劉 韜 胡 強(qiáng)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

引言

隧道涌水預(yù)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的水文工程地質(zhì)問(wèn)題，它關(guān)系到隧道方案工程設(shè)計(jì)、施工條件、工程造價(jià)、養(yǎng)護(hù)條件和運(yùn)營(yíng)安全[1]。所以在隧道設(shè)計(jì)、施工前對(duì)隧道的水文地質(zhì)評(píng)價(jià)及涌水量預(yù)測(cè)十分重要。隧道的地下涌水量可根據(jù)隧址水文地質(zhì)條件選擇水文地質(zhì)比擬法、水均衡法、地下水動(dòng)力學(xué)方法等進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)[2]，本文以云南省某高速公路某隧道為例，探討分析了隧道區(qū)的水文地質(zhì)條件及涌水量的預(yù)測(cè)，并提出了預(yù)防措施。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)地處云貴高原西南邊緣，橫斷山脈南段，為怒江和瀾滄江河間地塊，區(qū)間山高谷深，層巒迭嶂，氣勢(shì)雄偉，山間盆地繁星般的點(diǎn)綴其中，景觀綺麗，地勢(shì)總體上北高南低，高差起伏大。隧道區(qū)附近海拔1783.00～2198.70m，相對(duì)高差415.70m。隧道橫穿多個(gè)山體、溝谷、國(guó)道及通鄉(xiāng)公路，進(jìn)出口均位于斜坡體上，進(jìn)口處地形縱坡較陡，出口處地形縱坡較緩，地表植被發(fā)育以灌木為主，基巖局部出露；隧道通過(guò)段地面高程為1800.93～2166.99m之間，相對(duì)高差366.06m。

根據(jù)地貌成因?qū)^(qū)內(nèi)地貌分為構(gòu)造剝蝕、河流侵蝕—?jiǎng)兾g地貌兩種類型。構(gòu)造剝蝕地貌為場(chǎng)區(qū)大面積地貌，主要地貌單元為山地，山地形態(tài)有中山地貌、山間凹地；河流侵蝕—?jiǎng)兾g地貌為場(chǎng)區(qū)小范圍地貌類型。

隧道進(jìn)出口端均為溝谷地形，自然坡度25°～45°；洞身段穿越山脊，最高點(diǎn)高程2167m。

隧道為分離式結(jié)構(gòu)型式特長(zhǎng)隧道；左幅全長(zhǎng)5200.00m，隧道最大埋深292m，右幅全長(zhǎng)5255.00m，洞身最大埋深298m。

2 水文地質(zhì)

2.1 水文地質(zhì)特征

隧道上覆殘坡積層粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為元古界花崗混合巖及印支期花崗巖。隧道依次穿越F1、F2斷層。場(chǎng)區(qū)分布多條河流、溪溝，根據(jù)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型分為第四系松散孔隙水，基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水以大氣降水為主要補(bǔ)給源，次之為河流及溪溝。

根據(jù)構(gòu)造組合、地貌形態(tài)類型所起的控制作用，場(chǎng)區(qū)地表分水嶺與地下分水內(nèi)嶺總體一致，分水嶺東側(cè)，地下水一般以潛水的形式賦存于混合花崗巖地層中，混合花崗巖中發(fā)育的構(gòu)造裂隙、節(jié)理裂隙及侵入接觸構(gòu)造裂隙為主要含水層，其特點(diǎn)是受大氣降水補(bǔ)給外，還受地表水網(wǎng)補(bǔ)給，地下水徑流以垂直、水平循環(huán)為主，埋藏深，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)一致。分水嶺西側(cè)，地下水一般以潛水的形式賦存于花崗巖地層中，花崗巖中發(fā)育的構(gòu)造裂隙、節(jié)理裂隙及侵入接觸構(gòu)造裂隙為主要含水層，其特點(diǎn)是受大氣降水補(bǔ)給外，還受地表水網(wǎng)補(bǔ)給，地下水徑流以垂直、水平循環(huán)為主，埋藏深，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)一致。

