周彥杰 張志發(fā)

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

某鐵路隧道涌水量預測分析與防護措施研究

周彥杰 張志發(fā)

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

結合某鐵路隧道工程實例，在對隧址區(qū)的地形地貌、巖性、構造及水文地質特征綜合分析的基礎上，通過現(xiàn)場抽水、壓水試驗獲得各段落圍巖體的滲透系數(shù)，運用地下水動力學、經驗公式等方法，對隧道的正常涌水量和最大涌水量進行計算預測，提出了設置排水通道，加強監(jiān)控量測等防護措施。

水文地質 涌水量 預測 護措施

隧道涌水是工程建設中常見的地質問題和安全隱患，嚴重的涌水常常危及到隧道施工及后期運營安全。據(jù)統(tǒng)計，目前我國鐵路隧道近6 000座，其中約40%的隧道存在著不同程度的涌水或滲漏水[1-3]，影響了鐵路的正常運營。因此，加強對隧道涌水災害的預測及防護研究，對于保證隧道工程質量，保證鐵路安全運營，以及提升鐵路建設水平，均有十分重要的現(xiàn)實意義。有關涌水量預測研究已經有近半個多世紀的歷史，近幾十年來，隨著鐵路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，無論研究的深度和廣度都有了很大的拓展，許多學者和工程技術人員曾提出和發(fā)展了很多方法[4]。

結合某鐵路隧道工程的地質情況，將水文地質分析與隧道涌水量計算相結合，對隧道進行涌水量計算預測并提出防護措施，為隧道設計、施工提供理論依據(jù)。該隧道是某改建鐵路雙線取直工程的一個重點工程，隧道進出口均位于山坡上，植被稀少，基巖裸露，坡度40°～60°，隧道全長11 360 m，最大埋深約240余m，為雙線單洞隧道。隧道穿過多條大型斷層，且隧址區(qū)水文地質條件較復雜，隧道穿越該類地層時，極大可能會遇到較大規(guī)模涌突水，會對工程帶來不利影響。因此，對隧道開挖涌水量進行計算預測和分析研究十分必要。

1 隧址區(qū)地質概況

1.1 地形地貌及地層

隧道位于內蒙古高原向松遼平原的過渡地段，屬構造剝蝕中低山地貌，地勢總體東北高，西南低，地形起伏較大，山勢陡峻，高差懸殊，隧道頂部大部分被第四系覆蓋，偶有基巖出露，山勢陡峭，地形崎嶇復雜，局部多懸崖陡坎。區(qū)內沖溝發(fā)育，溝谷狹窄，切割強烈，谷底可見礫石塊石，谷坡植被茂密，基巖零星出露。隧道所經山脈絕對高程一般在1 115～1 300 m之間，最高點(DK494+200.0附近)高程為1 342 m，隧道最大埋深246 m。

隧道范圍穿越地層較復雜，進口為第四系上更新統(tǒng)坡洪積粗角礫土，洞身范圍經過的主要地層為二疊系哲斯組上段砂巖、燕山期晚期花崗巖、侏羅系土城子組細砂巖、侏羅系滿克頭鄂博組砂巖，出口為二疊系哲斯組上段砂巖。山澗溝谷底部多有第四系上更新統(tǒng)坡洪積新黃土、粗角礫土、粗圓礫土，進出口及村莊附近堆積有第四系全新統(tǒng)人工堆積層，出口地表覆蓋厚度較大。隧道工程地質剖面見圖1。

圖1 隧道工程地質剖面

1.2 地質構造

隧址區(qū)大地構造上位于內蒙古中部地槽褶皺系，自陰山向東延伸部分的北側，大興安嶺南端， 為陰山東西向復雜構造帶和大興安嶺隆起帶的交界處，板塊位置屬晚古生代陸殼增生區(qū)的碰撞消減地帶。區(qū)域內以北東和東西向構造為主，西拉沐倫近東西向的斷裂帶，對該隧道地質體具明顯的控制作用。受區(qū)域構造作用的影響，區(qū)域內發(fā)育的褶皺和斷裂大多以東西向和北東向形跡為主，斷層大多呈陡傾狀，走向大多與背斜一致。在強烈的褶皺造山運動及第四紀冰川作用下，區(qū)域發(fā)生多期花崗巖侵入活動，較老的侏羅系和二疊系地層在侵入過程中發(fā)生區(qū)域熱變，形成變質砂巖。

通過野外地質調繪，結合區(qū)域物探、鉆探成果資料，發(fā)現(xiàn)工程建設區(qū)內存在有多處較大規(guī)模的斷裂構造，隧道穿越的構造破碎帶主要有以下幾段。

