厦门文兴隧道近接东山水库段地下水连通试验研究

陈智强

（厦门市市政建设开发总公司，福建厦门 361008）

0 引言

近年来，随着我国城市建设的快速发展，原有的城市交通运输能力已经不能满足交通量迅猛增长的需求，提高城市交通运输能力已成为当前急需解决的问题，厦门也不例外。据分析，目前，厦门城市交通发展形势呈现如下特点[1]：（1）机动车总量不大，但增长迅速，尤以岛内为甚；（2）道路供给水平较好，但跟不上机动车发展的要求；（3）高峰期交通运行不畅，恶化趋势明显；（4）土地开发强度过大，加剧交通拥挤。

为改善交通现状，促进城市发展，厦门市已在岛内外规划了多条道路，但由于受地形的影响，为实现方便快捷的目的，不可避免地需要采用隧道的方式实现穿越。如2010年底通车的翔安海底隧道，即将开建的连接湖里区和海沧区的穿越厦门西海域的厦门第二西部通道等。这些修建于城市中的非穿山即穿海底的隧道，在建设过程中都会遭遇到水（地下水、海水）的威胁，而且一旦出现水害事故，不仅会影响到工程的建设，更会给城市人群带来生命、财产等的威胁，会对城市环境造成巨大影响。

本文以厦门市文兴隧道为工程背景，考虑该工程地质条件和水文条件，采用多种地下水连通试验方法，研究大气降水、水库水和隧道内渗漏水的关系，对文兴隧道通过近接东山水库段施工时，施工方法和施工工艺的选择有指导意义。

1 工程概况[2][3]

文兴隧道工程位于厦门市思明区，为山岭分离式双线城市隧道，左线全长2.021 km，右线全长1.993 km。隧道沿线多为山地、厂区及居民小区，隧道洞身处于弱～微风化岩体中，构造裂隙较发育，主要为III～Ⅴ级围岩，局部为较完整微风化岩体，围岩级别为Ⅱ级。左线隧道中段东侧为东山水库，距水库边线最近约20 m，文兴隧道经过水库地段，隧道底高程27.87～30.56 m，水库枯水季节水位高程98.5 m，隧道顶距离东山水库底部高差40m左右，见图1所示。

图1 文兴隧道与东山水库位置关系图

东山水库集水面积1.85 km2，总库容1.02×106m3。东山水库枯水期（见图2）库容量5×104m3～6×104m3，有水面积小，水深 3～4 m；雨季期（见图3）储量增加，库容量约 7.5×105m3。

图2 枯水期东山水库实景

图3 雨季期东山水库实景

1.1 工程地质

隧道沿线地貌单元属丘陵山地，山坡起伏较大，隧道沿线高程25.2～162.0 m，自然坡角5°～40°之间，部分地段大于50°。山上丛草、灌木密集，山体由燕山期花岗岩构成，由花岗岩球状风化形成的孤石形态各异，石球、石蛋十分发育，散落于山坡上，构成一道独特的自然景观。根据区域地质资料及地面工程地质测绘，黄厝-龙山断裂带经过隧道。该断裂带发育在燕山晚期花岗岩、燕山早期花岗斑岩和南园组火山岩中，总体走向北西320°，倾向北东，局部倾向南西，倾角 72°～85°。破碎带宽3～10 m，断层破碎带与东山水库相连，属压扭性断裂带。

1.2 水文地质

该地区地处亚热带，雨量充沛，且地下水补给充分，隧道中部高程为162.0 m，隧道两边进出洞口区高程为20～43 m，高差较大，地下水在强烈的交潜作用下，沿裂隙向两边低处渗流，雨季常在冲沟、山脚、陡坎处形成泉水出露地表，或渗流补给相邻含水层。地下水类型主要为孔隙潜水、裂隙潜水，主要赋存和运移于全风化花岗岩、强风化花岗岩孔隙、裂隙之中，以及弱风化花岗岩及破碎带裂隙之中。其次赋存和运移于残积亚粘土孔隙之中，属孔隙潜水。在基岩风化带中的裂隙水与其渗透性、涌水量与基岩的裂隙发育程度及连通性有关。据勘察揭露，基岩风化带节理、裂隙较发育，但多以闭合裂隙或充填裂隙为主，有渗水、滴水现象，局部节理、裂隙强烈发育带会有小股水流流出。地下水对隧道施工将造成不可预见的危害，也不排除该隧道断层破碎带可能存在有较好的富水性，尤其是雨季施工将会大大增加地下水的涌水量。

