為峰峰組(O2f1)，K100+250～K104+200和K106+500～K108+000為上馬家溝組(O2s3)。在K102+952、K102+184發育有F34與F8斷層，兩區段間隧道線位基本位于峰峰組(O2f1)和上馬家溝組(O2s3)的地層分界線上。其中，上馬家溝3段(O2s3)為中厚層狀灰巖夾白云質灰巖及白云巖為主(在隧道K100+396.5～K104+184揭露)，局部地區存在角礫狀泥灰巖夾層。峰峰1段(O2f1)整體呈現以兩層灰黃色薄層泥灰巖夾一層灰巖特征，下層泥灰巖厚11～59 m，上層泥灰巖厚22～52 m，中間灰巖夾層厚5～10 m(分布于K98+000～K100+396.5)，且兩層泥灰巖均為含石膏層位，如圖1所示。

圖1 地層巖性

1.2 地質構造

隧址區發育3處褶皺構造、2處斷層構造，其中，S1向斜在地表與線路相交于K95+819附近，走向約為N10°E。兩翼傾角8°～26°，核部地層為二疊系上石盒子組灰巖，區內延伸約22 km，是隧道區的主體向斜構造。S2背斜在地表與線路相交于K100+169附近，走向N10°～25°E，兩翼傾角為5°～18°，核部地層出露二疊系下石盒子組地層，區內延伸約10 km。S3向斜在地表與線路相交于K105+444 附近，走向N25°E，兩翼傾角約15°；F8正斷層在地表與隧道線位約呈60°相交于K102+184，斷層走向N15°～20°W，傾角約65°，區內長度約3.5 km；F34斷層與隧道線位直交于K102+952，傾角約80°，斷層破碎帶寬約35～50 m。

1.3 水文地質條件

隧址區屬呂梁山南段水文地質單元，呈現低中山區水文地質特征，地下水區域流向為南偏東向；地表徑流條件較好，大氣降水多沿裂隙下滲，為下伏的淺表基巖裂隙水補給。隧道洞身處地下水類型主要為裂隙-巖溶水，地下水賦存于各類基巖的風化帶及構造裂隙中，地下水位及水量隨季節變化顯著。

此外，項目區域經歷過多次構造運動，形成系列復式褶皺、斷裂，彼此互相交錯，互相重疊，從而形成極其復雜的構造體系，其中，隧道區即位于由紫荊山斷裂和羅云斷裂所控制的復式向斜構造帶內，自身構成了本區獨立的水文地質單元。

1.4 氣象條件

隧址區屬暖溫帶半干旱季風氣候，四季分明，晝夜溫差大。春季少雨多風，冷暖多變；夏季暖熱多雨，氣溫穩定；秋季天高氣爽，降溫急促；冬季氣候寒冷，降雪稀少，氣溫變化緩慢。隧址區多雨年降水量550～600 mm，少雨年300～400 mm，徑流深25～50 mm。年平均氣溫在6～19 ℃。

1.5 隧道滲漏水情況

經對隧道內滲漏情況調查，隧道內部滲漏水點共計53處。根據流速將滲漏水狀態分為4類[12]，分別為滴水、滲潤、流水、噴水，統計分析如圖2所示，典型滲漏水點的特征如表1所示。

圖2 滲漏水狀態統計

由圖2和表1可知，隧道內滲漏水狀態以滲潤為主，1個測點為噴水，其最大流速為1 374 mL/min。

表1 滲漏水特征統計

2 地下水流通補給路徑分析

2.1 宏觀補給路徑

根據地勘資料可知，隧道洞身段埋深較大，其中奧陶系地層第四系、二疊系和石炭系地層，且奧陶系地層頂部鋁質泥頁巖、粉砂巖、泥巖和石英砂巖等致密巖層，厚度約40 m，具有良好的隔水性能。因此，奧陶系碳酸巖地層裂隙-巖溶水在上覆基巖裂隙水補給時，受上覆隔水地層中構造裂隙的發育程度所控制。在構造裂隙發育處基巖裂隙水可直接對裂隙-巖溶水進行補給；若構造裂隙不發育時，地下水則沿隔水層進行流動，并流至地質斷裂帶處再向下補給裂隙-巖溶水。

