南方某铁路隧道高承压水段落勘察

张显明

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 地质概况

该隧道进口位于广东省，全长5 406 m，最大埋深约465 m。本地区属亚热带半湿润气候区，雨量充沛，年平均降水量1 598 mm，年最大降水量2 138.8 mm，年平均蒸发量1 442.4 mm，年最大蒸发量1 685.8 mm，降水量远大于蒸发量。

隧址区地层岩性主要为第四系残坡积粉质黏土、石炭系下统灰岩、页岩，奥陶系中下统千枚岩、石英砂岩、页岩和砂岩及燕山期花岗斑岩。

隧道于IDK340+000～IDK340+100段通过一小型向斜，岩性主要为奥陶系中统缩尾群(O2sw)弱风化千枚岩夹变质石英砂岩，向斜于线位小里程侧岩层产状为105°∠58°，大里程侧为 350°∠35°。向斜核部岩层产状平i缓，裂隙发育，为储水构造，区内富水。

综合物探解析、区域地质资料(1/20万、1/5万)、调绘资料及钻探、试验资料分析，本隧道穿过9条断层及其次生断层，带内岩体破碎并富水，异常带内电阻率为50～200Ω·m，分析认为低阻异常是由于二长花岗斑岩体侵入造成对地下水的阻隔而富水所致。

2 区域水文地质条件勘察

2.1 综合勘察

该隧道前期勘察阶段在充分收集、研究1/20万、1/5万区域地质资料、航片判释和隧道外业地质调绘的基础上，结合工程设计情况，合理布置了物探及勘探孔，用EH-4大地音频电磁法及高密度电法贯穿该隧道，根据隧道地层岩性、地质构造、地层接触带、地形埋深情况，在隧道进出口及洞身段共布设浅孔9个和深孔2个，并在孔内进行了孔内摄像、综合测井、水文测井、深孔抽水试验、放射性测试、岩土及水质分析室内试验等工作，基本查明了该隧道的地层性质、风化层厚度、地质构造、地层接触带及地下水的分布和富水情况，并提出了高承压水分布段落以及超前预报重点段落及方法。

2.2 区域水文地质调查

区域水文地质资料研究精度较低，根据水文地质调查，洞身地表发育深切沟谷，多常年流水，并形成各种小瀑布，流量较大，雨季水量增加;在隧道洞身附近的沟谷出露有泉水，山体多处出露下降泉，流量27.7～157.3 m3/d。

2.2.1 地下水的赋存条件及类型

测区地处亚热带，雨量充沛，地下水的补给来源充足。隧道出口端分布多条北东向的断层破碎带及其影响带、多条花岗斑岩侵入接触带，岩层较为破碎，裂隙发育，为地下水的富集及径流提供了较好的空间和通道。断层对地下水的赋存及径流有明显的控制作用;花岗斑岩侵入体，具有一定的阻水作用，使地下水排泄不畅(地表泉水较少)，水压上升。隧道洞身地段的地下水主要为基岩裂隙水，出口端多具承压性。

根据现场调查，结合钻探资料及区域资料综合分析，预测隧道进口地段涌水量较小，地下水不发育，隧道出口地段，特别是沟谷浅埋地段，岩体破碎，受构造影响，隧道开挖时突水可能性大。采用大气降水入渗法、地下水动力学法及地下径流模数法对隧道涌水量进行预测，综合以上两种计算方法，本隧道正常涌水量取10 023 m3/d，最大涌水量取14 282 m3/d。

2.2.2 地下水补给条件

本隧道地下水主要接受大气降水入渗补给、地表沟水入渗补给和基岩裂隙水侧向补给，地下水补给充沛。隧址区地表未见水库和大型河流，但分布较多具有季节性和常年流水的沟谷，沟谷水流的源头起自隧址区。

2.2.3 地下水径流、排泄条件

本隧道地下水(基岩裂隙水)普遍具有埋藏浅的特点，但受岩浆侵入体的作用，地下水径流途径受组，排泄不畅(调查时少见泉水)，但附近断裂切穿不同含水岩组，成为深循环的径流通道。

3 承压水段落勘察

3.1 勘察方法及原则

根据区域资料及大面积地质调绘并结合物探成果，为查明隧道通过地段工程地质及水文地质情况，尤其是查清楚断层带富水情况和承压水发育情况，必须选择合适位置进行深孔钻探，并结合深孔钻探进行孔内综合测井工作。该工作的重点在于深孔位置的确定及深孔测井资料的分析整理。