2 试验方法与试验流程

2.1 试验方法

2.1.1 氢氧稳定同位素试验

化学元素氢包括两种稳定同位素：氕（1H）和氘（2H或D），其丰度分别约为99.985%和0.015%（同位素丰度是指某元素的各种同位素的相对含量），同位素比率2H/1H=0.000 15。因同位素之间相对较高的质量差异，这种同位素比率的自然含量约为250‰。

氧有七种同位素，自然界中常见的只有三种：18O、17O、16O，它们都是稳定同位素，其丰度分别为99.76%、0.035%、0.2%。从严格意义上来说，观测17O的浓度几乎不可能为人们提供任何水文信息，相关的水文信息可以通过研究18O的变化获得，18O丰度较大，具有更准确的可测量性。

氢氧稳定同位素组成以δD（‰）和δ18O（‰）表示，分析结果以SMOW（标准平均海水）为标准，写成表达式即为：

δD（或δ18O）=[(R样品-R标准)/R标准]×1 000‰

式中：R样品和R标准表示样品和标准物中稳定性氢同位素（D/H）或稳定性氧同位素18O/16O的比值；δ值是样品同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差，即表示样品中同位素相对富集的一个指标。δ值偏正，表征样品重同位素富集，反之，则同位素贫化[4][5][6]。

2.1.2 水化学试验

通常，溶解于水中的主要离子，阳离子有Na+、K+、Ca2+和 Mg2+；阴离子有 Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-和CO32-。

所有溶解于水中的离子中，Cl-是最稳定的，即Cl-通过长距离的运动浓度几乎不会发生变化，这主要是由于氯化物在水中的溶解度较高，除了氯化铅、氯化银、氯化佗，而这些元素在水中的浓度几乎可忽略；同时，Cl-与岩层中其它离子的反应也可忽略；Cl-的稳定特性可用于地下水连通试验天然示踪剂，利用Cl-的浓度来探测水库水与隧道内渗漏水水力联系将更为准确。即如果水库水与隧道内渗漏水中Cl-的浓度相同，两者之间的水力联系较高，如果隧道内渗漏水中Cl-的浓度比水库水低，则两者之间的水力联系较低。

当SO42-的浓度较低时（低于200 mg/L），SO42-也较稳定，也可作为天然示踪剂。当SO42-浓度较高时，如果Ca2+的浓度增加，如碳酸钙的溶解时，SO42-将会与Ca2+生成CaSO4而沉淀。此时SO42-将不适合作为水的示踪剂。

阳离子与岩层中的成分易发生交换反应，通常不适合作为连通试验的示踪剂，尤其是碱性离子[7-8]。

2.1.3 水样系统聚类分析

系统聚类分析法是系统工程及其应用领域常用的一种系统内部结构分析方法，可对工程运行进行性态观测。系统聚类法也称层次聚类法，该方法的基本思想是：先将n个样品各自看成一类，这就有n个类，并规定样品与样品之间的距离和类与类之间的距离，样品之间的距离即为类间的距离。开始时，因每个样品自成一类，类与类之间的距离与样品之间的距离是相同的。然后，在所有的类中，选择距离最小的两个类合并成一个新类，并计算出所得新类和其它各类的距离；接着再将距离最近的两类合并，这样每次合并两类，直至将所有的样品都合并成一类为止。这样一种连续并类的过程可用一种类似于树状结构的图形即聚类谱系图（俗称树状图）来表示，由树状图可清楚地看出全部样品的聚集过程，并可自然客观地描述分类对象各个体之间的差异和联系，从而可做出对全部样品的分类。

2.1.4 人工示踪试验

人工示踪地下水连通试验的研究重点之一是示踪剂的选择。示踪剂选择依赖于该示踪剂的物理化学性质、天然地下水的背景值，以及其检测方法等，只有能方便有效地从天然地下水中识别出异常的示踪剂才是优质的示踪剂。

氯化钠是我国使用最为普遍，也是使用最早的一种化学示踪剂。氯化钠为无色或白色四方体结晶或结晶性粉末，微有潮解性。用氯化钠作人工示踪剂对环境基本上无损害，其缺点是背景值较大，并且常常有一定的波动性，它比较适合于小范围的简单连通示踪试验[7][11]。

