雁门关隧道渗漏原因分析及建议

杨光辉

1 工程概况

雁门关隧道建成于2003年9月，位于山西省忻州市代县境内。隧道为双向交通隧道，东西两隧道中心线间距约50m，总体走向为N11.6°W，开挖断面为马蹄型，2008年5月初在西隧道桩号YK594+381—YK594+636段发现部分地段隧洞侧壁有渗水现象，共15处，并组织进行了渗水处理，处理方法主要是在侧壁凿成“U”型槽埋管引水。在处理过程中又陆续新发现20多处渗水，随后均进行了处理。2008年5月24日—7月6日，又发现隧道侧壁墙面有60余处渗水，洞顶渗水10余处，路面渗水10余处等漏水和渗水现象。东隧道渗漏相对较少，仅局部地段路面、洞底、竖井、斜井等部位有渗漏水现象。

2 隧道渗漏原因分析

2.1 隧道段水文地质条件

2.1.1 地形

从地形上看，隧道主要漏水地段（桩号YK594+381—YK594+636）东、北、西三面地形较高，南面开口且地形较低，本区总体呈一南北向的、向南部倾斜的槽形汇水凹地，具备地下水补给、径流、排泄的良好条件，有利于地表水和地下水向隧道南部运移、汇集。

2.1.2 气象

大气降水入渗是隧道渗漏的唯一补给来源，隧道渗漏范围、渗漏量与大气降水密切相关，每年的雨季渗漏范围和渗漏量增大，旱季渗漏范围和渗漏量减小，地下水的水位和水量随季节的变化较为明显。

2.1.3 地层岩性

隧道漏水范围、漏水量主要受地层岩性的控制。以F1逆断层为界，断层以北隧道从上太古界五台群胡峪组（Ar3h）黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩中通过，过断层后隧道从寒武系下统毛庄组（∈1mz）紫红色泥岩夹薄层细砂岩、泥灰岩，寒武系中统徐庄组（∈2x）紫红色泥岩中通过。隧道由北向南依次通过上太古界五台群胡峪组（Ar3h）变质岩、寒武系下统毛庄组（∈1mz）及中统徐庄组（∈2x）泥页岩、寒武系中统张夏组（∈2z）灰岩。

2.1.4 地质构造

地质构造对隧道渗漏也具有明显的控制作用。F1逆断层总体上是一条阻水断层，断层以北地段均为变质岩洞段，它与隧道基本正交，如石峡沟qs09-2泉就是因为F1逆断层将上盘徐庄组（∈2x）紫红色泥页岩推至地表，地下水受泥页岩阻隔后形成该泉，但断层两盘灰岩接触部位还具有一定的导水性。隧道东西两侧灰岩地层节理裂隙较发育，在一定程度上构成地下水进入隧道内的良好通道。

隧道北部、南部出露变质岩，向中部依次为泥页岩、灰岩，隧道桩号594+500以北岩层产状大多为N70°～80°E/SE∠10°～20°，隧道桩号 594+500 以南岩层产状大多为 N20°～30°E/NW∠9°～16°，整个隧道处于一个较大的复式向斜构造中，其核部在桩号594+500附近，正好处于隧道漏水较为严重的部位，且该处东、西两侧徐庄组（∈2x）泥页岩分布较高，隧道东侧岩层产状N30°W/SW∠20°，西侧岩层产状N65°E/SE∠5°，形成一个四周泥页岩高、中间泥页岩低的汇水凹地，有利于地下水向该处运移、排泄。

2.1.5 含水层及相对隔水层的空间展布

据钻探、物探成果并结合地质平面测绘，工程区含水层为寒武系中统张夏组（∈2z）灰岩，寒武系下统毛庄组（∈1mz）紫红色泥页岩夹薄层细砂岩、泥灰岩与寒武系中统徐庄组（∈2x）紫红色泥页岩可视为相对隔水层。

西隧道漏水部位的地下水主要来自西侧石峡沟张夏组（∈2z）灰岩含水层中的岩溶裂隙水，以侧向径流的形式通过泥岩顶板最低部位向西隧道排泄，这使得从西隧道渗漏较东隧道严重，西隧道西壁出水点位置普遍高于东壁来讲，也说明地下水主要是从西侧石峡沟由西北向东南侧向补给至西隧道。

