鄒福林,許崇幫,楊香英,周幸宇
(1. 中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400037;2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088;)
奧陶系碳酸鹽巖地層在我國北方分布十分廣泛,是我國煤炭[1-5]、石油、石膏[6-9]等礦產(chǎn)能源的主要賦存地層,如山西的煤礦、陜西的石油礦等;同時(shí),由于奧陶系碳酸巖地層賦存于地殼淺層,該地層成為了我國隧道工程及地下工程設(shè)施建設(shè)的主戰(zhàn)場之一。奧陶系地層沉積成巖時(shí)間短,地層巖性多變,易受地質(zhì)活動(dòng)影響,該套地層常呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境,致使隧道工程在穿越該層時(shí)常面臨隧道軟巖大變形[10-14]、巖溶塌方[15-16]、突泥涌水[17-18]、瓦斯突出等重大安全問題。
地下水的存在是導(dǎo)致此類工程問題的主要原因,如富水環(huán)境下松散巖體常導(dǎo)致隧道發(fā)生突泥涌水、地下水匯集溶洞時(shí)易發(fā)生突水、膨脹巖層在地下水作用下易誘發(fā)膨脹變形和襯砌失穩(wěn)、軟巖在地下水作用下易發(fā)生軟化造成圍巖失穩(wěn)等。此次依托工程所處的南呂梁山為該套地層的典型代表,南呂梁山中廣泛分布煤礦及采空區(qū)[19],并且該區(qū)域內(nèi)形成了面積2 250 km2的龍子祠泉域[20],且石炭紀(jì)地層與奧陶紀(jì)地層夾多層泥質(zhì)頁巖的碳酸鹽巖形成了非可溶巖和可溶巖(碳酸鹽巖)穿插型接觸的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[21],而該類型穿插接觸帶的工程特性的認(rèn)識(shí)還有待深入[22]。因此,在該奧陶系地層修建隧道時(shí)需要高度重視地下水的發(fā)育狀況,判斷該地段在地下水作用下對隧道的潛在的工程風(fēng)險(xiǎn)。
本研究依托某特長奧陶系碳酸鹽地層隧道工程,從區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)繪、隧址區(qū)地表水調(diào)查、地下水補(bǔ)給關(guān)系測試、隧道地下水出露情況調(diào)查及隧道病害統(tǒng)計(jì)分析等角度,綜合分析了該類地層中隧道的工程水文地質(zhì)特征,及其對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施長期安全性的影響。
依托工程某山嶺隧道位于山西境內(nèi)呂梁山域內(nèi),隧道長約10.3 km,最大埋深約550 m。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕-剝蝕基巖山區(qū)地貌區(qū),地表總體以一定的坡度向東西兩側(cè)傾斜,沖溝發(fā)育;隧道穿越奧陶系碳酸巖地層,地下水較豐富,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,使得隧道建造過程中圍巖誘發(fā)了軟化、膨脹等工程問題,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了襯砌開裂、邊墻內(nèi)擠、滲漏水等現(xiàn)象。
隧道上覆巖層自上而下依次是第四系、二疊系和石炭系及奧陶系地層,隧道洞身位于奧陶系中統(tǒng)地層中。隧道縱向洞身交替穿越奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f1)和上馬家溝組(O2s3)巖層,各組巖層呈近水平狀,向出口方向傾斜。其中K97+300~K100+250和K104+200~K106+500為峰峰組(O2f1),K100+250~K104+200和K106+500~K108+000為上馬家溝組(O2s3)。在K102+952、K102+184發(fā)育有F34與F8斷層,兩區(qū)段間隧道線位基本位于峰峰組(O2f1)和上馬家溝組(O2s3)的地層分界線上。其中,上馬家溝3段(O2s3)為中厚層狀灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖為主(在隧道K100+396.5~K104+184揭露),局部地區(qū)存在角礫狀泥灰?guī)r夾層。峰峰1段(O2f1)整體呈現(xiàn)以兩層灰黃色薄層泥灰?guī)r夾一層灰?guī)r特征,下層泥灰?guī)r厚11~59 m,上層泥灰?guī)r厚22~52 m,中間灰?guī)r夾層厚5~10 m(分布于K98+000~K100+396.5),且兩層泥灰?guī)r均為含石膏層位,如圖1所示。
