长大铁路隧道水文地质勘察中存在的主要问题

李显伟

长大铁路隧道水文地质勘察中存在的主要问题

李显伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

由于勘察阶段勘探和试验工作受限或不够完善,影响到隧道涌水量预测的各主要因素难以准确确定,从而导致隧道设计预测涌水量不准确,施工中突、涌水灾害时有发生,进而严重地影响了隧道施工进度及安全。以部分已施工隧道为例,对施工阶段出现的问题与勘察阶段勘探和试验中各项工作完成的质量进行详细对照分析,找出目前长大隧道水文地质勘察中存在的主要问题,有助于今后有效进行隧道水文地质勘察,提高隧道涌水量预测的准确性,避免出现施工阶段的补充勘察及二次设计。

铁路隧道;长大隧道;突涌水;勘探和试验质量;水文地质

1 概述

近年来铁路建设中长大隧道的突水、涌水风险明显增加,隧道通过的构造断裂带、岩溶发育区突水涌水等问题比较突出[1]。隧道涌水的围岩介质以裂隙型和裂隙岩溶型为主要类型,其在渗透性能方面具有强烈的非均质性和各向异性,其特征具体表现为突水方位不确定,突水量大,水压力强,涌水量衰减缓慢,持续时间长,严重影响着围岩的稳定,威胁隧道施工的安全,严重者造成巨大的经济损失。除这些难以准确获得的客观水文地质特征外,决定涌水量预测准确性的主要人为因素就在于隧道的水文地质勘察质量和数量。我国西北地区设计施工的多条铁路隧道均出现了不同程度的突、涌水现象,水量大大超出设计预测水量,对隧道正常施工、工期要求、排水费用及运营等产生了重大影响。因而,在勘察阶段,查明隧道水文地质条件,为隧道设计提供可靠的水文地质参数,对减少隧道施工及运营阶段安全风险,降低经济损失意义重大。

2 水文地质勘察中存在的主要问题

从我国西北地区已建成和在建的秦岭、东秦岭、乌鞘岭、北天山、中天山、关角、翠华山、西秦岭等数十座工程地质、水文地质条件都非常复杂的长大隧道施工情况来看,长大隧道水文地质勘察中存在的主要问题如下。

2.1 隧道勘探手段有限

隧道作为地下线性建筑物,具有很强的隐蔽性,要查明大埋深隧道洞身的工程地质、水文地质条件,目前最常用也最有效的方法就是钻探。物探作为辅助手段,针对不同的勘察目的,在隧道勘察初期或在钻探条件受限时采用。在隧道岭脊埋深大的地段,受地形条件制约,勘探孔布置难度大而无法实施的情况较为多见,如秦岭、乌鞘岭、北天山、中天山、关角、西秦岭等埋深大的越岭隧道都存在这种限制[2]。详见表1。

表1 西北地区部分特长越岭隧道埋深数据

电测剖面法、高密度电法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、地质雷达法及折射波法等多种物探方法,作为隧道工程地质调查和地质学研究不可缺少的一种手段和方法[3],虽能够发挥一定的作用,但大于一定的深度,其准确性亦受到影响,且目前其探测精度仍有待提高。表1中隧道埋深超过600 m时,物探方法取得的数据准确性往往不佳。

目前,长大隧道地质勘察应用综合勘察技术,即采用遥感、地质调绘、综合物探、钻探、综合测井和试验等多种勘察手段密切配合,取得的地质资料相互验证,取长补短,但每一种勘察方法和测试手段都不可避免存在一些局限性或弊端,特别是隧道埋深大的地段,加上地形陡峻,植被茂密等因素叠加影响时,难以采用有效的勘察手段,获得准确的水文地质资料。

