某铁路隧道水文地质分析及涌水量预测

李建伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

工程地质超前预报是前沿性研究课题，而水文地质分析是工程地质超前预报的重要内容[1］[2］，研究的完善程度对重大工程施工运营安全具有指导意义。黄涛、王建秀[3］[4］等学者对隧道涌水的物理地质特征、数理计算方法进行了探讨，然而这些研究很少涉及物探测试，多注重地下水化学的流场分析。

研究区内铁路隧道位于内蒙地区燕山余脉与阴山的交汇地带，全长28.94 km，属于铁路双线越岭特长隧道。该工程已完成初步设计阶段的地质调查勘测工作，施工钻孔27孔，其中共进行水文地质试验21孔，综合测井8孔。隧道全线进行了贯通物探测试，结合大面积的水文地质调绘，为研究本隧道的水文地质条件提供了基础。

1 隧址区地质概况

1.1 地形地貌及地层

隧址区处于内蒙古高原向松辽平原的过渡地段，地貌属剥蚀中低山区。部分地段山体基岩多裸露，植被稀疏，仅个别沟谷中有人工林发育。隧道范围内地势总体东北高，西南低，隧道顶部山势雄伟，地形崎岖复杂，多呈悬崖陡坎，沟谷切割强烈。隧道所处山脉海拔高程一般在1 182～1 902 m之间，洞身最高点高程为1 746.4 m，隧道最大埋深696 m。

隧道范围穿越地层复杂，进口为第四系上更新统风积新黄土;洞身范围经过的主要地层为二叠系哲斯组中段变质砂岩，燕山期晚期二长花岗岩及闪长玢岩，侏罗系土城子组细砂岩，出口为二叠系哲斯组上段变质砂岩。另外山涧沟谷底部多有第四系全新统冲洪积圆砾土、卵石土，缓坡分布上更新统坡洪积角砾土，坡脚分布上更新统风积新黄土。

按照岩石强度等级与地质成因，二长花岗岩具似斑状—斑状结构，基质具细中—粗中粒花岗结构，块状构造，节理裂隙较发育—不发育，坚硬，隔水性质较好。闪长玢岩为中细—中粗粒结构，似斑状构造，节理裂隙较发育—不发育，多为侵入岩脉，隔水性质较好。变质砂岩为细粒变晶结构，条带状构造，节理裂隙较发育，在出口段破碎呈束状，具有一定的亲水透水性。

1.2 地质构造

隧址区大地构造上位于阴山东西向造山带，在强烈的褶皱造山地质构造运动及第四纪冰川作用下，区域发生多期岩浆侵入活动，分别有三期侏罗纪花岗岩侵入和一期白垩纪花岗岩侵入，表层基岩为较老的侏罗系和二叠系地层。老地层在岩浆侵入过程中发生区域热变质，形成变质砂岩，变质板岩等。在花岗岩与变质岩体接触面多发育接触性断层错动，两侧岩体破碎。该地区地质构造应力强烈，岩体产状多呈陡倾角产出，产状多为NW及SE方向。隧道所通过的变质岩及侵入岩山体结构面发育。这些结构面中既有沉积层面、不整合接触面、影响宽度达到250 m的区域性的断层带，又有密集的节理面，节理面的间距为0.05～2 m。结构面、断层和节理裂隙叠置组合在一起构成了隧道的构造破碎带，隧道工程地质剖面见图1。

图1 某铁路隧道工程地质剖面示意

根据现场水文地质及工程地质调绘、物探、钻探成果揭示，隧道通过地段共发育断层20余条，隧道穿越的构造破碎带主要为以下几段。

DK477+460～DK477+730段:分布正断层 F6、F7，断层影响宽度约35 m，岩性为侏罗系土城子组砂岩及砾岩。节理裂隙发育，岩体破碎，呈片状，块石状;发育一组近约70°的陡倾节理，节理间距5～15 cm，影响岩体稳定。物探揭示该段有两低阻异常条带。

DK481+720～DK482+560段:分布正断层F10、F11，断层影响宽度约60 m，岩性为二叠系哲斯组中段青灰色变质砂岩。节理裂隙发育，岩层陡倾状态，倾角50°，岩体破碎，呈碎块状。物探揭示该段分布低阻异常带。

DK490+880～DK491+140段:分布逆断层F13、正断层F14，断层影响宽度约40 m，岩性为燕山期浅肉红色二长花岗岩。节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎块状。物探揭示该段为低阻异常带，存在明显电性分界。

DK496+950～DK497+170段:分布正断层F21，其影响带宽度约50 m，岩性为二叠系上统哲斯组上段变质砂岩，强—弱风化，岩层处于陡倾状态，倾角53°。物探亦揭示该段为低阻异常区。该段落节理裂隙发育，岩体破碎，地下水类型以基岩裂隙水和构造裂隙水为主，地下水较丰富，为重点考虑段落。

