李顯偉

長(zhǎng)大鐵路隧道水文地質(zhì)勘察中存在的主要問(wèn)題

李顯偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

由于勘察階段勘探和試驗(yàn)工作受限或不夠完善,影響到隧道涌水量預(yù)測(cè)的各主要因素難以準(zhǔn)確確定,從而導(dǎo)致隧道設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)涌水量不準(zhǔn)確,施工中突、涌水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,進(jìn)而嚴(yán)重地影響了隧道施工進(jìn)度及安全。以部分已施工隧道為例,對(duì)施工階段出現(xiàn)的問(wèn)題與勘察階段勘探和試驗(yàn)中各項(xiàng)工作完成的質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)對(duì)照分析,找出目前長(zhǎng)大隧道水文地質(zhì)勘察中存在的主要問(wèn)題,有助于今后有效進(jìn)行隧道水文地質(zhì)勘察,提高隧道涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,避免出現(xiàn)施工階段的補(bǔ)充勘察及二次設(shè)計(jì)。

鐵路隧道;長(zhǎng)大隧道;突涌水;勘探和試驗(yàn)質(zhì)量;水文地質(zhì)

1 概述

近年來(lái)鐵路建設(shè)中長(zhǎng)大隧道的突水、涌水風(fēng)險(xiǎn)明顯增加,隧道通過(guò)的構(gòu)造斷裂帶、巖溶發(fā)育區(qū)突水涌水等問(wèn)題比較突出[1]。隧道涌水的圍巖介質(zhì)以裂隙型和裂隙巖溶型為主要類型,其在滲透性能方面具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性和各向異性,其特征具體表現(xiàn)為突水方位不確定,突水量大,水壓力強(qiáng),涌水量衰減緩慢,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),嚴(yán)重影響著圍巖的穩(wěn)定,威脅隧道施工的安全,嚴(yán)重者造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。除這些難以準(zhǔn)確獲得的客觀水文地質(zhì)特征外,決定涌水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的主要人為因素就在于隧道的水文地質(zhì)勘察質(zhì)量和數(shù)量。我國(guó)西北地區(qū)設(shè)計(jì)施工的多條鐵路隧道均出現(xiàn)了不同程度的突、涌水現(xiàn)象,水量大大超出設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)水量,對(duì)隧道正常施工、工期要求、排水費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)等產(chǎn)生了重大影響。因而,在勘察階段,查明隧道水文地質(zhì)條件,為隧道設(shè)計(jì)提供可靠的水文地質(zhì)參數(shù),對(duì)減少隧道施工及運(yùn)營(yíng)階段安全風(fēng)險(xiǎn),降低經(jīng)濟(jì)損失意義重大。

2 水文地質(zhì)勘察中存在的主要問(wèn)題

從我國(guó)西北地區(qū)已建成和在建的秦嶺、東秦嶺、烏鞘嶺、北天山、中天山、關(guān)角、翠華山、西秦嶺等數(shù)十座工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件都非常復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道施工情況來(lái)看,長(zhǎng)大隧道水文地質(zhì)勘察中存在的主要問(wèn)題如下。

2.1 隧道勘探手段有限

隧道作為地下線性建筑物,具有很強(qiáng)的隱蔽性,要查明大埋深隧道洞身的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,目前最常用也最有效的方法就是鉆探。物探作為輔助手段,針對(duì)不同的勘察目的,在隧道勘察初期或在鉆探條件受限時(shí)采用。在隧道嶺脊埋深大的地段,受地形條件制約,勘探孔布置難度大而無(wú)法實(shí)施的情況較為多見(jiàn),如秦嶺、烏鞘嶺、北天山、中天山、關(guān)角、西秦嶺等埋深大的越嶺隧道都存在這種限制[2]。詳見(jiàn)表1。

表1 西北地區(qū)部分特長(zhǎng)越嶺隧道埋深數(shù)據(jù)