圖1 地層巖性
隧址區(qū)發(fā)育3處褶皺構(gòu)造、2處斷層構(gòu)造,其中,S1向斜在地表與線路相交于K95+819附近,走向約為N10°E。兩翼傾角8°~26°,核部地層為二疊系上石盒子組灰?guī)r,區(qū)內(nèi)延伸約22 km,是隧道區(qū)的主體向斜構(gòu)造。S2背斜在地表與線路相交于K100+169附近,走向N10°~25°E,兩翼傾角為5°~18°,核部地層出露二疊系下石盒子組地層,區(qū)內(nèi)延伸約10 km。S3向斜在地表與線路相交于K105+444 附近,走向N25°E,兩翼傾角約15°;F8正斷層在地表與隧道線位約呈60°相交于K102+184,斷層走向N15°~20°W,傾角約65°,區(qū)內(nèi)長度約3.5 km;F34斷層與隧道線位直交于K102+952,傾角約80°,斷層破碎帶寬約35~50 m。
隧址區(qū)屬呂梁山南段水文地質(zhì)單元,呈現(xiàn)低中山區(qū)水文地質(zhì)特征,地下水區(qū)域流向?yàn)槟掀珫|向;地表徑流條件較好,大氣降水多沿裂隙下滲,為下伏的淺表基巖裂隙水補(bǔ)給。隧道洞身處地下水類型主要為裂隙-巖溶水,地下水賦存于各類基巖的風(fēng)化帶及構(gòu)造裂隙中,地下水位及水量隨季節(jié)變化顯著。
此外,項(xiàng)目區(qū)域經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成系列復(fù)式褶皺、斷裂,彼此互相交錯(cuò),互相重疊,從而形成極其復(fù)雜的構(gòu)造體系,其中,隧道區(qū)即位于由紫荊山斷裂和羅云斷裂所控制的復(fù)式向斜構(gòu)造帶內(nèi),自身構(gòu)成了本區(qū)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。
隧址區(qū)屬暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候,四季分明,晝夜溫差大。春季少雨多風(fēng),冷暖多變;夏季暖熱多雨,氣溫穩(wěn)定;秋季天高氣爽,降溫急促;冬季氣候寒冷,降雪稀少,氣溫變化緩慢。隧址區(qū)多雨年降水量550~600 mm,少雨年300~400 mm,徑流深25~50 mm。年平均氣溫在6~19 ℃。
經(jīng)對隧道內(nèi)滲漏情況調(diào)查,隧道內(nèi)部滲漏水點(diǎn)共計(jì)53處。根據(jù)流速將滲漏水狀態(tài)分為4類[12],分別為滴水、滲潤、流水、噴水,統(tǒng)計(jì)分析如圖2所示,典型滲漏水點(diǎn)的特征如表1所示。
圖2 滲漏水狀態(tài)統(tǒng)計(jì)
由圖2和表1可知,隧道內(nèi)滲漏水狀態(tài)以滲潤為主,1個(gè)測點(diǎn)為噴水,其最大流速為1 374 mL/min。
表1 滲漏水特征統(tǒng)計(jì)
根據(jù)地勘資料可知,隧道洞身段埋深較大,其中奧陶系地層第四系、二疊系和石炭系地層,且奧陶系地層頂部鋁質(zhì)泥頁巖、粉砂巖、泥巖和石英砂巖等致密巖層,厚度約40 m,具有良好的隔水性能。因此,奧陶系碳酸巖地層裂隙-巖溶水在上覆基巖裂隙水補(bǔ)給時(shí),受上覆隔水地層中構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度所控制。在構(gòu)造裂隙發(fā)育處基巖裂隙水可直接對裂隙-巖溶水進(jìn)行補(bǔ)給;若構(gòu)造裂隙不發(fā)育時(shí),地下水則沿隔水層進(jìn)行流動(dòng),并流至地質(zhì)斷裂帶處再向下補(bǔ)給裂隙-巖溶水。
隧址區(qū)沿線地表有多處地表水徑流或水體,為查清地表水對隧道地下水的補(bǔ)給路徑,采用無污染的熒光素鈉和RQT增白劑作為示蹤劑,對兩者的補(bǔ)給關(guān)系進(jìn)行了調(diào)查測試。
(1)示蹤劑投放點(diǎn)確定
在對地下水補(bǔ)給關(guān)系測試前,對示蹤劑投放點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘篩選,綜合地表水源點(diǎn)勘察成果與地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的分布規(guī)律,確定示蹤劑投放點(diǎn)如表2所示。
表2 示蹤劑地表投放點(diǎn)
(2)示蹤劑接收點(diǎn)
示蹤劑接收點(diǎn)采用單點(diǎn)投放多點(diǎn)接收的方式,對隧道內(nèi)滲漏水點(diǎn)位進(jìn)行定期采集和檢測,通過示蹤劑熒光信號(hào)標(biāo)定補(bǔ)給關(guān)系,其中采集到示蹤劑熒光信號(hào)的漏水點(diǎn)如表3所列。