2 隧址区水文地质特征

2.1 河流水系及气象

隧址区南部为东西向的西拉沐伦河，南部降水多沿沟谷流向碧柳沟河，然后汇流进入西拉沐伦河;北部为乌梁苏台河，北部诸沟降水流入乌梁苏台河，最终汇入西拉沐伦河。

隧址区属东亚中温带亚干旱大陆性季风气候区，终年干旱少雨，历年平均降水量为372 mm，历年平均蒸发量为1 390 mm，降水多集中在7、8月份，蒸发量远远大于降水量，大气降水对地下水的丰枯程度及动态变化起控制作用。

2.2 含水层及地下水类型

依据地下水赋存条件，区内地下水以第四系孔隙水、基岩裂隙水为主，另存在少量松散岩类孔隙水。在断层和不同岩层接触破碎带存在构造裂隙水。

第四系孔隙水:分布于测区的河谷冲积阶地、坡洪积山间谷地。含水层岩性、厚度、富水性因地而异。含水层岩性东部以砾卵石为主，颗粒较粗;西部为粉细砂含砾、砂砾层，颗粒相对较细。

基岩裂隙水:分布于低中山区，岩性主要为花岗岩类和变质砂岩。测区花岗岩风化裂隙发育、风化壳厚20～30 m。变质砂岩节理裂隙发育，岩体较破碎。测区南部平房沟附近存在碎屑岩类孔隙水。

2.3 地下水补给、径流、排泄特征

区内地下水的补给、径流、排泄受地形地貌条件控制。隧道所处东部中低山基岩裂隙区为补给区，西部坡洪积与沟谷区成为径流、排泄区。

(1)地下水的补给特征

隧址区广泛分布的基岩，在内外营力长期作用下，致使岩层节理裂隙较为发育，为降水的直接渗入创造了有利条件。中山区基岩裸露，第四系堆积物覆盖薄或无覆盖，节理裂隙多未充填，富水性相对较强;低山区第四系堆积物较发育，山坡植被覆盖，基岩出露条件相对较差，富水性较弱。裂隙发育特点是表层以风化裂隙(多为花岗岩)为主，泉水出露较多，构造裂隙一般仅沿断裂两侧呈脉状、带状发育。大气降水及地表沟谷河流的垂向渗入补给，是区内各类地下水形成的主要来源。

(2)地下水的径流特征

隧址区地形坡度较大，沟谷纵横，切割较深，地表径流条件良好，大部分降水可汇集成地表水快速顺坡径流。小部分降水入渗补给基岩裂隙水，除在流经途中以泉水形式排泄于沟谷外，大多以潜流形式补给第四系孔隙水或深层基岩裂隙孔隙水。

地下水在得到入渗补给后即沿孔隙或裂隙自高而低作水平运移，地下水的流向与地表水流向基本一致，总的方向是自东北向西南流动，水力坡度较大，隧道区径流条件良好。

(3)地下水的排泄特征

隧道区内泉水流量、民井水位随季节降水而变化，地下水位年变幅小于5 m。

区内地下水排泄方式主要有泉水、沟谷水向区外的径流、附近村民生活用水、农田灌溉以及垂向蒸发等。其中地下径流为其主要排泄方式，蒸发为本区普遍的重要排泄方式之一。

3 隧道涌水量计算

综合基岩裂隙水发育情况、断层构造带和隧道低埋处的影响，结合现场调查，推测断裂破碎带处可能为地下水富集带。因此在相应位置布置钻孔，并进行抽水或压水水文地质试验，以求得岩土体的水文地质参数。

3.1 钻孔水文地质试验

根据实际情况，隧址区共完成21个单孔水文地质试验。对于抽水试验，结合现场钻孔的试验井类型及地下水水力类型，采用《铁路工程地质手册》中的抽水试验计算公式[5］;对于压水试验，由于实际试验段底部距隔水层之厚度大于试验段长度，采用公式如下[5］

式中 K——渗透系数/(m/d);

ω——单位吸水量/(L/min·m2);

l——试验段长度/m;

r——钻孔的半径/m。

求得不同钻孔覆盖层及不同风化程度基岩对应的渗透系数K结果如表1所示。由表1可以看出，隧道范围内浅部岩体的透水性和赋水性相对较强，向深部表现为由强→弱→微弱透水与非含水的变化规律，岩体渗透性与地质构造环境之间存在着相互关系。

表1 隧道水文孔渗透系数计算结果

3.2 隧道涌水量预测

隧道区内构造破碎带较发育，根据不同水文参数及地质情况，隧道涌水量计算分段较多。限于篇幅，仅选取具有代表性的DK496+950～DK497+170构造破碎段落进行涌水量计算。