另外,量测方法陈旧,准确性相对较差,也会影响相应水文地质参数的计算结果,如目前水文地质勘察阶段最常用的浮漂法测量地表水流量的方法,虽然方便易操作,但测量精度差,计算获得的地下径流模数值误差较大。因而,基础勘探手段和设备仍有待提高和改进。目前国际上应用的水平定向钻探对勘察大埋深隧道工程地质、水文地质条件有很大的优势,可以沿隧道轴线钻进,是今后大埋深隧道勘察可选的方法,具有一定的应用前景。

2.2 水文地质勘探及试验孔数量不足

考虑经济因素,隧道工程水文地质钻探和试验往往是综合利用工程地质孔进行,由于水文地质试验耗时长,在工期要求紧的情况下,亦不会选择太多的钻孔进行水文地质试验。具体表现为:

2）长沙地区年平均雷暴日演化过程中存在5～6年、13～14年的尺度周期变化规律。其中，5～6年左右的周期振荡在1965—1980年表现明显，1980年左右，5～6年的周期信号呈减弱趋势，逐渐变为13～14年的周期振荡信号。

(1)钻孔的位置大多根据工程地质条件确定,钻孔的位置不是水文地质条件最典型地段或是富水地段,水文地质试验结果不具代表性;

(2)钻孔数量不足,由于隧道深埋,钻孔深、成本高且工期长,只能布置少量钻孔,因此不是每个富水段都有代表性钻孔,因而缺少水文地质参数,无法采用地下水动力学法等方法准确预测隧道涌水量。

我国在隧道勘察方面普遍存在这样的问题,西北地区部分在建和已建成特长铁路隧道钻探和水文地质试验工作量初步统计[4]见表2。随着我国综合国力的增强,以及客运专线、高速铁路的建设要求,近两年,我国隧道工程钻探量及水文地质试验孔数量已明显提高,有利于控制隧道地质、水文地质特征的各种因素均能充分展现出来,对隧道洞身附近构造发育程度及充填情况的判断也能够尽可能地接近真实、准确。

2.3 钻孔岩芯鉴定的细致和准确程度不够

在西北已建成和在建的多座隧道施工中,普遍存在对构造发育程度、充填情况、岩脉侵入情况的认知有一定差异及局限性的问题。由于钻孔揭示的范围和深度有限,在实际工作当中常常难以避免这种问题的产生,因此,加强钻探岩芯鉴定的细致和准确程度就显得尤为重要。如南疆线中天山隧道2号斜井[5]在开挖时发现中元古界片岩夹大理岩及闪长岩,受构造影响严重,节理、裂隙较发育—发育,节理张开度在斜井内量测大多达3 mm,为地下水的富集创造了良好的条件,最大涌水量达到14 600 m3/d,远超过设计预测的4 486 m3/d。这是由于勘察阶段受地面调查和钻孔压水试验数据等多方面信息误导,对洞身闪长岩岩脉及节理发育等因素的认知不足,在斜井设计涌水量预测计算时,对含水层厚度、影响半径取值偏小,导致预测的斜井正常涌水量和最大涌水量与实际涌水量有较大偏差。又如西南线东秦岭隧道[6]设计预测F5断层带为构造裂隙富水带,而实际开挖时其为贫水带。出现这种差异的主要原因,是由于F5断层(平移断层)为二级断层,断带地表裂隙发育,且附近有泉水出露;断层影响带位于脆性石英岩中,石英岩节理裂隙发育,且多为张性节理。从工程安全综合考虑,在设计阶段,将F5断层带划分为富水带亦是合理的。但勘察中未能认知到洞身位置F5断带碎裂角砾间多有泥质充填,且裂隙多呈密闭状,这一方面与钻孔揭示范围有限有关,另一方面也与岩芯鉴定的细致程度有关。因而钻探过程中钻孔岩芯鉴定的细致和准确程度十分重要,及时鉴定断层带及充填物质、侵入体裂隙发育程度、可溶岩含量及溶隙、溶孔发育程度等地质信息十分必要。