由于深孔钻探的难度大，成本高，工期长，深孔数量的确定及位置的选择显得非常重要，该项工作必须建立在充分研究物探成果及地质调绘成果的基础之上，做到有的放矢，一孔多用，避免简单按照钻孔间距控制原则来计算深孔布置数量。深孔的位置选择首先要考虑该位置需要解决的重点地质问题。该隧道勘察的深孔布置就是选择了物探低阻带及地表有泉眼出露的沟谷地带，初步分析了地质构造及地层变化接触情况，认为有必要查清楚该段地下水富水情况，查明其地下水流量、水压极其在洞身以上部分空间分布发育和变化情况，以便结合前后资料整体分析隧道走向范围承压水分布发育情况。

其次，由于深孔钻探的困难性和特殊性，在初步确定深孔平面布置的位置后还需到现场进一步踏勘钻探设备进场条件，有些断崖、峭壁等无法到达的地方需要重新调整位置，尽量做到既能达到勘探目的，同时控制勘探成本、人员安全和工期需要。本隧道勘察时在分析利用9个浅孔资料的基础上共增加布置深孔2个。

3.2 深孔钻探工作重点及内容

深孔钻探主要目的是查明隧道洞身部分地层变化情况及岩体破碎情况，在富水隧道还有查明和确定含水层部位、厚度及含水层间补给关系的重要作用。深孔钻探工作的主要内容除了岩芯钻取和描述外，一项更重要的工作是做好深孔抽水试验及孔内综合测井工作，所采用的测试方法有:三侧向电阻率、梯度电阻率、自然电位、人工伽玛、自然伽玛、声波速度、井液电阻率、井温、井径、井斜等，分析综合各测井曲线在不同地层中所表现出的物性特征、曲线变化形态、幅值大小、物性数值变化范围，结合钻探资料来划分地层、判断构造、确定岩体完整性和风化程度，确定含水层部位及含水层间补给关系，同时在花岗岩地层须测量放射性对施工人员安全影响。

3.3 深孔钻探及综合测井成果

钻探显示隧道通过的地层内赋存地下水，主要为基岩裂隙水，进口段经钻孔提水试验知基岩裂隙水水量不大;但出口端 SSZ-9、DSBJSZ-6、DSBJSZ-7钻孔均揭示出承压水，尤其SSZ-9与DSBJSZ-7钻孔揭示的承压水水量较大，自孔口向外溢出。

SSZ-9勘探孔位于IDK341+044左8 m，孔口高程183 m，设计孔深141 m，实际孔深141.5 m。施钻过程中孔深36 m开始涌水，涌水量0.5 m3/h，水头高于孔口1.3 m;孔深68.2 m时涌水量增大，涌水量0.8 m3/h，水头高于孔口1.9 m;孔深126 m时涌水量最大，流量达16.68 m3/h，经长达30 d的观测，流量稳定，孔口测水压达0.42 MPa。终孔后做综合测井及水文测井试验，结果反映:岩体在36～48、60～65.1、95.6～97.6、109.6～128.6 m破碎。由井液电阻率和井温曲线反映，113.00～118.00 m为含水层，地层水渗出向井口补给，水量较大。

DSBJSZ-7勘探孔位于D3K342+260左88 m，施钻过程中孔深38 m开始涌水，涌水量达4.5 m3/h，流量稳定。

3.4 钻探成果分析

IDK340+940～IDK341+200段根据SSZ-9钻孔揭示承压水的情况和地层岩性、地质构造及隧道的埋深等，该段隧道隧底处的水压按静水压力计算约为2.0 MPa。

IDK341+560～IDK341+730段根据DSBJSZ-6钻孔揭示承压水的情况和地层岩性、地质构造及隧道的埋深等，该段隧道隧底处的水压按静水压力计算约为1.0 MPa。

IDK342+140～IDK342+400段根据DSBJSZ-7钻孔揭示承压水的情况和地层岩性、地质构造及隧道的埋深等，该段隧道隧底处的水压按静水压力计算约为1.2 MPa。