電測(cè)剖面法、高密度電法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、地質(zhì)雷達(dá)法及折射波法等多種物探方法,作為隧道工程地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)學(xué)研究不可缺少的一種手段和方法[3],雖能夠發(fā)揮一定的作用,但大于一定的深度,其準(zhǔn)確性亦受到影響,且目前其探測(cè)精度仍有待提高。表1中隧道埋深超過(guò)600 m時(shí),物探方法取得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性往往不佳。

目前,長(zhǎng)大隧道地質(zhì)勘察應(yīng)用綜合勘察技術(shù),即采用遙感、地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、綜合測(cè)井和試驗(yàn)等多種勘察手段密切配合,取得的地質(zhì)資料相互驗(yàn)證,取長(zhǎng)補(bǔ)短,但每一種勘察方法和測(cè)試手段都不可避免存在一些局限性或弊端,特別是隧道埋深大的地段,加上地形陡峻,植被茂密等因素疊加影響時(shí),難以采用有效的勘察手段,獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料。

另外,量測(cè)方法陳舊,準(zhǔn)確性相對(duì)較差,也會(huì)影響相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,如目前水文地質(zhì)勘察階段最常用的浮漂法測(cè)量地表水流量的方法,雖然方便易操作,但測(cè)量精度差,計(jì)算獲得的地下徑流模數(shù)值誤差較大。因而,基礎(chǔ)勘探手段和設(shè)備仍有待提高和改進(jìn)。目前國(guó)際上應(yīng)用的水平定向鉆探對(duì)勘察大埋深隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有很大的優(yōu)勢(shì),可以沿隧道軸線鉆進(jìn),是今后大埋深隧道勘察可選的方法,具有一定的應(yīng)用前景。

2.2 水文地質(zhì)勘探及試驗(yàn)孔數(shù)量不足

考慮經(jīng)濟(jì)因素,隧道工程水文地質(zhì)鉆探和試驗(yàn)往往是綜合利用工程地質(zhì)孔進(jìn)行,由于水文地質(zhì)試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng),在工期要求緊的情況下,亦不會(huì)選擇太多的鉆孔進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)。具體表現(xiàn)為:

2）長(zhǎng)沙地區(qū)年平均雷暴日演化過(guò)程中存在5～6年、13～14年的尺度周期變化規(guī)律。其中，5～6年左右的周期振蕩在1965—1980年表現(xiàn)明顯，1980年左右，5～6年的周期信號(hào)呈減弱趨勢(shì)，逐漸變?yōu)?3～14年的周期振蕩信號(hào)。

(1)鉆孔的位置大多根據(jù)工程地質(zhì)條件確定,鉆孔的位置不是水文地質(zhì)條件最典型地段或是富水地段,水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果不具代表性;

(2)鉆孔數(shù)量不足,由于隧道深埋,鉆孔深、成本高且工期長(zhǎng),只能布置少量鉆孔,因此不是每個(gè)富水段都有代表性鉆孔,因而缺少水文地質(zhì)參數(shù),無(wú)法采用地下水動(dòng)力學(xué)法等方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道涌水量。

我國(guó)在隧道勘察方面普遍存在這樣的問(wèn)題,西北地區(qū)部分在建和已建成特長(zhǎng)鐵路隧道鉆探和水文地質(zhì)試驗(yàn)工作量初步統(tǒng)計(jì)[4]見(jiàn)表2。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng),以及客運(yùn)專線、高速鐵路的建設(shè)要求,近兩年,我國(guó)隧道工程鉆探量及水文地質(zhì)試驗(yàn)孔數(shù)量已明顯提高,有利于控制隧道地質(zhì)、水文地質(zhì)特征的各種因素均能充分展現(xiàn)出來(lái),對(duì)隧道洞身附近構(gòu)造發(fā)育程度及充填情況的判斷也能夠盡可能地接近真實(shí)、準(zhǔn)確。