表2 西北地区部分已建和在建特长隧道钻探和水文地质试验工作量统计

2.4 洗孔不彻底

《铁路工程水文地质勘察规程》[7]规定基岩中宜采用清水钻进,实际情况是几乎所有的钻探均采用泥浆钻进,深孔历时时间长,一般情况超过7 d孔壁泥皮就开始硬化,时间越长洗孔越困难。如东秦岭特长隧道4号钻孔[8],孔深348.73 m,泥浆钻进,历时206 d。每个阶段只做一次二氧化碳洗孔。第一阶段抽水试验(0～200 m)降深S=72 m,出水量Q=22.20 m3/d;第二阶段抽水试验(200～348.73 m)降深S=144.2 m,出水量Q=15.90 m3/d。从抽水试验结果看,由于该孔洗孔不彻底,出现水位降深越大,出水量却减小的现象,从而引起计算的渗透系数K值比实际值偏小,造成岩体富水性的划分不准确,从而对隧道的涌水量预测准确性产生了一定的影响。

由此可见,水文地质试验前的洗孔质量是影响隧道涌水量预测准确性的又一关键因素,在以后的工作中应引起重视。

2.5 水文地质试验结果受人为因素的影响大

水文地质试验是取得必要水文地质参数和了解地下水运移规律的重要手段,是以钻孔或水井为平台,评价含水层的水文地质特征、富水程度和透水性。隧道勘察中常用的水文地质试验包括抽水、注水、压水、提水和连通试验等,其中,抽水试验是最主要、最常用的手段,抽水、注水、压水均有较成熟的方法和计算公式;而提水试验人工操作动水位难以控制,不易达到稳定,当水位较深时,测定动水位时间长,精度差。结合多年水文地质勘察实践经验,对隧道工程水文地质试验有以下几点建议。

(1)水文地质试验应以抽水试验为主,当没有抽水条件时,可采用注水或压水试验,尽量不做或少做提水试验。在下发钻探任务书时就应明确规定。个别钻机组有时为图省事不带抽水试验设备,总想以简单的提水试验代替抽水试验,配合人员应坚持原则。

(2)当水位很深并且水量很小时,可进行提水试验,但宜采用《铁路工程水文地质勘察规程》条文说明中介绍的定降深法,否则动水位难以稳定,会给水文地质参数计算带来困难。

(3)水文地质试验中,应进行必要的观测和测试工作,取得更多的基础资料信息。如襄渝线新麒麟隧道麒Z-2号孔[10],地层主要以寒武系及志留系下统云母石英片岩为主。该孔地下水类型为构造裂隙水,孔内水呈自流状态,当水位高出地面a=1.58 m时,观测自流量Q=442.54 m3/d;当水位高出地面b=4.15 m时,自流量Q=228.00 m3/d。经计算,推测静止水位ΔH=6.881 m,渗透系数K=5.631 m/d,影响半径R= 223 m。从这些数据可以看出,该孔自流量和渗透系数之大,在基岩中是很少见的。但是,该孔未进行水文测井,无法判断出水的具体位置,难以分析含水岩体与隧道的关系。同时,该孔也未测定水温,如果测定了水温,可根据增温率推测构造裂隙水运移和补给的深度。因而,初见水位、稳定水位、水温、水量测量及水文测井等观测和测试工作在隧道水文地质试验中均需认真对待,缺一不可。

(4)正确选择抽水试验类型。由于泥岩等相对隔水的基岩地层中地下水出水量远远小于其上部第四系松散层含水层,所以混合抽水会大幅度抵消上部松散层的渗透系数值,因而应根据分层抽水试验取得的不同类型含水层的各项水文地质参数,来进行隧道涌水量预测,结果才会符合实际情况。如宝兰客运专线渭河隧道采用“V”形坡[11]通过约3.3 km籍河河谷区强富水粗圆砾土、卵石土含水层,补充定测阶段专门采用了分层抽水试验,查明了松散层中的渗透系数K值范围在38.60～68.06 m/d,而不是定测阶段混合抽水取得的5.48～30.35 m/d,合理地预测了隧道涌水量,优化了隧道“V”形坡和辅助坑道方案,降低了施工阶段隧道发生突涌水灾害的可能性。