2.2 试验流程

由上述基于氢氧稳定同位素试验、水化学试验和水样系统聚类分析三种天然示踪，以及人工示踪地下水连通试验方法的介绍，不难发现，天然示踪与人工示踪地下水连通试验在具体实施过程中有各自的优缺点和适用条件，具体见表1所列。

表1 天然示踪与人工示踪地下水连通试验对比分析表

进行地下水连通试验时，单一的方法得出的试验结论一定程度上并不一定说明各水体的补给关系及连通性，为了得到更多的证据，使得试验结果更具有说服力，应采用综合试验方法。经以上分析，可建立城市隧道地下水连通综合试验方法，其流程见图4所示。

图4 城市隧道地下水连通综合试验方法流程图

试验方法步骤如下：

（1）对研究区大气降水、水库水，以及隧道内渗漏水水样进行定期采集，送实验室进行氢氧稳定同位素δD与δ18O值与水化学测定。

（2）基于氢氧稳定同位素δD与δ18O值进行连通试验，判断隧道内渗漏水的补给来源。

（3）基于水化学分析进行连通试验，主要通过某些化学离子水迁移能力强的性质进行分析，判断水库水与隧道内渗漏水的水力联系。

（4）进一步利用水样系统聚类分析判别水体的补给关系及水力联系情况。

（5）若以上三种方法判断水库水与隧道内渗漏水不连通，则应根据隧道内渗漏水的渗漏范围及渗漏量大小，采取一定的措施进行封堵或者限量排放。

（6）若以上三种方法判断水库水与隧道内渗漏水水力联系较强，为进一步判断水库水与隧道内渗漏水的连通性，还应进行人工示踪地下水连通试验。

（7）若天然示踪与人工示踪连通试验结论都判明水库水与隧道内渗漏水存连通，则应根据具体情况，对隧道内出现的渗漏水进行处理。

3 现场连通试验

对文兴隧道近接东山水库段的大气降水、水库水和隧道内渗漏水进行了水样采集，采集时间从该段隧道施工开始到施工结束[12][13]。大气降水在下雨时采集；水库水在水库内采集；隧道内内渗漏水采样点包括 YK0+750（SDS1）、ZK0+970（SDS2）、ZK1+150（SDS3）、ZK1+257（SDS4）、ZK1+282（SDS5）、ZK1+320（SDS6）、ZK1+351（SDS7）、ZK1+390（SDS8）八处，采样点见图5所示。

图5 水样采样点位置图

4 试验结果分析

4.1 氢氧稳定同位素组成特征

图6为同位素水样的δD-δ18O关系图。

图6 同位素水样的δD-δ18O关系图

经过数据回归分析，拟合的厦门地区大气降水线方程如下式：

上式中相关系数R=0.992 6，接近于1，可见拟合的是一个线性特征非常明显的实验模型，即说明拟合直线能够以大于99.26%地去解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。从图6可以看出，厦门地区大气降水线（δD=7.48δ18O+4.42）斜率与我国大气降水线（δD=7.74δ18O+6.48）斜率相差不大，基本平行，相似度较高。

从图6不难发现，水库水的氢氧稳定同位素δD与δ18O值绝大部门落在厦门地区大气降水线右下方，有两点直接落在降水线上，水库水氢氧稳定同位素组成部分偏离于大气降水线，表明水库水受季节性变化的影响，经历了一定程度的蒸发作用而引起了同位素的变化。

从图6还可以看出，隧道内渗漏水水样氢氧稳定同位素δD与δ18O值落于大气降水线两侧且偏离不大，基本上在一条直线上，说明隧道内渗漏水的同位素组成特征与大气降水相似，从而说明该区隧道内渗漏水源于大气降水，是由大气降水的入渗补给的，降水量大时其裂隙潜水补给增强，渗漏水量也就增大。另外，据观察经过一段时间后，隧道内渗漏水量明显减少，进一步说明渗漏水来源于裂隙潜水，在无大气降水的情况下无补充。

4.2 水化学组成特征

利用Cl-和SO42-的稳定特性作为天然的示踪剂。由于Cl-和SO42-通过长距离的运动浓度只会增加而不会减少，因此，如果水库水与隧道内渗漏水中Cl-或SO42-的浓度分别是一样的，说明水库水与隧道内渗漏水之间的水力联系比较高，反之，如果隧道内渗漏水中Cl-或SO42-的浓度比水库水低，则说明两者之间的水力联系弱。