DK496+950～DK497+170段:隧道穿越地层为二叠系上统哲斯组上段变质砂岩，强—弱风化，分布断层破碎带及其影响带F21，岩层处于陡倾状态，倾角53°。物探亦推测该段为低阻异常区。该段落岩体破碎，地下水类型以基岩裂隙水和构造裂隙水为主，地下水较丰富。渗透系数可参考18号钻孔水文地质试验计算结果。

(1)涌水量计算公式的选取

在研究和总结国内外有关地下水的预测方法基础上，从快速适用、可行的角度出发，同时又遵循有关国家标准规范，有选择性地运用如下多种方法进行预测计算，这些方法包括地下水动力学方法、理论公式法以及经验公式法等[5-10］。

①柯斯嘉科夫理论公式

②佐藤邦明经验式

③最大古得曼法经验式

④正常、最大涌水量经验公式

⑤大岛洋志半理论半经验公式法

⑥落合敏郎半理论半经验公式法

式中 Q——隧洞涌水量(m3/d，Qs为段落稳定涌水量，Q0为段落最大涌水量);

q——单位涌水量(m3/d·m，qs为稳定单位涌水量，q0为最大单位涌水量);

K——含水体的渗透系数/(m/d);

L——通过含水体的隧洞长度/m;

α——降水入渗系数;

m——洞身横断面等价圆系数，一般取0.86;

ε——平均试验系数，一般取12.8;

W——年降水量/mm;

A——通过含水体段的集水面积/km2;

H1(h2)——为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离/m;

H(hc)——含水体有效厚度/m;

h0——洞内排水沟假设水深/m;

d——洞身横断面的等价圆直径/m;

r(r0)——洞身横断面的等价圆半径;

B——为洞身横断面宽度/m;

R——隧道涌水影响半径/m。

(2)涌水量预测计算结果

分别根据以上涌水量公式对 DK496+950～DK497+170段进行计算，并根据结果综合考虑，对该段落的涌水量预测推荐值如表2所示。

表2 DK496+950～DK497+170段涌水量计算结果

由表2可知，隧道内DK496+950～DK497+170构造破碎段的正常涌水量为3 199 m3/d，最大涌水量为7 860 m3/d，属于强富水段。

同理，通过以上方法对隧道其余段落进行涌水量预测计算，可知隧道在断层和不同岩性接触面破碎带、隧道沿线沟谷的第四系含水层、岩层破碎的隧道浅埋区都是潜在涌水的重要地段，属于中等—强富水段。

4 结束语

(1)隧道范围内断裂、节理裂隙面与结构面组成的破碎带为渗水的主要通道，降雨形成的地表水是地下水的主要补给来源。地下水以第四系孔隙水、基岩裂隙水为主，另存在少量碎屑岩孔隙水，在断层和不同岩层接触破碎带存在构造裂隙水。隧道内DK496+950～DK497+170构造破碎段的正常涌水量为3 199 m3/d，最大涌水量为7 860 m3/d，属于强富水段。

(2)通过隧道勘探孔的水文地质试验及调查，可知隧道范围内浅部岩体的透水性和赋水性相对较强，向深部表现为由强→弱→微弱透水与非含水的变化规律，岩体渗透性与地质构造环境之间存在着相互关系。

(3)综合多种方法预测涌水量，隧道在断层和不同岩性接触面、破碎带、隧道沿线沟谷且岩层破碎的隧道浅埋区都是潜在涌水的重要地段，属于中等—强富水段，可能会发生集中涌水、涌泥等问题，在工程施工中应重点关注。

[1]黄润秋，王贤能，唐胜传，等.深埋长隧道工程开挖的主要地质灾害问题研究[J］.地质灾害与环境保护，1997，8(1):50-68

[2]刘 高，杨重存，谌文武，等.深埋长大隧道涌(突)水条件及影响因素分析[J］.天津城市建设学院学报，2002，8(3):160-166.

[3]黄 涛，杨立中.渗流与应力偶合环流下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究[J］.铁道学报，1999，21(6):75-80.

[4]王建秀，杨立中，何 静.深埋隧洞涌水量数值计算中的试算流量法[J］.岩体力学与工程学报，2002，21(12):1776-1780

[5]铁道第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M］.北京:中国铁道出版社，2002.

[6]铁道第一勘测设计院.TB10049—2004 铁路工程水文地质勘察规程[S］.北京:中国铁道出版社，2004.

[7]王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础[M］.北京:地质出版社，1995

[8]朱大力，李秋枫.预测隧道涌水量的方法[J］.工程勘察，2000(4):18-22

[9]铁道部.铁路供水水文地质勘测规范[S］.北京:中国铁道出版社，1996

[10］聂志宏，张 弥，白李妍.用经验公式计算隧道涌水量[J］.铁道标准设计，2000，20(6):48-49