DK493+100～DK493+650段：分布逆斷層F4，F(xiàn)4-1，斷層影響寬度35～50 m，巖性為二疊系哲斯組砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈塊及碎塊狀。物探判釋結果顯示該段電阻率較低，等值線橫向不連續(xù)，在DK493+510附近電阻率呈自上而下的低阻條帶。

DK495+550～DK495+700段：分布逆斷層F5，影響寬度約50 m，巖性為侏羅系土城子組細砂巖及礫巖，巖石節(jié)理發(fā)育，塊石狀結構，局部破碎嚴重。物探顯示該段存在明顯電性界面，且等值線陡直密集，電阻率變化較大。

DK495+860～DK495+980段：分布逆斷層F5-1，影響寬度約50～60 m，巖性為為變質砂巖與花崗巖分界面，上覆第四系沖洪積卵石土、洪積碎石土及黃土，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎嚴重。根據(jù)物探成果資料，該段電阻率較低，等值線向小里程深部扭曲，推測存在匯水通道；在DK495+875附近電阻率變化劇烈，存在明顯電性界面。

DK496+900～DK497+100段：分布正斷層F5-2，影響寬度約40 m，隧道圍巖為燕山期淺肉紅色花崗巖，坡腳覆蓋第四系薄層坡積黃土，巖體較破碎，呈碎石狀結構，物探成果揭示該段分布有低阻異常帶。

DK501+050～DK501+330段：分布正斷層F6，影響寬度約70 m，斷層帶出露寬度大于1.5 m，發(fā)育有斷層泥，巖性為變質砂巖，產狀為95°∠78°，與隧道距離90～300 m。該段電阻率值較低，而且等值線變化劇烈。斷裂帶內巖石破碎，節(jié)理密集發(fā)育，局部節(jié)理裂隙面扭曲變形。

2 水文地質特征分析

2.1 地表水特征

隧址區(qū)充水來源主要為大氣降水，冬季地表為冰雪覆蓋，夏季冰雪融水及大氣降水順溝谷匯集，向下滲入隧道。在雨季，由于隧址區(qū)地形陡峭，巖土體易受到季節(jié)性降雨的沖刷發(fā)育沖溝，沖溝雨季常年流水，水量受大氣降水影響，呈季節(jié)性變化。根據(jù)1∶10 000地質調查，在隧道中線兩側1 km范圍內調查發(fā)現(xiàn)十余處泉水及供水井點，泉水流量一般0.5～2 L/min，大多為下降泉。沖溝內有多處泉水出露，其補給來源主要為第四系松散含水層潛水和基巖裂隙水。

2.2 地下水的賦存與分布

根據(jù)地下水賦存條件的不同，區(qū)內地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，少量為構造裂隙水。

第四系孔隙潛水主要賦存于隧道進、出口及洞身溝谷或山坡上第四系松散堆積物中。地下水呈層狀分布，水位、水量隨季節(jié)氣候變化而變，雨季水量較大，干旱季節(jié)水量較少；基巖裂隙水分布于隧道大部分地段，主要賦存于砂巖和花崗巖風化裂隙中。由于巖體存在不均勻風化現(xiàn)象，導致基巖裂隙發(fā)育，遇到降水入滲，容易在巖體風化帶內形成囊狀富水帶，局部水量較大。在區(qū)域斷裂構造附近，由于斷裂帶附近裂隙比較發(fā)育，容易形成富水構造。隧址區(qū)基巖裂隙水呈層狀、脈狀分布，主要接受大氣降水補給及第四系孔隙水的補給，地下水位隨季節(jié)變化幅度明顯；構造裂隙水主要分布在隧道洞身斷層破碎帶地段，地下水呈脈狀、透鏡狀分布，其富水性較弱，一般受大氣降水補給，隨季節(jié)氣候動態(tài)變化。

隧址區(qū)徑流條件良好，地下水排泄方式主要有為蒸發(fā)排泄和地下徑流排泄，地下徑流為其主要排泄方式。

3 隧道涌水量預測及分析

3.1 隧道涌水量計算方法[5-8]

在總結國內外有關隧道涌水預測計算的基礎上，在實用，可行的前提下，遵循相關國家標準、規(guī)范，運用地下水動力學和經驗公式等方法，對隧道涌水量進行預測計算。

(1)柯斯嘉科夫計算涌水量理論公式

(1)

