劉軍偉

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 太原 030024）

1 工程概況

恒山隧道工程區(qū)位于渾源縣城東南約4 km，隧道進(jìn)口位于渾源縣大磁窯村東南，出口位于渾源縣東坊城鄉(xiāng)蘆子洼村附近，隧道位于二者之間的低中山區(qū)，隧道設(shè)計為分離式，左、右線洞徑均為10 m，左右洞線間距30 m，隧道總長5.17 km，隧道底板最大埋深290 m.隧道總體走向為N68.4°W.

2 地質(zhì)條件概述

根據(jù)隧道所經(jīng)地層巖性及其透水性、鉆孔巖芯及水文地質(zhì)測試結(jié)果、節(jié)理裂隙及斷層發(fā)育情況、地下水埋藏條件等情況，將恒山隧道分為6個水文地質(zhì)段，說明如下：

1）左線樁號 ZK84+150～ZK84+670（右線樁號 K84+150～K84+680）段

隧道所經(jīng)地層巖性主要為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O2x）灰?guī)r、泥灰?guī)r，之上為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t）泥巖、頁巖夾砂巖、灰?guī)r、煤層。洞頂圍巖厚20～80 m.在左線樁號ZK84+365（右線樁號K84+440）附近發(fā)育F43正斷層，斷面產(chǎn)狀N55°W/SW∠79°，與隧道呈小角度相交，斷距25 m，破碎帶寬度2 m，斷層延伸長度超過450 m.在左線樁號ZK84+670（右線樁號K84+680）附近發(fā)育F62推測逆斷層，斷面產(chǎn)狀：N5～15°E/SE∠85°，斷距約 70 m，破碎帶寬約 3 m.隧道多位于地下水位以下，一般地下水位高于洞底20～56 m.該段地下水類型主要為碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，水質(zhì)類型為HCO3-Ca型水，建議滲透系數(shù)為0.212 m/d.

2）左線樁號ZK84+670～ZK85+440（右線樁號K84+680～K85+460）段

隧道所經(jīng)地層巖性為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t）、上統(tǒng)山西組（C3s）泥頁巖、砂巖、礫巖及煤層。洞頂圍巖厚 32～140 m.在左線樁號 ZK84+790（右線樁號K84+780）附近發(fā)育F42正斷層，斷面產(chǎn)狀：N22～30°E/NW∠65°～80°，斷距25～35 m，破碎帶寬約4 m.在左線樁號ZK85+440（右線樁號K85+460）附近發(fā)育F29正斷層，斷面產(chǎn)狀：N30～60°W/NE∠81°～84°，斷距約 25～120 m，破碎帶寬6～18 m.隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底30～80 m.該段地下水類型主要為煤系地層碎屑巖類裂隙水，水質(zhì)類型為SO4-Ca型水，建議滲透系數(shù)為0.095 m/d.

3）左線樁號ZK85+440～ZK86+500（右線樁號K85+460～K86+470）段

隧道所經(jīng)地層巖性主要為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O2x）灰?guī)r、泥灰?guī)r，之上為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t）、上統(tǒng)山西組（C3s）泥頁巖、砂巖、礫巖及煤層。洞頂圍巖厚3～165 m，左線樁號在ZK85+850（右線樁號K85+900）段洞頂圍巖較薄，最薄處約3 m.在左線樁號ZK85+670（右線樁號 K85+690）發(fā)育 F31 逆斷層，斷面產(chǎn)狀：N40°W/NE∠36°，斷距約25～35 m，破碎帶寬約15 m，與隧道小角度相交。在左線樁號ZK85+780附近發(fā)育F35正斷層，斷面產(chǎn)狀：N40°～60°E/SE∠53°～72°，斷距約 90 m，破碎帶寬約 2 m.在左線樁號ZK86+000（右線樁號K85+950）附近發(fā)育F34逆斷層，斷面產(chǎn)狀：N82°E/SE∠60°，斷距約 20 m，破碎帶寬 2～5 m.在左線樁號ZK86+150～165（右線樁號K86+140～155）段發(fā)育F32逆斷層及F33逆斷層，兩斷層在該段互相切割，斷面傾向隧道出口方向，傾角約75°，破碎帶寬5～10 m，影響帶可能較寬。隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底10～140 m.該段地下水類型主要為碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，水質(zhì)類型為HCO3-Ca型水。該段為一斷層密集分布帶，可能產(chǎn)生突水、突泥現(xiàn)象。