2.2 水文地質(zhì)分區(qū)

依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用，將區(qū)內(nèi)分為勐庫(kù)河流域水文地質(zhì)區(qū)和閣河流域水文地質(zhì)區(qū)，再按流場(chǎng)和含水巖組、F1、F2阻水?dāng)鄬臃植?，劃分?個(gè)亞區(qū)。

勐庫(kù)河流域水文地質(zhì)Ⅰ區(qū)位于分水嶺西側(cè)，面積9.2km2。按F2阻水?dāng)鄬?、含水巖層劃分為三個(gè)亞區(qū)。

2.2.1 東弄水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ1)

ZK15+500～ZK16+290(YK15+500～YK16+320)位于該區(qū)域。地表水以雨源型河流、有水溪溝為主，該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，印支期(γ51)花崗巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，整體向北西徑流。該區(qū)域地下水主要以隙流的形式自東向西方向徑流，排泄于勐庫(kù)大河。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

2.2.2 正氣塘水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ2)

兩側(cè)分別以F1、F2斷層、分水嶺為界，ZK13+150～ZK15+500(YK15+500～YK15+500)位于該區(qū)域。地表水以雨源型河流、有水溪溝為主，該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，印支期(γ51)花崗巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，整體向北西徑流，遇到阻水F2斷層阻隔，斷層區(qū)內(nèi)多為斷層泥，膠結(jié)程度較好，斷層局部位置導(dǎo)水。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

2.2.3 大黑山水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ3)

兩側(cè)分別以F1斷層、分水嶺為界，隧道ZK13+040～ZK13+150(YK13+040～YK13+150)位于該區(qū)域。地表水以雨源型河流、有水溪溝為主，該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，元古界(Pt)花崗混合巖，中等—強(qiáng)富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，整體向北西徑流，遇到阻水F2斷層阻隔，斷層區(qū)內(nèi)多為斷層泥，膠結(jié)程度較好，斷層局部位置導(dǎo)水。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

閣河流域水文地質(zhì)(Ⅱ)區(qū)位于分水嶺東側(cè)，面積10.5km2。按F1阻水?dāng)鄬印⒑畮r層劃分為兩個(gè)水文地質(zhì)亞區(qū)。

(1)白石山水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ1)

隧道南側(cè)，隧道未經(jīng)過(guò)位于該區(qū)域。該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，印支期(γ51)花崗巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受阻水?dāng)鄬覨1阻隔該區(qū)域地下水主要以隙流的形式向東南徑流。

(2)肖家水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ2)

西側(cè)邊界以分水嶺、阻水?dāng)鄬覨1為界，隧道ZK11+090～ZK13+150(YK11+073～YK13+150)位于該區(qū)域。該段地下水類型為第四系松散土層孔隙水和基巖裂隙水，含水巖組包括第四系松散堆積弱富水性層，元古界(Pt)花崗混合巖，中等富水性層。地下水主要接受大氣降水、溪溝的補(bǔ)給，整體向南東徑流。該區(qū)域地下水主要以隙流的形式自西向南東徑流，排泄于閣河，最終匯入瀾滄江。該區(qū)切割較深，地形較陡峻，降水滲入后，形成的水力坡度較大，地下水位埋深起伏大。

2.3 地下水水質(zhì)

區(qū)內(nèi)地下水總體上呈無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、透明，總體上物理性質(zhì)良好。地下水水質(zhì)分析化學(xué)特征(腐蝕性分析)資料見(jiàn)下表。

表1 地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性分析表

腐蝕性等級(jí)綜合評(píng)價(jià)：水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 地下水動(dòng)力學(xué)法

參照《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB 10049-2014)，隧道通過(guò)潛水含水體時(shí)，可采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式(1)預(yù)測(cè)隧道最大涌水量[3]：

(1)

式中：Q—隧道通過(guò)含水體地段最大涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(shù)(m/d)；