水库水的Cl-浓度分别为28.71mg/L、28.36mg/L、28.71 mg/L、28.67 mg/L、28.61 mg/L、28.52 mg/L、28.56mg/L，分别高于对应隧道内渗漏水的22.33mg/L、15.24 mg/L、6.38 mg/L、21.54 mg/L、20.24 mg/L、18.97mg/L、19.24mg/L；此外，水库水的 SO42-浓度分别为 22.29mg/L、20.36mg/L、12.30mg/L、18.64mg/L、17.64mg/L、16.58mg/L、17.61mg/L，亦分别高于对应隧道内渗漏水的16.14mg/L、18.44mg/L、8.84mg/L、16.59 mg/L、17.16 mg/L、15.43 mg/L、16.34 mg/L，由此说明水库水与隧道内渗漏水水力联系较弱或者本身就不存在水力联系。这也就验证了前面同位素分析中所述的隧道内渗漏水来源于裂隙潜水，而不是水库水。

4.3 水样系统聚类分析

由于隧道内渗漏水只可能有两种来源，即当地大气降水补给或水库水渗漏补给，因此将该区大气降水、水库水以及隧道内渗漏水进行合理的聚类即可查清隧道内渗漏水的补给来源，以及各水体之间的水力联系情况。

选取三种水体的21个样品进行聚类分析，拟定水样中δD、δ18O、Cl-浓度与TDS（矿化度）作为样品指标，见表2所列。

表2 聚类分析参数一览表

应用Spss17软件对选取的数据进行欧式距离聚类分析，采用欧式距离公式计算样品类与类之间的距离，得到的聚类结果见图7所示。从图7可以看出，首先样品1—7归为一类，15—21归为一类，但最终样品1—7、15—21归为一类，8—14归为一类。

图7 欧式距离聚类分析树状图

上述分析结果表明，隧道内渗漏水与大气降水的δD、δ18O、Cl-浓度与TDS在聚类过程中差异性小，而与水库水差异性较大。

由于三种天然示踪地下水连通试验查明了水库水与隧道内渗漏水点不存在水力联系，隧道内渗漏水补给来源为大气降水，因此，按试验流程，无需进行人工示踪地下水连通试验。

5 结论及建议

通过总结分析，可得出如下结论：

（1）基于氢氧稳定同位素δD与δ18O值进行天然示踪连通试验，分析得出：隧道内渗漏水的同位素组成特征与大气降水相似，从而说明该区隧道内渗漏水源于大气降水，是由大气降水的入渗补给的。

（2）水化学试验结果表明，隧道内各渗漏水点中的Cl-和SO42-离子浓度低于水库水，说明水库水与隧道内渗漏水水力联系弱。

（3）基于Spass17水样系统聚类分析法，采用欧式距离公式计算样品类与类之间的距离，选取不同的样品指标进行聚类分析。可知，隧道内渗漏水与大气降水所选取的聚类样品在聚类过程中差异性小，而与水库水差异性较大，说明水库水与隧道内渗漏水不存在水力联系，渗漏水补给来源为降水入渗的裂隙潜水。这也验证了基于氢氧稳定同位素和水化学分析的地下水连通性试验结果。

针对隧道内出现渗漏水的实际情况，为了保证顺利通过近接东山水库富水断裂破碎带，建议采取以下措施确保隧道施工安全：

（1）施工过程中避免强爆破大断面掘进，以免造成原闭合的裂隙张开而导水，致水库水渗漏进入隧道，所有爆破均应采用毫秒微差控制爆破，达到减震作用。

（2）开挖后及时进行初期支护与临时支护施工，初期支护与临时支护措施本着“宁强勿弱”的原则，紧跟开挖进行，尽早封闭成环，以减小围岩松弛变形。

（3）在初期支护完成后，为了保证围岩的稳定，防止过大变形，从安全角度出发根据量测情况及时施作二次衬砌。

（4）加强现场监控量测，加密量测断面，加强对围岩拱顶下沉、周边位移收敛，以及隧底隆起的监测，及时进行量测结果分析反馈，以指导施工及判断各项支护参数是否合理有效，及时调整支护参数，确保施工安全顺利进行。

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