4）左線樁號ZK86+500～ZK87+470（右線樁號K86+470～K87+450）段

隧道所經(jīng)巖體地層巖性為為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t）、上統(tǒng)山西組（C3s）泥頁巖、砂巖、礫巖及煤層。其上覆有侏羅系中統(tǒng)髫髻山組（J2t）凝灰?guī)r、凝灰角礫巖及安山巖。洞頂圍巖厚105～270 m.隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底50～235 m.該段地下水類型主要為煤系地層碎屑巖類裂隙水，水質(zhì)類型為SO4-Ca型水，建議滲透系數(shù)為0.114 m/d.

5）左線樁號ZK87+470～ZK87+880（右線樁號K87+450～K87+865）段

隧道所經(jīng)地層巖性為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組（J2t）凝灰?guī)r、凝灰角礫巖及安山巖。洞頂圍巖厚100～210 m.在左線樁號在ZK87+880（右線樁號K87+865）附近發(fā)育F22平移正斷層，斷面產(chǎn)狀：N40°～60°W/SW∠70°～90°，斷距較大，破碎帶寬5～8 m.隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底86～168 m.該段地下水類型主要為巖漿巖類裂隙水，水質(zhì)類型一般為HCO3-Ca型水，建議滲透系數(shù)為0.054 m/d.

6）左線樁號ZK87+880～ZK89+400（右線樁號K87+865～K89+400）段

隧道所經(jīng)地層巖性為白堊系下統(tǒng)蘆子洼組（K1l）紫紅色-棕紅色泥巖與灰黑色-灰紫色礫巖。洞頂圍巖厚6～90 m.在左線樁號ZK88+955（右線樁號K88+960）附近發(fā)育F60正斷層，斷面產(chǎn)狀：N73°E/SE∠70°。隧道多位于地下水位以下，地下水位高于洞底0～80 m.該段地下水類型為非煤系地層碎屑巖類裂隙水，水質(zhì)類型為HCO3-Na型水，建議滲透系數(shù)為0.053 m/d.

3 隧道涌水量分段計算

準(zhǔn)確預(yù)測隧道涌水量一直是國內(nèi)外隧道建設(shè)的難點，目前尚無成熟的方法?，F(xiàn)根據(jù)隧道區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行涌水量粗略估算。

恒山隧道均在基巖中穿過，根據(jù)賦水介質(zhì)水文地質(zhì)分區(qū)及構(gòu)造等，將隧道區(qū)大致分為6段，分別采用水平坑道涌水量計算法和降水入滲系數(shù)法兩種方法對其涌水量進(jìn)行預(yù)測。

3.1 水平坑道涌水量計算法

1）計算公式

根據(jù)隧道所在的水文地質(zhì)情況，采用《水文地質(zhì)手冊》中潛水非完整式水平坑道計算公式1［1］，對隧道各段涌水量進(jìn)行預(yù)測。

式中：Q—預(yù)測涌水量，m3/d；

B—隧道長度，m；

H1—由隧道左線路肩起算的含水層厚度，m；

H2—由隧道右線路肩起算的含水層厚度，m；

R1—隧道左線排水影響寬度，m；

R2—隧道右線排水影響寬度，m；

b—隧道寬度，m；

S—平均降深，m；

T—坑底至隔水底板距離，m；

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k—隧道圍巖滲透系數(shù)，m/d.

隧道排水影響寬度采用《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》中潛水含水層抽水試驗影響半徑計算公式進(jìn)行估算。

式中：R—排水影響寬度，m；

S—平均降深，m；

K—圍巖滲透系數(shù)，m/d；

H—含水層厚度，m.