H—靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離(m)；

d—洞身橫斷面等價(jià)圓直徑(m)；

L—隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度(m)。

3.2 水均衡法

3.2.1 大氣降水入滲法

隧道處于強(qiáng)透水巖層內(nèi)，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水的賦存量較大，匯水面積較大，其補(bǔ)給源主要為大氣降雨，故采用大氣降水入滲法，按分區(qū)塊段各段匯水消水計(jì)算預(yù)測(cè)隧道涌水量。雨季涌水量或暴雨涌水量可采用經(jīng)驗(yàn)公式(2)：

Q= 2.74α×A×W

(2)

式中：Q—隧道通過(guò)含水體地段的雨季涌水量或計(jì)算頻率暴雨涌水量(m3/d)；

α—為降水入滲系數(shù)；

A—隧道集水面積(km2)；

W—區(qū)域年最大降雨量。

本次按多年最大年降雨量1479.4mm計(jì)算，通過(guò)以上對(duì)隧道涌水量進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，其涌水量為20040m3/d。

3.2.2 地下徑流模數(shù)法

越嶺隧道通過(guò)一個(gè)或多個(gè)地表水流域時(shí)，預(yù)測(cè)隧道正常涌水量?？刹捎玫叵聫搅髂?shù)法：通常，地下水徑流模數(shù)不是一個(gè)固定量，與降雨多少有關(guān)，隧道涌水量預(yù)測(cè)，宜采用豐水期徑流模數(shù)計(jì)算如式(3)。

Q= 86.4×M×F

(3)

式中：M—豐水期逕流模數(shù)(L/s·km2)，據(jù)1∶50萬(wàn)測(cè)區(qū)市水文綜合水文圖及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值；

F—為隧道通過(guò)含水體的地下匯水面積(km2)。

通過(guò)以上對(duì)隧道涌水量進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，其涌水量為18787m3/d。

3.3 涌水量計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

通過(guò)以上多種方法預(yù)測(cè)，采用大氣降雨入滲法計(jì)算得到隧道最大涌水量為20040m3/d；地下徑流模數(shù)法計(jì)算隧道最大涌水量為18787m3/d；古德曼經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到隧道最大涌水量為35243m3/d，相互間具有一定差異。

因大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法存在局限性，加之現(xiàn)今極端天氣頻發(fā)，故建議隧道設(shè)計(jì)時(shí)按古德曼經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的隧道最大涌水量，預(yù)測(cè)隧道最大涌水量為36000m3/d 。

4 隧道水文地質(zhì)問(wèn)題分析及施工驗(yàn)證

隧道穿越地層為Pt、γ51，巖性為混合花崗巖及花崗巖。隧道穿越F1、F2斷層，隧道上方通過(guò)多條河流、溪溝。地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示場(chǎng)區(qū)巖體差異風(fēng)化嚴(yán)重，巖體極破碎至破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，并存在松散、軟弱充填物或充水。物探亦揭示多處低阻異常，推測(cè)為破碎富水囊?guī)?。地下水造成圍巖穩(wěn)定條件惡化，甚至引起局部失穩(wěn)[4],根據(jù)隧址地質(zhì)條件、氣象條件、結(jié)合施工因素，隧道施工中涌水突泥主要表現(xiàn)在以下情況：

4.1 斷層破碎帶發(fā)生涌水突泥

一般來(lái)說(shuō)構(gòu)造斷裂是山區(qū)地表水滲入地下的通道[5]，斷層F1與、F2與隧道相交，受斷層對(duì)巖體的強(qiáng)烈擾動(dòng)、破碎作用，阻水?dāng)鄬觾蓚?cè)裂隙發(fā)育具備充水條件，富水性較斷層中心部位強(qiáng)，因此當(dāng)施工至斷層兩側(cè)，尤其迎水側(cè)，揭露富水帶，易造成突泥涌水。另一方面，由于斷層局部位置導(dǎo)水，局部易形成較大儲(chǔ)水區(qū)和破碎帶徑流通道，形成風(fēng)化強(qiáng)烈的松散軟弱層及構(gòu)造破碎帶等富水帶，造成施工涌水突泥。再則，在采動(dòng)條件下，斷層面性質(zhì)，由壓性斷裂變?yōu)閺埿詳嗔?，隔水層張開(kāi)活化成為導(dǎo)水通道[6]。