2.3 鉆孔巖芯鑒定的細(xì)致和準(zhǔn)確程度不夠

在西北已建成和在建的多座隧道施工中,普遍存在對(duì)構(gòu)造發(fā)育程度、充填情況、巖脈侵入情況的認(rèn)知有一定差異及局限性的問(wèn)題。由于鉆孔揭示的范圍和深度有限,在實(shí)際工作當(dāng)中常常難以避免這種問(wèn)題的產(chǎn)生,因此,加強(qiáng)鉆探巖芯鑒定的細(xì)致和準(zhǔn)確程度就顯得尤為重要。如南疆線中天山隧道2號(hào)斜井[5]在開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)中元古界片巖夾大理巖及閃長(zhǎng)巖,受構(gòu)造影響嚴(yán)重,節(jié)理、裂隙較發(fā)育—發(fā)育,節(jié)理張開(kāi)度在斜井內(nèi)量測(cè)大多達(dá)3 mm,為地下水的富集創(chuàng)造了良好的條件,最大涌水量達(dá)到14 600 m3/d,遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的4 486 m3/d。這是由于勘察階段受地面調(diào)查和鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)等多方面信息誤導(dǎo),對(duì)洞身閃長(zhǎng)巖巖脈及節(jié)理發(fā)育等因素的認(rèn)知不足,在斜井設(shè)計(jì)涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí),對(duì)含水層厚度、影響半徑取值偏小,導(dǎo)致預(yù)測(cè)的斜井正常涌水量和最大涌水量與實(shí)際涌水量有較大偏差。又如西南線東秦嶺隧道[6]設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)F5斷層帶為構(gòu)造裂隙富水帶,而實(shí)際開(kāi)挖時(shí)其為貧水帶。出現(xiàn)這種差異的主要原因,是由于F5斷層(平移斷層)為二級(jí)斷層,斷帶地表裂隙發(fā)育,且附近有泉水出露;斷層影響帶位于脆性石英巖中,石英巖節(jié)理裂隙發(fā)育,且多為張性節(jié)理。從工程安全綜合考慮,在設(shè)計(jì)階段,將F5斷層帶劃分為富水帶亦是合理的。但勘察中未能認(rèn)知到洞身位置F5斷帶碎裂角礫間多有泥質(zhì)充填,且裂隙多呈密閉狀,這一方面與鉆孔揭示范圍有限有關(guān),另一方面也與巖芯鑒定的細(xì)致程度有關(guān)。因而鉆探過(guò)程中鉆孔巖芯鑒定的細(xì)致和準(zhǔn)確程度十分重要,及時(shí)鑒定斷層帶及充填物質(zhì)、侵入體裂隙發(fā)育程度、可溶巖含量及溶隙、溶孔發(fā)育程度等地質(zhì)信息十分必要。

表2 西北地區(qū)部分已建和在建特長(zhǎng)隧道鉆探和水文地質(zhì)試驗(yàn)工作量統(tǒng)計(jì)

2.4 洗孔不徹底

《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》[7]規(guī)定基巖中宜采用清水鉆進(jìn),實(shí)際情況是幾乎所有的鉆探均采用泥漿鉆進(jìn),深孔歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng),一般情況超過(guò)7 d孔壁泥皮就開(kāi)始硬化,時(shí)間越長(zhǎng)洗孔越困難。如東秦嶺特長(zhǎng)隧道4號(hào)鉆孔[8],孔深348.73 m,泥漿鉆進(jìn),歷時(shí)206 d。每個(gè)階段只做一次二氧化碳洗孔。第一階段抽水試驗(yàn)(0～200 m)降深S=72 m,出水量Q=22.20 m3/d;第二階段抽水試驗(yàn)(200～348.73 m)降深S=144.2 m,出水量Q=15.90 m3/d。從抽水試驗(yàn)結(jié)果看,由于該孔洗孔不徹底,出現(xiàn)水位降深越大,出水量卻減小的現(xiàn)象,從而引起計(jì)算的滲透系數(shù)K值比實(shí)際值偏小,造成巖體富水性的劃分不準(zhǔn)確,從而對(duì)隧道的涌水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生了一定的影響。

由此可見(jiàn),水文地質(zhì)試驗(yàn)前的洗孔質(zhì)量是影響隧道涌水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的又一關(guān)鍵因素,在以后的工作中應(yīng)引起重視。