2）參數(shù)選取及估算結(jié)果

隧道為雙向線隧道，假定二隧道間地下水貯存量已被抽完，隧道寬度b取值50 m，其它參數(shù)取值如下：各段隧道水平長度B（m）由各段樁號差求得；各段隧道左右線含水層厚度H1、H2（m）由橫剖面量取相對隔水層以上含水層；各段降深S（m）按水位降至洞底以下1 m控制。各段滲透系數(shù)根據(jù)各水文地質(zhì)分區(qū)中試驗數(shù)據(jù)，再考慮各段構(gòu)造發(fā)育情況給出建議值。計算示意剖面圖見下圖1，計算結(jié)果見表1.

圖1 計算示意剖面圖

表1 各段隧道參數(shù)取值及涌水量計算結(jié)果表

由表1計算結(jié)果可以看出，左線樁號ZK85+440～ZK86+500（右線樁號K85+460～K86+470）段為可能的涌水量最大地段，該段由于斷層發(fā)育還要考慮突水、突泥的可能性。采用水平坑道法計算隧道總涌水量約為23 787 m3/d.

3.2 降水入滲系數(shù)法

1）計算公式

隧道處于山區(qū)，大氣降水是其補(bǔ)給源，隧道涌水量與大氣降水入滲量有密切的相關(guān)關(guān)系，故采用隧道集水區(qū)入滲量近似估算隧道涌水量，計算采用降水入滲系數(shù)法。

式中：Q—計算涌水量，m3/d；

α—入滲系數(shù)；

ω—年降水量，mm；

A—隧道集水面積，km2.

2）參數(shù)選取及計算結(jié)果

入滲系數(shù)（α）：該隧道基巖大多裸露，地形條件變化較大，降水入滲系數(shù)主要受地形、巖性及構(gòu)造影響，隧道沿線入滲系數(shù)并不均勻。由于隧道段集水面積難以分段區(qū)分，故區(qū)段降雨入滲系數(shù)按一個值概括，根據(jù)大同市水資源調(diào)查評價資料，渾源縣多年平均入滲系數(shù)為0.18，從隧道區(qū)地形地貌條件分析，其基巖裸露、斷層構(gòu)造發(fā)育，地層巖性以砂頁巖及灰?guī)r為主，建議入滲系數(shù)按0.22考慮。年降雨量（ω）：根據(jù)大同市水資源調(diào)查評價資料，渾源縣1956～2000年多年平均降水量為408.2 mm.隧道集水面積（A）：從1/50000地形圖上量取，隧道區(qū)集水面積約41 km2.

根據(jù)上述參數(shù)取值，采用降水入滲系數(shù)法計算該隧道區(qū)涌水量為10 089 m3/d.

4 估算結(jié)果分析

由水平坑道法計算隧道區(qū)涌水量為23 787 m3/d，入滲系數(shù)法計算隧道區(qū)涌水量為10 089 m3/d，二者有一定差異。兩種方法計算結(jié)果與計算方法本身考慮因素及參數(shù)選取有關(guān)。

水平坑道法計算主要影響因素有：①將隧道區(qū)含水層近似視為均質(zhì)含水層，而隧道區(qū)含水層實際多為非均質(zhì)。②隔水底板的選取對估算結(jié)果影響較大。③隧道區(qū)各段滲透系數(shù)取值代表性的影響。

入滲系數(shù)法計算主要影響因素有：①只考慮降水補(bǔ)給量，未考慮原有含水層貯存量，從這個角度考慮其值偏小。②集水面積有一定人為誤差。③隧洞部分地段在降排水量大時有可能引起唐峪河水倒?jié)B，計算時未考慮這一因素。

兩種計算方法均存在一定誤差，總體上看，水平坑道法考慮了隧道區(qū)圍巖含水層的厚度、滲透性、水位變幅等因素，較入滲系數(shù)法更接近實際情況。在隧道設(shè)計及施工時建議隧道區(qū)涌水量采用水平坑道法的計算結(jié)果。

［1］地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊.水文地質(zhì)手冊［M］.北京：地質(zhì)出版社，1983：724.