表3 明顯檢測到示蹤劑的接收點(diǎn)
示蹤劑投放點(diǎn)與接收點(diǎn)如圖3所示。
圖3 示蹤劑投放點(diǎn)與接收點(diǎn)
(3)示蹤劑測試結(jié)果
選用FluoroQuik便攜式示蹤熒光儀對水樣的熒光度進(jìn)行檢測,經(jīng)多次檢測對比,確定示蹤劑投放點(diǎn)與隧道內(nèi)滲漏點(diǎn)補(bǔ)給關(guān)系如表4所列。
表4 示蹤劑投放點(diǎn)與隧道內(nèi)滲漏點(diǎn)補(bǔ)給關(guān)系
綜合繪制地表水源對隧道內(nèi)滲漏水的補(bǔ)給路徑如圖4所示。
圖4 地表水對滲漏水的補(bǔ)給關(guān)系縱斷面
由圖3和圖4可見:
(1) 地表水對地下水的補(bǔ)給關(guān)系受地質(zhì)構(gòu)造控制與制約。其中褶皺構(gòu)造的影響尤為顯著,如水源T12點(diǎn)對Z1,Z2,Y1,Y2的補(bǔ)給,其次是斷層構(gòu)造,如水源T3,T8,T9對Y5,Y6,Y7點(diǎn)的補(bǔ)給。
(2)根據(jù)示蹤劑投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的平面關(guān)系,隧址區(qū)地下水整體流向?yàn)樽员毕蚰狭魍ǎc區(qū)域地下水流通主體方向基本一致。
根據(jù)隧道病害段落和隧道滲漏水點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)如圖5所示,81.13%的滲漏水點(diǎn)分布在隧道病害段落。
圖5 滲漏水點(diǎn)與隧道病害處治段的關(guān)系
隧道軟巖區(qū)段主要為泥灰?guī)r和膏溶角礫巖,這兩類巖具有明顯的遇水膨脹軟化如表5所示,其中,在水作用初期存在一定膨脹力,膨脹力可達(dá)為800 kPa和350 kPa。
表5 隧道軟巖力學(xué)參數(shù)
因此,此類區(qū)段隧道圍巖在無地下水作用時(shí),能夠保持較好的完整性,且具有一定的自承載能力;而在地下水作用下圍巖發(fā)生膨脹軟化,圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)額外施加了0.35~0.8 MPa的膨脹荷載。同時(shí),受圍巖軟化作用其強(qiáng)度降低、承載能力降低,造成隧道承擔(dān)荷載增加大幅增加,從而導(dǎo)致隧道仰拱隆起、襯砌開裂。
隧道石膏質(zhì)巖段除圍巖自身的軟化膨脹特性外,在地下水作用下還釋放出硫酸根離子如表6所示,經(jīng)測試滲漏水中硫酸根離子濃度最大可達(dá)1 692 mg/L。這些硫酸根離子滲入到混凝土中和水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),生成具有膨脹性的侵蝕產(chǎn)物,在低溫條件(小于15 ℃)時(shí),容易產(chǎn)生碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕,造成混凝土泥化喪失承載能力,襯砌混凝土出現(xiàn)開裂、剝落,并且由于混凝土腐蝕一般最初發(fā)生于混凝土與圍巖交界面處,具有較強(qiáng)的隱蔽性。
表6 滲漏水水質(zhì)檢測成果
綜上可見,地下水對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響與隧道圍巖巖性密切相關(guān),在軟巖條件下地下水易導(dǎo)致圍巖軟化隧道襯砌荷載增加,致使隧道襯砌發(fā)生開裂、隧道底部隆起等;石膏質(zhì)巖段隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地下水作用下容易誘發(fā)混凝土腐蝕,該類病害具有隱蔽性強(qiáng)、危害性大的特點(diǎn)。
(1)奧陶系碳酸巖地層隧道地下水總體上以地表降水補(bǔ)給、沿地質(zhì)構(gòu)造流通匯集為主,地下水發(fā)育狀況是受區(qū)域水文地質(zhì)主導(dǎo)和局部地質(zhì)構(gòu)造控制。
(2)地下水對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,受隧道圍巖巖性控制,軟巖條件下易導(dǎo)致圍巖軟化隧道襯砌荷載增加,致使隧道襯砌裂損。
(3)在石膏質(zhì)巖段隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地下水作用容易誘發(fā)混凝土腐蝕,該類病害具有隱蔽性強(qiáng)、危害性大的特點(diǎn)。