4.2 裂隙密集帶涌水突泥。

根據(jù)物探解譯，隧道洞身存在多處裂隙密集帶，裂隙密集帶內(nèi)巖體破碎，裂隙發(fā)育，為地下水導(dǎo)通通道，并兼有導(dǎo)水、蓄水功能，當(dāng)隧道洞身通過(guò)裂隙巖體含水區(qū)段時(shí)，就會(huì)形成積水廊道[7]，造成施工涌水突泥。

4.3 河流、溪溝串通涌水突泥

隧道頂部有河流、溪溝通過(guò)，開(kāi)挖導(dǎo)致地表河流、溪溝帶透漏水開(kāi)挖造成河流、溪溝串通。

4.4 降雨增大水壓誘發(fā)涌水突泥

項(xiàng)目區(qū)夏秋兩季雨量充沛，尤其在暴雨期間，地下水位迅速上升，水壓增大，極易誘發(fā)涌水突泥，尤其在風(fēng)化強(qiáng)烈的軟弱帶、構(gòu)造破碎帶等區(qū)段。

4.5 施工擾動(dòng)誘發(fā)涌水突泥

隧道施工前，巖體處于自然平衡狀態(tài)。隧道開(kāi)挖擾動(dòng)巖體，形成臨空面，并在隧道周邊形成松動(dòng)圈[8]，從而誘發(fā)涌水突泥，主要有以下情況：

(1)隧道開(kāi)挖直接誘發(fā)涌水突泥，主要原因?yàn)椋洪_(kāi)挖直接揭穿高壓、富水囊?guī)В皇┕け频茸饔脤?dǎo)致巖體節(jié)理裂隙擴(kuò)張，造成巖體局部應(yīng)力集中和破裂。

(2)隧道開(kāi)挖間接誘發(fā)涌水突泥，主要原因?yàn)椋洪_(kāi)挖導(dǎo)致止防突巖層[9]出現(xiàn)變形和位移，不能抵抗水壓、土壓和構(gòu)造應(yīng)力，防突巖層受力和變形位移過(guò)大，逐漸失穩(wěn)或破壞造成涌水突泥。

(3)隧道施工，爆破后圍巖裂隙變化十分顯著，增強(qiáng)巖石滲透系數(shù)[10],隧道開(kāi)挖面后方發(fā)生涌水突泥。隧道開(kāi)挖擾動(dòng)圍巖，造成圍巖壓力增大或大氣降雨造成水壓突然升高，隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗土壓和水壓，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)和破壞，形成涌水突泥。

4.6 施工驗(yàn)證

施工過(guò)程中由于隧道雙向掘進(jìn)，在進(jìn)口端設(shè)有抽水泵及水表，經(jīng)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)雨季中最大涌水量31655m3/d。

通過(guò)對(duì)比分析該隧道采用地下水動(dòng)力學(xué)中古德曼經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際情況接近。

5 結(jié)語(yǔ)

花崗巖地層中常伴有巖脈、富水囊?guī)?、蝕變帶，基本無(wú)規(guī)律可循，具有一定隨機(jī)性，建議施工中采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并結(jié)合施工開(kāi)挖揭露情況，掌握施工面前方更為詳細(xì)的地質(zhì)情況，如圍巖完整性、軟弱夾層及破碎帶的分布位置、充填情況、儲(chǔ)水及補(bǔ)給等，進(jìn)行綜合分析和研究，及時(shí)正確地制訂相關(guān)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)方案及應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，防止坍塌、涌水、突泥等產(chǎn)生，確保隧道及施工安全。