瑯口隧道水文地質條件及涌水量分析

■吳圣增

（三明市沙縣區農村公路站，三明 365500）

伴隨著“十四五”規劃的穩步發展，我國高速公路和鐵路的里程數再創新高，進一步加大了地質條件復雜區域的隧道建設需求[1-2]。 特別是在我國西南地區，由高地應力、多雨水分布和復雜地形地貌帶來的復雜水文地質條件給隧道的安全建設帶來了巨大的挑戰，隧道突涌水問題也一直成為隧道建設過程中亟需解決的問題[3-4]。 為此，通過隧道突涌水預測以及超前地質預報防止突涌水災害發生的研究也逐漸成為國內外學者的研究熱點， 如傅洪金[5]在充分收集工程水文地質資料的基礎上，采用多種方法對施工過程中的隧道涌水量進行了預測； 趙曉峰[6]針對隧道掘進中出現的突涌水問題，提出了加強地質預報和整治措施的綜合預防策略。 本文以福建國道205 線瑯口隧道為例，圍繞隧道突涌水量預測及超前地質預報，針對性地提出了隧道突涌水防治處置方案，以保證后續施工的順利進行。

1 工程概況

國道205 線瑯口隧道位于福建沙縣，設計為左右分離式隧道。 其中左線隧道長2530 m，曲線半徑與縱坡降分別設計為1450 m 和1.35%， 設計起訖樁號范圍為ZK7+485～ZK10+015； 右線隧道長2546 m， 曲線半徑與縱坡降分別設計為1480 m 和1.35%，起訖樁號范圍為K7+450～K9+996，均為長隧道。 隧道全線采用四車道設計， 凈空尺寸設計為10.25 m×5.0 m，隧道全線主洞采用R-545 cm 規格的單心圓斷面， 單洞隧道凈空斷面面積達76.07 m2（包括仰拱），詳細尺寸如圖1 所示。

圖1 隧道主洞凈空斷面

2 水文地質條件

2.1 水文地質條件特征

隧址區沙縣屬亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫19°C，且晝夜溫差大。 氣候主要特點表現為夏冬分明，全年降雨充足（近3 年平均雨量為1544.2 mm），且主要集中在夏季（4—6 月），特別在每年7 月和8 月，多有暴雨，冬季受干燥冷季風的影響，11 月—下年2 月期間溫和少雨。 全年多以0～1 級靜軟風為主，4—6 月風向偏南，冬季風向偏北。

隧址區內地下水主要以大氣降水補充為主，局部補給源為沙溪水系。 因此區內地下水流量受季節降雨的影響較大，全年流量分布不均，以夏季洪期（4—6 月）最多，流量占比超全年的70%，冬季稍少。 隧址區內地下水以潛水的形式分布在花崗巖地層中，這是由于風化花崗巖層中大量存在節理裂隙給地下水的貯藏提供了便利條件， 除受大氣補給外，局部發育的沙溪地表水系也給地下水的補給提供了條件。 因此，隧道開挖施工時，應注意地下水位不僅隨季節和地勢的不同而變化，還會受施工過程中改變的地下水徑流條件影響，出現局部滲漏水的情況，此時隧道將形成新的局部排水基準。

雨季隧道施工時，有可能出現地表沙溪水沿巖層節理裂隙向隧道臨空面匯集的情況，應特別注意區域內地表水的排泄情況，以避免發生因地下水突涌而影響施工的事件。 隧道端口地勢較低，水文勘測期間， 隧道端口處溝谷內均分布有少量流水，現場測定流量為100～200 t/d。

利用現場布置的鉆孔， 開展地下水成分解析，詳細成分分析結果如表1 所示。 根據《公路工程地質勘察規范》中相關規定，本次地下水分析數據反映出隧道所在區域內地下水具有一定的微腐蝕性。