3 结语

隧道围岩涌水现象本身的复杂性和人们研究能力的局限性,使得地面调查及勘探资料与地下深处的岩体特征有所差异,因而隧道涌水量预测的不准确也是难以避免的。但对于隧道工程水文地质勘察工作,目前能够做到并且需要完善如下几点:

(1)认真全面做好隧道地面地质、水文地质调查、测量和分析工作,保证基础勘察资料真实、可靠;

(2)勘探孔的布置要合理,勘探量能够达到最大可能地揭示隧道重要的构造特征、不同岩性接触带和富水带位置的需要为宜;

(3)严格按照规范进行水文地质试验,洗孔质量是保证岩体富水性划分准确性的基础;

(4)积累经验,不断学习交流,掌握不同隧道突涌水原因,综合分析隧道区各种因素,合理选择适合隧道情况的参数进行涌水量计算,并在以后的工作中强化隧道水文地质勘察数据和实际涌水量的统计,验证预测结果,并修正模型参数,以提高涌水量预测的准确性;

(5)结合隧道地质超前预报,进行动态设计,及时跟踪,不断完善隧道涌水量预测结果。

[1] 何发亮,李苍松,陈成宗.岩溶地区长大隧道涌水灾害预测预报技术[J].水文地质工程地质,2001(5):21-23.

[2] 毕焕军,孟祥连,李响,等.长大隧道涌水量预测主要影响因素的分析研究[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2011.

[3] 黄春峰.合武铁路隧道超前地质预报技术综述[J].铁道标准设计,2007(S1):47-50.

[4] 毕焕军,李显伟,张庆珠,等.隧道水文地质汇编报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2011.

[5] 熊敏才.中天山特长隧道涌水量预测差异分析[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2011.

[6] 李显伟.东秦岭特长隧道涌水量预测差异分析[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2011.

[7] 中华人民共和国铁道部.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.

[8] 许贵.东秦岭特长隧道平行导坑施工地质超前预报总报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2002.

[9] 李显伟.太峪隧道水文地质报告[R].西安:铁道第一勘察设计院集团有限公司,2010.

[10]贾云翔.襄渝线新麒麟隧道水文地质报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2005.

[11]李显伟.渭河隧道水文地质条件分析对“V”形坡设计方案的优化与施工建议[J].铁道标准设计,2013(12):90-94.

Analysis on Main Problems in Hydrogeology Investigation Stage for Long and Large Tunnels

LI Xian-wei
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

If the exploration and experimental works in investigation stage are limited or not perfect,it will be difficult to accurately determine the main factors which affect the tunnel water inflow prediction; and consequentially this will make the water inflow prediction in tunnel design stage inaccurate,resulting in water inrush or water inflow hazards occurring in tunnel construction stage from time to time,and posing a serious threat to the tunnel construction progress and safety.To solve this problem,in this paper,some of the under-construction tunnels were taken as the examples,and then a detailed comparative analysis was carried out,between the problems existing in construction stage and the relevant exploration/experiment work qualities completed in investigation stage.As a result,the main problems existing in hydrogeology investigation stages for long and large tunnels have been found out in this study. This study can be useful for making an effective hydrogeology investigation in future,improving the accuracy of tunnel water inflow prediction,and therefore avoiding supplementary investigation and design alteration in construction stage.

railway tunnel;long and large tunnel;water inrush and water inflow;quality of exploration and experiment;hydrogeology

U452.1+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.019

1004-2954(2014)04-0083-04

2013-11-26;

2013-12-23

李显伟(1970—),女,高级工程师,1992年毕业于长安大学水文地质与工程地质专业,工程硕士,E-mail:xwli.163@163.com。