式中：QS為隧道通過含水體段正常涌水量/(m3/d)；H為靜止水位至隧道洞底距離/m；L為隧道通過含水體的長度/m；K為含水體的滲透系數(shù)/(m/d)；R為隧道涌水量影響寬度/m；r為隧道橫斷面寬度的一半/m，即r=W/2。

公式適用于基巖山嶺隧道，含水體假設為為無限厚度，含水體為無界潛水層。其概化后模型見圖2。

圖2 柯斯嘉科夫理論概化模型

(2)大島洋志最大涌水量計算公式

(2)

式中：q0為洞身通過含水體單位長度最大涌水量/(m3/d)；d為隧道洞身橫斷面等價圓直徑/m；r0為洞身橫斷面等價圓半徑/m；λ為轉換系數(shù)，一般取值0.86。公式適用于山嶺隧道，含水體為無界潛水，概化模型見圖3。

圖3 大島洋志計算概化模型

(3)佐藤邦明非穩(wěn)定流理論公式

(3)

式中：q0為洞身單位長度最大涌水量/(m3/d)；qs為單位長度正常涌水量/(m3/d)；h為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離；hc為含水體有效厚度；λ為轉換系數(shù)；ε為平均試驗系數(shù)，一般取作12.8，其他符號意義同上。

(4)古得曼經驗公式

(5)

式中Q0為隧道通過段落可能最大涌水量/(m3/d)，其他符合同上。

(5)鐵路勘測規(guī)范經驗公式

正常涌水量計算公式

(6)

最大涌水量計算公式

3.2 隧道洞身分段涌水量預測

為了便于涌水量計算，根據(jù)隧址區(qū)巖性、構造、地形地貌及水文地質特征，將隧道分成不同的水文地質段落。在地質勘探的基礎上，選取代表性的地質鉆孔，進行地下水抽水、壓水試驗，獲取了各段基巖滲透系數(shù)等水文地質參數(shù)。采用上述涌水量公式對各水文地質段落分別進行涌水量計算，根據(jù)計算結果，對該段落的涌水量綜合考慮，給出推薦值。

采用上述公式首先對DK493+360～DK493+700段進行涌水量計算。該地表為第四系上更新統(tǒng)粗角礫土，下伏二疊系哲斯組上段砂巖，強風化-弱風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，以基巖裂隙水為主，根據(jù)水文地質試驗取得滲透系數(shù)K=0.03 m/d，該段計算涌水量如表1。

表1 DK493+360～DK493+700段涌水量計算

經計算得知，隧道在該段正常涌水量為268.60 m3/d，可能最大涌水量為350.20 m3/d，單位最大涌水量為1.03 m3/d，綜合判定屬于弱富水地段。

同理，通過上述方法對該隧道其他段落分別進行涌水量計算，并對計算結果綜合分析，最終確定隧道各段涌水量計算結果(見表2)。

從表2中可以看出，受斷層構造影響，斷層破碎帶附近大多為強富水區(qū)。根據(jù)預測結果，整個隧道正常涌水量為29 517.19 m3/d，可能發(fā)生的最大涌水量41 245.64 m3/d。斷裂帶及其旁側巖石較破碎，由于其連通性較好，有利于地下水富集和運移，施工開挖時，在相應斷層發(fā)育附近可能會發(fā)生突然涌水現(xiàn)象。

表2 隧道各里程段落滲透系數(shù)取值及涌水量預測

3.3 涌水可能地段分析

在隧道地質勘察資料基礎上，根據(jù)地形地貌、巖性構造、水文地質等綜合分析，涌水地段主要發(fā)生在斷裂構造發(fā)育帶、溝谷淺埋地段和物探揭示的低阻異常地段。

斷裂構造的發(fā)育與涌水有著密切的聯(lián)系，斷層的存在往往會引起巖體結構疏松，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，成為地下水活動的通道，形成局部富水帶。工程實踐證明，在構造斷裂和區(qū)域性斷層破碎帶附近，較容易發(fā)生隧道涌水突泥等災害。在隧道DK493+100～DK493+650段及DK495+500～DK496+100段，發(fā)育F4，F(xiàn)5等斷裂破碎帶，局部甚至有多處斷層交匯。受構造運動影響，斷層間巖體裂隙發(fā)育，破碎強烈，隧道開挖時，在斷層及巖層接觸帶附近，發(fā)生集中涌水及泥屑物質涌突的可能性極大，設計、施工時應重點防范。

溝谷地貌是補給和貯存地下水的有利條件，從地貌上看，DK495+700～DK497+200段主要是山谷、溝谷地形，地勢低洼，坡腳處覆蓋第四系坡洪積物，地表水易滲透導致地下水富集形成富水帶；又是隧道淺埋地段，埋深淺，風化劇烈，基巖破碎，裂隙發(fā)育，地下水儲存豐富。因此，一旦隧道開挖揭露了這些巖性特征的地層，易形成涌水突泥等災害。