隧道主要漏水地段北侧为一逆断层，该断层具有一定的阻水作用，但其上部断层两盘灰岩接触部位是导水的，断层以北山顶、山坡石灰岩区接受大气降水入渗后，一部分向石峡沟方向径流，并以泉水形式排泄，另一部分顺隧道之上山脊由北向南经逆断层上部灰岩由北向南运移，经隧道漏水部位上方通过节理裂隙渗入隧道。据物探成果，隧道漏水部位顶部岩层中也有地下水位分布，但富水性较差，由于隧道上覆围岩较厚，故隧道顶部通过节理裂隙垂直下渗进入隧道中的地下水量不大，仅雨季个别部位洞顶有少量漏水，旱季则不漏水。

2.1.6 水文地质条件

隧道范围内主要接受大气降水入渗补给，马场梁山在雁门关隧道桩号K592+420部位构成分水岭，其北部地下水向北迳流，南部地下水向南迳流。北部地下水在入渗于奥陶系下统冶里组、寒武系上统凤山组、长山组、崮山组、中统张夏组灰岩、白云质灰岩，在进入下部的寒武系中统徐庄组泥页岩时受阻，并受岩层产状及地势控制，折而流向南东；南部地下水流向南东。

雁门关隧道开挖后，隧洞周围形成一个较大的岩体松动变形圈，使原来岩体中节理裂隙不同程度张开，并形成一些新的裂隙，增加了岩体的渗透性，这样隧道就形成岩体中的“集水廊道”，汇集岩体中的地下水，特别是隧道透水性良好的灰岩、白云质灰岩含水层洞段，表现的更为明显。地下水多由西部石峡沟及隧道顶拱入渗隧道，地下水流经西隧道时大部由西隧道排出，东隧道也有少量地下水漏渗。

隧洞北端口—桩号K593+875段，隧道段围岩为太古界胡峪组变质岩，地下水位高程1525～1730m，高于隧道顶110～290m，含水层位于张夏组灰岩、白云质灰岩，含水层至隧道顶部有厚105～240m的变质岩、泥页岩及泥灰岩组成的相对隔水层，且该隔水层富水性差，隧道基本不渗漏。

桩号K593+875—K594+500段，隧道段围岩为寒武系下统毛庄组、中统徐庄组泥页岩、泥灰岩，地下水位高程 1415～1505m，高于隧道顶 13～90m，含水层位于张夏组灰岩、白云质灰岩，含水层至隧道顶部有厚2～84m的泥页岩及泥灰岩组成的相对隔水层，富水性差，仅局部地段存在渗、漏水问题。

桩号K594+500以后段，隧道围岩为张夏组灰岩、白云质灰岩，节理裂隙发育，具有良好的透水通道，地下水位位于该层，是隧道渗、漏水最为严重的地段。

2.1.7 地表水与地下水的水力联系

据本次实地调查，隧道西侧石峡沟上游的两处泉水，过F1逆断层后，沟底的泉水流经裸露灰岩区至桩号594+265附近全部漏失，说明石峡沟上游两处泉水漏失也是西隧道渗漏的补给源之一。

2.2 隧道渗漏原因分析

隧道渗、漏水原因主要与以下几个方面有关：

第一，该隧道处于张夏组灰岩中，而且节理裂隙及岩溶较为发育，岩溶形态主要以溶隙和溶孔为主，局部有管道状岩溶，含水层厚度大，渗透性及富水性较强，下部为徐庄组泥页岩相对隔水层，整个渗、漏水地段的隧道基本处于盆状蓄水构造内。

第二，地下水流向总体是由西北向东南径流，且西北侧顺石峡沟一带张夏组灰岩含水层富水性较强，地下水主要从石峡沟西侧首先进入西隧道，西隧道相当于构成了一个“集水廊道”，截渗了一部分岩溶地下水，从而造成了隧道口处的泉水枯竭，西南方向较远处的泉水流量减少。