2.2 地表水補給關系測試

隧址區沿線地表有多處地表水徑流或水體，為查清地表水對隧道地下水的補給路徑，采用無污染的熒光素鈉和RQT增白劑作為示蹤劑，對兩者的補給關系進行了調查測試。

(1)示蹤劑投放點確定

在對地下水補給關系測試前，對示蹤劑投放點進行現場踏勘篩選，綜合地表水源點勘察成果與地質構造、地層巖性的分布規律，確定示蹤劑投放點如表2所示。

表2 示蹤劑地表投放點

(2)示蹤劑接收點

示蹤劑接收點采用單點投放多點接收的方式，對隧道內滲漏水點位進行定期采集和檢測，通過示蹤劑熒光信號標定補給關系，其中采集到示蹤劑熒光信號的漏水點如表3所列。

表3 明顯檢測到示蹤劑的接收點

示蹤劑投放點與接收點如圖3所示。

圖3 示蹤劑投放點與接收點

(3)示蹤劑測試結果

選用FluoroQuik便攜式示蹤熒光儀對水樣的熒光度進行檢測，經多次檢測對比，確定示蹤劑投放點與隧道內滲漏點補給關系如表4所列。

表4 示蹤劑投放點與隧道內滲漏點補給關系

綜合繪制地表水源對隧道內滲漏水的補給路徑如圖4所示。

圖4 地表水對滲漏水的補給關系縱斷面

由圖3和圖4可見:

(1) 地表水對地下水的補給關系受地質構造控制與制約。其中褶皺構造的影響尤為顯著，如水源T12點對Z1，Z2，Y1，Y2的補給，其次是斷層構造，如水源T3，T8，T9對Y5，Y6，Y7點的補給。

(2)根據示蹤劑投放點與接收點的平面關系，隧址區地下水整體流向為自北向南流通，與區域地下水流通主體方向基本一致。

3 地下水對隧道長期穩定性影響

3.1 隧道滲漏水與襯砌病害關聯性

根據隧道病害段落和隧道滲漏水點的統計如圖5所示，81.13%的滲漏水點分布在隧道病害段落。

圖5 滲漏水點與隧道病害處治段的關系

3.2 軟巖段地下水的影響

隧道軟巖區段主要為泥灰巖和膏溶角礫巖，這兩類巖具有明顯的遇水膨脹軟化如表5所示，其中，在水作用初期存在一定膨脹力，膨脹力可達為800 kPa和350 kPa。

表5 隧道軟巖力學參數

因此，此類區段隧道圍巖在無地下水作用時，能夠保持較好的完整性，且具有一定的自承載能力；而在地下水作用下圍巖發生膨脹軟化，圍巖對支護結構額外施加了0.35～0.8 MPa的膨脹荷載。同時，受圍巖軟化作用其強度降低、承載能力降低，造成隧道承擔荷載增加大幅增加，從而導致隧道仰拱隆起、襯砌開裂。

3.3 石膏巖段地下水影響

隧道石膏質巖段除圍巖自身的軟化膨脹特性外，在地下水作用下還釋放出硫酸根離子如表6所示，經測試滲漏水中硫酸根離子濃度最大可達1 692 mg/L。這些硫酸根離子滲入到混凝土中和水泥的水化產物發生反應，生成具有膨脹性的侵蝕產物，在低溫條件(小于15 ℃)時，容易產生碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕，造成混凝土泥化喪失承載能力，襯砌混凝土出現開裂、剝落，并且由于混凝土腐蝕一般最初發生于混凝土與圍巖交界面處，具有較強的隱蔽性。

表6 滲漏水水質檢測成果

綜上可見，地下水對隧道支護結構的影響與隧道圍巖巖性密切相關，在軟巖條件下地下水易導致圍巖軟化隧道襯砌荷載增加，致使隧道襯砌發生開裂、隧道底部隆起等；石膏質巖段隧道襯砌結構在地下水作用下容易誘發混凝土腐蝕，該類病害具有隱蔽性強、危害性大的特點。

4 結論

(1)奧陶系碳酸巖地層隧道地下水總體上以地表降水補給、沿地質構造流通匯集為主，地下水發育狀況是受區域水文地質主導和局部地質構造控制。

(2)地下水對隧道支護結構的影響，受隧道圍巖巖性控制，軟巖條件下易導致圍巖軟化隧道襯砌荷載增加，致使隧道襯砌裂損。

(3)在石膏質巖段隧道襯砌結構在地下水作用容易誘發混凝土腐蝕，該類病害具有隱蔽性強、危害性大的特點。