2.5 水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果受人為因素的影響大

水文地質(zhì)試驗(yàn)是取得必要水文地質(zhì)參數(shù)和了解地下水運(yùn)移規(guī)律的重要手段,是以鉆孔或水井為平臺(tái),評(píng)價(jià)含水層的水文地質(zhì)特征、富水程度和透水性。隧道勘察中常用的水文地質(zhì)試驗(yàn)包括抽水、注水、壓水、提水和連通試驗(yàn)等,其中,抽水試驗(yàn)是最主要、最常用的手段,抽水、注水、壓水均有較成熟的方法和計(jì)算公式;而提水試驗(yàn)人工操作動(dòng)水位難以控制,不易達(dá)到穩(wěn)定,當(dāng)水位較深時(shí),測(cè)定動(dòng)水位時(shí)間長(zhǎng),精度差。結(jié)合多年水文地質(zhì)勘察實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)隧道工程水文地質(zhì)試驗(yàn)有以下幾點(diǎn)建議。

(1)水文地質(zhì)試驗(yàn)應(yīng)以抽水試驗(yàn)為主,當(dāng)沒(méi)有抽水條件時(shí),可采用注水或壓水試驗(yàn),盡量不做或少做提水試驗(yàn)。在下發(fā)鉆探任務(wù)書(shū)時(shí)就應(yīng)明確規(guī)定。個(gè)別鉆機(jī)組有時(shí)為圖省事不帶抽水試驗(yàn)設(shè)備,總想以簡(jiǎn)單的提水試驗(yàn)代替抽水試驗(yàn),配合人員應(yīng)堅(jiān)持原則。

(2)當(dāng)水位很深并且水量很小時(shí),可進(jìn)行提水試驗(yàn),但宜采用《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》條文說(shuō)明中介紹的定降深法,否則動(dòng)水位難以穩(wěn)定,會(huì)給水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算帶來(lái)困難。

(3)水文地質(zhì)試驗(yàn)中,應(yīng)進(jìn)行必要的觀測(cè)和測(cè)試工作,取得更多的基礎(chǔ)資料信息。如襄渝線新麒麟隧道麒Z-2號(hào)孔[10],地層主要以寒武系及志留系下統(tǒng)云母石英片巖為主。該孔地下水類型為構(gòu)造裂隙水,孔內(nèi)水呈自流狀態(tài),當(dāng)水位高出地面a=1.58 m時(shí),觀測(cè)自流量Q=442.54 m3/d;當(dāng)水位高出地面b=4.15 m時(shí),自流量Q=228.00 m3/d。經(jīng)計(jì)算,推測(cè)靜止水位ΔH=6.881 m,滲透系數(shù)K=5.631 m/d,影響半徑R= 223 m。從這些數(shù)據(jù)可以看出,該孔自流量和滲透系數(shù)之大,在基巖中是很少見(jiàn)的。但是,該孔未進(jìn)行水文測(cè)井,無(wú)法判斷出水的具體位置,難以分析含水巖體與隧道的關(guān)系。同時(shí),該孔也未測(cè)定水溫,如果測(cè)定了水溫,可根據(jù)增溫率推測(cè)構(gòu)造裂隙水運(yùn)移和補(bǔ)給的深度。因而,初見(jiàn)水位、穩(wěn)定水位、水溫、水量測(cè)量及水文測(cè)井等觀測(cè)和測(cè)試工作在隧道水文地質(zhì)試驗(yàn)中均需認(rèn)真對(duì)待,缺一不可。

(4)正確選擇抽水試驗(yàn)類型。由于泥巖等相對(duì)隔水的基巖地層中地下水出水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上部第四系松散層含水層,所以混合抽水會(huì)大幅度抵消上部松散層的滲透系數(shù)值,因而應(yīng)根據(jù)分層抽水試驗(yàn)取得的不同類型含水層的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù),來(lái)進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測(cè),結(jié)果才會(huì)符合實(shí)際情況。如寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道采用“V”形坡[11]通過(guò)約3.3 km籍河河谷區(qū)強(qiáng)富水粗圓礫土、卵石土含水層,補(bǔ)充定測(cè)階段專門(mén)采用了分層抽水試驗(yàn),查明了松散層中的滲透系數(shù)K值范圍在38.60～68.06 m/d,而不是定測(cè)階段混合抽水取得的5.48～30.35 m/d,合理地預(yù)測(cè)了隧道涌水量,優(yōu)化了隧道“V”形坡和輔助坑道方案,降低了施工階段隧道發(fā)生突涌水災(zāi)害的可能性。