巖體中由于節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水儲存豐富，造成電阻率下降，物探測試反映低阻帶明顯地段，特別是物探異常帶地段，賦水性較強，極易產生突然涌水、突泥。根據(jù)物探資料揭示，隧道DK494+085～185段物探顯示存在低阻圈閉，在DK495+875附近電阻率變化劇烈，在DK496+325，+725等處等值線陡直密集，電阻率變化較大。經鉆探驗證，上述地段富水性較好，施工開挖時可能形成集中涌水，應采取防排水措施。

綜合地質勘察結果表明：隧道地下水主要賦存于溝谷淺埋段、構造斷裂帶、花崗巖和碎屑巖接觸帶等，由于構造運動影響，局部淺埋溝谷，斷層發(fā)育附近及物探異常地段可能出現(xiàn)較大涌水。

4 防護措施

隧道預防涌水突泥應以預防、排水為主，遵循防、排、堵等方法相結合，因地制宜，綜合治理的原則，采取可實施性高的防治措施。在收集水文地質資料的基礎上，在查明隧址區(qū)水的性質及分布，查清斷層、裂隙及破碎帶位置，掌握其涌水量及其變化規(guī)律的基礎上，實際預測各大斷層及破碎帶侵對施工的影響，設置暢通的排水通道以加強排水疏導。同時，加強對進出口、物探低阻異常帶這些地段的圍巖支護工作，采取綜合措施，加強隧道防排水。

針對斷層及破碎帶，應該以堵為主，適當輔以截排等措施，條件需要時應采用帷幕注漿等方案對斷層突水進行處治；對于基巖裂隙涌水，則應寧疏勿堵，設置排水設施。對于地表水相對發(fā)育區(qū)，應在進出口邊坡及仰坡設天溝以排除地表水，特別是隧道區(qū)節(jié)理裂隙較發(fā)育、物探異常帶地段，極易產生突然涌水、突泥，設計和施工時應加強防護及防水排水措施。

隧道施工期間，應注意施工方法，提前進行超前鉆孔，及時掌握、了解工作面前方水文地質條件，避免出現(xiàn)產生大面積突然涌水，影響施工安全及進度。同時準備足夠的抽排水設備，做好地下水和施工用水的排放。針對隧道可能存在的安全風險，制定隧道施工安全風險規(guī)避方案，做好安全風險管理與控制 。隧道施工過程中應加強監(jiān)控量測工作，對工作面涌水量及壓力、溝谷地表流水及附近居民飲水點水量變化情況進行監(jiān)測。針對不同地層及構造特點，采用各種地質預報手段探明工作面前方地質情況，及時將地下水引出，防止發(fā)生突水塌方事件。

除了涌水災害，該隧道還存在巖爆、坍塌冒落、圍巖失穩(wěn)等風險。因此，施工前應對隧道工程開展風險評估，加強對各種風險的重視，確保施工及人員安全，必要時應設置觀測點，做好水文地質監(jiān)測及地質超前預報工作。

5 結論

通過對該鐵路隧道巖性、構造及水文地質特征的分析，運用地下水動力學等方法對各水文地質單元進行涌水量計算和預測分析，其結果對設計和施工有一定的指導意義。

隧道洞身DK495+780～DK497+220段山體比較扁平，且洞頂分布新黃土和碎石類土，在遇水的情況下容易坍塌，易造成滑塌、突泥涌水等災害，施工中應加強支護和襯砌，及時排水，并采取相應的安全防護措施。

鑒于隧址區(qū)地質條件的復雜性，該涌水量預測與實際會存在一定的差異，其預測結果需在施工中加以動態(tài)修正，以提高預測精度，滿足工程需要。

對易發(fā)生涌水突泥的斷層破碎帶、巖性接觸帶及部分隧道淺埋地段，設計和施工中應做好地質超前預報工作，針對不同地層及構造特點采用適宜的預報方法，不斷提高工作面施工前方的涌水預報效果，更好地服務于施工。

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TheWaterVolumeForecastAnalysisandProtectiveMeasuresResearchofaRailwayTunnel

ZHOU Yan-jie ZHANG Zhi-fa

2014-06-11

周彥杰(1982—)，男，2010年畢業(yè)于中國地質大學(武漢)地質工程專業(yè)，工學碩士，工程師。

1672-7479(2014)05-0066-05

U452.1+1

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