第三，近几年来，由于该地区降水量增大，地下水水位抬升，造成隧道围岩中地下水水头增大，洞内外水头压力提高，石峡沟上游两处泉水流量增大，流经石峡沟沟底漏失至下部灰岩含水层中的水量亦增大。

第四，隧道虽然作了衬砌，且在施工缝、明洞及二次衬砌接缝、沉降缝、伸缩缝等部位采用橡胶止水带、填塞沥青麻絮、土工布进行防水处理，在隧道中线路基下设置了直径500mm的中心排水管，在围岩与洞壁混凝土之间设置了竖向排水管并与中心排水管相通，洞内围岩中的地下水可通过洞底中心排水管排出洞外，但隧道经多年运行，且在隧道围岩地下水长期高渗压作用下，原采取的止水、排水、防渗等处理措施失效，造成洞壁渗水、涌水。

第五，从隧道出口洞底路基下中心排水管的排水情况看，东、西隧道洞内原有的排水系统运行比较正常，还具有一定的排水能力，但不能完全将隧道围岩内的地下水纳入该排水系统。

综上所述，地下水流向主要由西北向东南，顺隧道西侧石峡沟存在一地下水较强径流带，含水层为寒武系中统张夏组（∈2z）灰岩，富水性较强，西隧道漏水主要是由于该含水层侧向补给引起的。此外，隧道经多年运行，在隧道围岩地下水长期高渗压作用下，原采取的止水、排水、防渗等处理措施失效，造成洞壁渗水、涌水，也是造成渗漏的原因之一。

2.3 隧道渗漏部位侧向补给量估算

侧向补给量采用断面法计算，采用达西公式：

式中：Q侧补——侧向补给量，m3/d；

K——渗透系数，m/d；

I——地下水水力坡度；

W——计算断面的过水面积，m2；

β——地下水流向与隧道的夹角。

据钻孔抽水试验成果，渗透系数取3次降深计算结果的平均值，取K=17.23m/d；漏水范围长度取85m（本次西隧道调查的最大漏水宽度），据洞壁出水点高度，含水层厚度平均按4m考虑，则计算断面的过水面积W=340m2；地下水流向与隧道的夹角取β=50°；据石峡沟钻孔地下水位、孔与孔之间的水平距离，求得地下水水力坡度平均值为0.15。按式（1）计算得隧道侧向补给量为403L/min。

据隧道口排水点流量实测成果可知，隧道排水量为400L/min，与计算的隧道侧向补给量基本相当，说明隧道排水主要来自西侧石峡沟的侧向补给。

3 结论及建议

第一，根据雁门关水文地质资料和隧洞漏水量统计及研究区降雨统计，建立了雁门关隧洞区水动力场和渗流场反演模型，得到了各岩层入渗率和入渗强度：入渗率灰岩为0.3，变质岩为0.04。

第二，在丰水年，西洞渗漏量为7.9L/s，东洞渗漏量为3.17L/s，泉qs09-1渗漏量为5.2L/s，泉qs09-2渗漏量为4.8L/s，泉qs09-3渗漏量为11.2L/s。

第三，隧洞渗漏水主要来自灰岩裂隙水，即大气降水补给，由于泥岩和变质岩透水性较小，入渗地下水无法补给变质岩，而在灰岩形成了较高地下水位，在断层F1东南部隧道（K594+500—K594+826段）内，由于裂隙发育，灰岩内地下水沿裂隙渗漏到隧道内。在断层F1西北部隧道内，由于泥岩和灰岩阻水作用，灰岩发育较好，灰岩内地下水无法流入隧道内，因此隧道内没有渗漏点。

针对隧洞渗漏问题提出以下建议：由于隧洞渗漏水主要来自灰岩裂隙水，要查明渗漏通道，采用封堵的方法封堵来自隧洞附近的渗漏通道，同时将渗漏通道封堵段前方的水通过排不沟等设施导引到其他位置，以降低水压力因季节性波动带来的脉动影响；或者顺隧道渗漏地下水的来水方向设置排水设施，排泄地下水，防止或减弱渗入隧道内的水量。