3 結(jié)語(yǔ)

隧道圍巖涌水現(xiàn)象本身的復(fù)雜性和人們研究能力的局限性,使得地面調(diào)查及勘探資料與地下深處的巖體特征有所差異,因而隧道涌水量預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確也是難以避免的。但對(duì)于隧道工程水文地質(zhì)勘察工作,目前能夠做到并且需要完善如下幾點(diǎn):

(1)認(rèn)真全面做好隧道地面地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查、測(cè)量和分析工作,保證基礎(chǔ)勘察資料真實(shí)、可靠;

(2)勘探孔的布置要合理,勘探量能夠達(dá)到最大可能地揭示隧道重要的構(gòu)造特征、不同巖性接觸帶和富水帶位置的需要為宜;

(3)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn),洗孔質(zhì)量是保證巖體富水性劃分準(zhǔn)確性的基礎(chǔ);

(4)積累經(jīng)驗(yàn),不斷學(xué)習(xí)交流,掌握不同隧道突涌水原因,綜合分析隧道區(qū)各種因素,合理選擇適合隧道情況的參數(shù)進(jìn)行涌水量計(jì)算,并在以后的工作中強(qiáng)化隧道水文地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和實(shí)際涌水量的統(tǒng)計(jì),驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果,并修正模型參數(shù),以提高涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性;

(5)結(jié)合隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào),進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),及時(shí)跟蹤,不斷完善隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果。

[1] 何發(fā)亮,李蒼松,陳成宗.巖溶地區(qū)長(zhǎng)大隧道涌水災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2001(5):21-23.

[2] 畢煥軍,孟祥連,李響,等.長(zhǎng)大隧道涌水量預(yù)測(cè)主要影響因素的分析研究[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.

[3] 黃春峰.合武鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1):47-50.

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[5] 熊敏才.中天山特長(zhǎng)隧道涌水量預(yù)測(cè)差異分析[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.

[6] 李顯偉.東秦嶺特長(zhǎng)隧道涌水量預(yù)測(cè)差異分析[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.

[8] 許貴.東秦嶺特長(zhǎng)隧道平行導(dǎo)坑施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)總報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2002.

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[10]賈云翔.襄渝線新麒麟隧道水文地質(zhì)報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2005.

[11]李顯偉.渭河隧道水文地質(zhì)條件分析對(duì)“V”形坡設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化與施工建議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(12):90-94.

Analysis on Main Problems in Hydrogeology Investigation Stage for Long and Large Tunnels

LI Xian-wei
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

If the exploration and experimental works in investigation stage are limited or not perfect,it will be difficult to accurately determine the main factors which affect the tunnel water inflow prediction; and consequentially this will make the water inflow prediction in tunnel design stage inaccurate,resulting in water inrush or water inflow hazards occurring in tunnel construction stage from time to time,and posing a serious threat to the tunnel construction progress and safety.To solve this problem,in this paper,some of the under-construction tunnels were taken as the examples,and then a detailed comparative analysis was carried out,between the problems existing in construction stage and the relevant exploration/experiment work qualities completed in investigation stage.As a result,the main problems existing in hydrogeology investigation stages for long and large tunnels have been found out in this study. This study can be useful for making an effective hydrogeology investigation in future,improving the accuracy of tunnel water inflow prediction,and therefore avoiding supplementary investigation and design alteration in construction stage.

railway tunnel;long and large tunnel;water inrush and water inflow;quality of exploration and experiment;hydrogeology

U452.1+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.019

1004-2954(2014)04-0083-04

2013-11-26;

2013-12-23

李顯偉(1970—),女,高級(jí)工程師,1992年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),工程碩士,E-mail:xwli.163@163.com。