表1 地下水腐蝕性分析

2.2 水文地質分區

根據區域工程地質及水文地質條件，將瑯口左右分離式隧道，分別按左右線隧道起訖樁號里程進行水文地質分區，并對應給出水文地質評價，具體如表2、3 所示。

表2 右線隧道水文地質分區評價

表3 左線隧道水文地質分區評價

3 隧道涌水量預測

3.1 地下水動力學法

在初次水文地質勘察完成的C-SBZK8、CSBZK10 兩鉆孔內進行抽水試驗， 抽水過程使用空壓機。 測試設備主要有帶可導電測線的萬用表和三角堰計量器， 分別開展實時水位觀測和出水量測試。 考慮到本工程隧道穿越地層中地下水以潛水方法賦存， 因此選擇鐵路規范中的古德曼經驗計算式，具體可參閱《鐵路工程水文地質勘察規程》中附錄內容，計算公式如下：

式（1）中，Q 為單洞隧道計算涌水量（m3/d）；K為穿越含水地層滲透系數（m/d）；H 為含水體水位線至隧道等價圓中心的厚度（m）；d 為隧道等效直徑（m）；L 為隧道穿越含水地層的距離（m）。 詳細計算結果如下：K 為0.6 m·d-1，H 為197 m，d 為10 m，L 為19 m，Q 為3.2×103m3·d-1。可知，最大涌水量取計算涌水量的1.5 倍計算， 可推測本工程隧道單洞最大涌水量為4.842×103m3·d-1。

3.2 大氣降水入滲法

隧道沿線穿越節理裂隙發育的花崗巖地層，并且賦水地層內地下水的補給來源主要為大氣降水。綜合來看，地形溝谷、巖層節理裂隙、降水強度等多因素均不同程度影響含水層地下水的補給量。 因此，針對這類地表匯水面積大，主要補給受大氣降水控制的情況，可選用鐵路規范中的大氣降水入滲法計算公式進行隧道涌水量預測，具體可參閱《鐵路工程水文地質勘察規程》中附錄內容，詳細計算公式如下：

式（2）中，Q 為單洞隧道計算涌水量（m3/d）；α為地層入滲系數；A 為隧道集水面積（km2）；W 為區域年降雨量（mm）。 參考沙縣當地近3 年氣象水文資料，隧址區年降雨量取1688 mm，根據工程勘察資料，取匯水長度2546 m，匯水寬度800 m，入滲系數0.20。 詳 細 計 算 結 果 如 下：α 為0.20，A 為2.04 km2，W 為1688 mm，Q 為5.16×103m3·d-1。 可知，最大涌水量取計算涌水量的1.5 倍計算，可推測本工程隧道單洞最大涌水量為3.87×103m3·d-1。

綜上所述，以上2 種方法進行隧道最大涌水量預測，采用古德曼經驗法推測的隧道單洞最大涌水量為4.842×103m3·d-1；采用大氣降水入滲法推測所得隧道單洞最大涌水量為3.87×103m3·d-1。 兩者間有一定相差。 考慮到本工程所在區域主要受亞熱帶季風氣候影響，雨季洪期頻發，很容易受極端天氣影響含水層地下水補給，故建議工程實際參考古德曼經驗法預測值進行設計，即建議隧道單洞最大涌水量為4.842×103m3·d-1。

4 隧道突涌水預防策略及處置措施

4.1 地質預報

瑯口隧道穿越地層節理裂隙密集發育，隧道掘進施工過程中容易出現突涌水事故，為避免給隧道后續掘進施工帶來工程事故災害，應在隧道掘進施工中始終貫穿超前地質預報作業。 因本隧道穿越地段常存在工程地質與水文地質條件復雜多變的情況，在地質條件未探明前，不能盲目進行大規模的掘進施工。 應在明確工程勘察資料的基礎上，宏觀把控隧道穿越地層基本情況，主要包括不良地質發育以及地下水分布情況， 計算預測隧道涌水量，并根據風險程度對隧道進行分區評價，梳理預測隧道掘進施工中的潛在突涌水防范區域，并制定針對的地質預報方案和防治措施。

通過超前地質鉆探和包括地震波探測法（TSP）在內的現代物探等技術手段，詳細掌握隧道掘進過程中前方地層地質狀況， 在明確前方巖土體地層巖性、 結構構造以及地下水分布情況的基礎上，給后續掘進施工過程中防止突涌水災害提供基礎指導，從而保證隧道掘進的安全。本次工程施工中超前地質預報主要采用TSP 法進行，局部輔助采用地質雷達和超前探孔進行詳細探測。主要工作內容包括： 探測收集施工區域前方巖土體基本情況數據；結合地質數據進行風險評估，進一步對掌子面前方一定區域突涌水風險情況進行研判，并針對性給出處置措施。 本隧道工程超前地質預報工作具體情況如表4 所示。 TSP 現場布置位置如圖2 所示。