因地下水的复杂性，承压水的段落及水压可根据隧道超前地质预报和施工开挖情况进行调整。其中断层破碎带、侵入岩接触带、IDK340+940～IDK341+200强富水段、IDK342+140～IDK342+400强富水段、IDK342+600～IDK342+720强富水段必须采用超前地质钻探预报，预报方法为TSP、地质素描、红外探测、超前地质钻探等，避免突水现象的发生。

4 施工阶段勘察

施工阶段勘察工作以超前地质预报为主。该隧道开挖阶段启动高风险隧道管理程序，在建各方认真履行各自职责并加强配合工作，重点做好超前地质预报工作和方案会商工作，做到“不探不挖，探不明不挖”，经各方协调努力，保证了施工安全万无一失。

施工阶段勘察按照最严格超前地质预报方案，即以超前钻探为主，必要时进行取芯钻探，辅以TSP、地质素描、红外探测等常规手段，超前预报实施前由设计单位出具专门的超前预报方案，经建设单位研究批准后实施，超前地质预报结果分析以设计单位为主，并出具书面超前地质预报成果结论分析报告，方案会商须在各方充分研究地质背景资料的基础上并结合实际开挖情况和治理效果不断进行调整优化，必要时还邀请业内知名专家到现场指导工作。

4.1 超前地质预报设计原则

(1)物探和钻探相结合，以钻探为主，长短结合。

(2)物探与钻探互相验证，延续整个预报段落。

(3)一般先物探，后钻探，物探指导钻探，钻探应验证物探异常。特殊地段需补充物探范围，查明一定区域范围地下水分布发育空间情况。

4.2 超前预报工作方法

(1)封闭掌子面，喷射20 cm厚C25混凝土。

(2)钻探采用长短结合方法，探测掌子面前方围岩的岩性、强度、完整性、富水性，然后根据掌子面素描观察隧道围岩的变化，统计节理组数及其形态的变化，推测前方可能出现突水的位置，对可能出现承压水地段进行单孔水平钻验证。钻孔时需安设孔口管及高压闸阀，当遇有高压水时，要立即安全拔出钻具，关闭孔口管的高压阀门，等待制定处理措施。

(3)一般在上台阶掌子面施作超前水平钻孔，长钻孔不少于3个，尽可能采取岩芯，对岩石成分准确定性，记录好钻进过程水量、水质变化情况。水量变化要求准确测量，每2 h测定一次。钻孔位置距离拱顶开挖轮廓线约2～3 m，偏、仰角约10°，钻孔长度大于50 m;短孔6 m长，在拱墙周边均匀布置，外插角40°。

(4)超前钻孔原则上应连续重叠式进行，重叠长度5～8 m，短钻孔搭接长度3 m，无论何种情况，上下左右做安全储备的止浆岩盘应不小于3 m。

(5)除钻探外，每个开挖面均需进行地质素描，并结合使用红外探水和 TSP进行综合探测，必要时TSP203两侧边墙同时施作。

(6)超前地质预报成果应提供横、纵断面图及超前地质预报分析报告。根据超前地质预报结果组织会议讨论，详细制定下一步工作方案。

4.3 处理方案

承压水段施工方案主要以加强超前支护及开挖后初期支护为主，为避免地下水流失对环境的破坏作用，具体措施以堵水为主，同时为避免水压回升对隧道结构影响，做好限量排放工作。其安全风险控制重点环节是做好超前支护措施，避免突水事故发生，要求开挖时加强超前帷幕注浆监督程序，认真做好注浆后检测工作，注浆效果不理想时须重新研究注浆液选择和工艺调整。

由于前期勘察工作比较到位，及时发现并关注了高承压水问题，虽然因其他因素线路无法绕避高承压水段落，但环环相扣的勘察程序为该隧道能安全通过该高风险段落创造了条件，也为同类型非可溶岩隧道承压水勘察和施工积累了经验。

［1］ TB10012—2007、J124—2007 铁路工程地质勘察规范［S］.

［2］ TB10027—2001、J125—2001 铁路工程不良地质勘察规程［S］.

［3］ TB10013—2010、J1089—2010 铁路工程物理勘探规范［S］.

［4］ TB10049—2004、J339—2004 铁路工程水文地质勘察规程［S］.

［5］ 铁建设［2008］105号 铁路隧道超前地质预报技术指南［S］.

［6］ GB50108—2001 地下工程防水技术规范［S］.