表4 瑯口隧道地質預報分級情況

圖2 TSP 現場使用示意圖

4.2 涌水突泥段處置施工

鑒于本工程隧道埋深較大， 最大埋深達358.5 m，且前期工程地質勘察顯示隧道穿越地層節理裂隙發育， 地下水補給量季節分布較大等因素，綜合評估隧道在掘進施工過程中可能存在局部突涌水的情況。 因此，針對這一問題，給出如下應對措施預案：（1）隧道掘進施工過程中應重視超前地質預報手段。 由于隧道穿越花崗巖地層普遍發育節理裂隙，且地下水補給來源豐富，具備較為復雜的工程地質及水文地質條件，采用超前地質鉆探和現代物探等方法，準確探明隧道前方地質條件，對隧道后續施工具有較大的安全指導意義；（2）針對超前地質手段已明確的潛在突涌水地段，若該段儲水量豐富且水壓較高，建議選擇帷幕注漿的方式對隧道全斷面進行強化，以全面封堵周圍含水體的滲漏運移通道，發揮較為可靠的工程防水效果。 全斷面防水帷幕加固處理后，再開展后續隧道的分布開挖作業；（3）針對超前地質手段已明確的潛在突涌水地段，若該段儲水量較小，建議選擇適當泄水降水壓的方法，即可通過局部鉆孔引流的方式，對前方含水體進行排水泄壓；（4）針對超前地質手段已明確的潛在突涌水地段，若該段為承壓性含水體，建議選擇從隧道襯砌角度考量，即選擇全封閉式隧道二襯結構或半封閉式二襯，可充分抵抗周圍巖層中較高水壓的情況， 達到保證隧道掘進施工安全的效果；（5）針對超前地質手段已明確的潛在突涌水地段，若該段為承壓性含水體，建議在地質探測鉆孔或錨桿鉆孔施工過程中， 考慮高壓水腔的突涌問題，建議在鉆孔開口處加裝安全穩定的鉆孔防突保護結構裝置，以保證超前鉆孔的施工安全。

4.3 處置效果

據現場TSP 和地質雷達結果， 隧道右洞K8+680.00 及左洞ZK8+350.00 為風化花崗巖地層，巖體波速偏低且波形異常（2450～2850 m/s），反映出該處圍巖破碎程度高，巖體質量差，另據工程地質勘察報告該地段處于節理裂隙發育帶（破碎帶寬30 m左右）。 綜合水文地質風險評估，判斷該地段圍巖自穩性差，存在局部坍塌及突涌水風險，提示隧道掘進過程中具有較大的涌水風險。

綜合前述處置措施預案，現場選擇局部鉆孔引流加上全封閉式隧道二襯結構相結合的處置措施，通過局部鉆孔使得前方潛在突涌水地段內水壓適當降低，采用全封閉式襯砌結構極大提高了抵抗周圍巖層中較高水壓的能力，從而保證隧道施工的安全。通過對現場設置檢查孔涌水量的測定（圖3），可以看出突涌水風險段實際涌水量降低了90%以上，部分檢查孔在處置施工后基本未見涌水、滲水。 因此， 現場采取的突涌水處置施工取得了較好的效果，可為今后類似工程問題提供參考。

圖3 現場檢查孔涌水量

5 結語

山區隧道建設不可避免需穿越復雜地層，加之補給豐富的地下水作用，極易在隧道掘進過程中出現突涌水災害。 為此，本文以福建瑯口隧道為依托，結合工程實際水文地質情況，選擇多種方法計算預測隧道涌水量，并在此基礎上對隧道各區段進行風險評估， 通過全面先進的地質鉆探和物探手段，給出包括超前地質預報和施工措施在內的隧道突涌水預防處置方案，從而準確預報隧道掘進施工中的突涌水災害，保證后續施工的順利進行。