某铁路隧道涌水量预测分析与防护措施研究

2014-07-25周彦杰张志发

铁道勘察 2014年5期

关键词：第四系涌水量物探

周彦杰张志发

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

某铁路隧道涌水量预测分析与防护措施研究

周彦杰张志发

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

结合某铁路隧道工程实例，在对隧址区的地形地貌、岩性、构造及水文地质特征综合分析的基础上，通过现场抽水、压水试验获得各段落围岩体的渗透系数，运用地下水动力学、经验公式等方法，对隧道的正常涌水量和最大涌水量进行计算预测，提出了设置排水通道，加强监控量测等防护措施。

水文地质涌水量预测护措施

隧道涌水是工程建设中常见的地质问题和安全隐患，严重的涌水常常危及到隧道施工及后期运营安全。据统计，目前我国铁路隧道近6 000座，其中约40%的隧道存在着不同程度的涌水或渗漏水[1-3]，影响了铁路的正常运营。因此，加强对隧道涌水灾害的预测及防护研究，对于保证隧道工程质量，保证铁路安全运营，以及提升铁路建设水平，均有十分重要的现实意义。有关涌水量预测研究已经有近半个多世纪的历史，近几十年来，随着铁路交通事业的飞速发展，无论研究的深度和广度都有了很大的拓展，许多学者和工程技术人员曾提出和发展了很多方法[4]。

结合某铁路隧道工程的地质情况，将水文地质分析与隧道涌水量计算相结合，对隧道进行涌水量计算预测并提出防护措施，为隧道设计、施工提供理论依据。该隧道是某改建铁路双线取直工程的一个重点工程，隧道进出口均位于山坡上，植被稀少，基岩裸露，坡度40°～60°，隧道全长11 360 m，最大埋深约240余m，为双线单洞隧道。隧道穿过多条大型断层，且隧址区水文地质条件较复杂，隧道穿越该类地层时，极大可能会遇到较大规模涌突水，会对工程带来不利影响。因此，对隧道开挖涌水量进行计算预测和分析研究十分必要。

1 隧址区地质概况

1.1 地形地貌及地层

隧道位于内蒙古高原向松辽平原的过渡地段，属构造剥蚀中低山地貌，地势总体东北高，西南低，地形起伏较大，山势陡峻，高差悬殊，隧道顶部大部分被第四系覆盖，偶有基岩出露，山势陡峭，地形崎岖复杂，局部多悬崖陡坎。区内冲沟发育，沟谷狭窄，切割强烈，谷底可见砾石块石，谷坡植被茂密，基岩零星出露。隧道所经山脉绝对高程一般在1 115～1 300 m之间，最高点(DK494+200.0附近)高程为1 342 m，隧道最大埋深246 m。

隧道范围穿越地层较复杂，进口为第四系上更新统坡洪积粗角砾土，洞身范围经过的主要地层为二叠系哲斯组上段砂岩、燕山期晚期花岗岩、侏罗系土城子组细砂岩、侏罗系满克头鄂博组砂岩，出口为二叠系哲斯组上段砂岩。山涧沟谷底部多有第四系上更新统坡洪积新黄土、粗角砾土、粗圆砾土，进出口及村庄附近堆积有第四系全新统人工堆积层，出口地表覆盖厚度较大。隧道工程地质剖面见图1。

图1 隧道工程地质剖面

1.2 地质构造

隧址区大地构造上位于内蒙古中部地槽褶皱系，自阴山向东延伸部分的北侧，大兴安岭南端，为阴山东西向复杂构造带和大兴安岭隆起带的交界处，板块位置属晚古生代陆壳增生区的碰撞消减地带。区域内以北东和东西向构造为主，西拉沐伦近东西向的断裂带，对该隧道地质体具明显的控制作用。受区域构造作用的影响，区域内发育的褶皱和断裂大多以东西向和北东向形迹为主，断层大多呈陡倾状，走向大多与背斜一致。在强烈的褶皱造山运动及第四纪冰川作用下，区域发生多期花岗岩侵入活动，较老的侏罗系和二叠系地层在侵入过程中发生区域热变，形成变质砂岩。

通过野外地质调绘，结合区域物探、钻探成果资料，发现工程建设区内存在有多处较大规模的断裂构造，隧道穿越的构造破碎带主要有以下几段。

DK493+100～DK493+650段：分布逆断层F4，F4-1，断层影响宽度35～50 m，岩性为二叠系哲斯组砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，呈块及碎块状。物探判释结果显示该段电阻率较低，等值线横向不连续，在DK493+510附近电阻率呈自上而下的低阻条带。

DK495+550～DK495+700段：分布逆断层F5，影响宽度约50 m，岩性为侏罗系土城子组细砂岩及砾岩，岩石节理发育，块石状结构，局部破碎严重。物探显示该段存在明显电性界面，且等值线陡直密集，电阻率变化较大。

DK495+860～DK495+980段：分布逆断层F5-1，影响宽度约50～60 m，岩性为为变质砂岩与花岗岩分界面，上覆第四系冲洪积卵石土、洪积碎石土及黄土，节理裂隙发育，岩体破碎严重。根据物探成果资料，该段电阻率较低，等值线向小里程深部扭曲，推测存在汇水通道；在DK495+875附近电阻率变化剧烈，存在明显电性界面。

DK496+900～DK497+100段：分布正断层F5-2，影响宽度约40 m，隧道围岩为燕山期浅肉红色花岗岩，坡脚覆盖第四系薄层坡积黄土，岩体较破碎，呈碎石状结构，物探成果揭示该段分布有低阻异常带。

DK501+050～DK501+330段：分布正断层F6，影响宽度约70 m，断层带出露宽度大于1.5 m，发育有断层泥，岩性为变质砂岩，产状为95°∠78°，与隧道距离90～300 m。该段电阻率值较低，而且等值线变化剧烈。断裂带内岩石破碎，节理密集发育，局部节理裂隙面扭曲变形。

2 水文地质特征分析

2.1 地表水特征

隧址区充水来源主要为大气降水，冬季地表为冰雪覆盖，夏季冰雪融水及大气降水顺沟谷汇集，向下渗入隧道。在雨季，由于隧址区地形陡峭，岩土体易受到季节性降雨的冲刷发育冲沟，冲沟雨季常年流水，水量受大气降水影响，呈季节性变化。根据1∶10 000地质调查，在隧道中线两侧1 km范围内调查发现十余处泉水及供水井点，泉水流量一般0.5～2 L/min，大多为下降泉。冲沟内有多处泉水出露，其补给来源主要为第四系松散含水层潜水和基岩裂隙水。

2.2 地下水的赋存与分布

根据地下水赋存条件的不同，区内地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，少量为构造裂隙水。

第四系孔隙潜水主要赋存于隧道进、出口及洞身沟谷或山坡上第四系松散堆积物中。地下水呈层状分布，水位、水量随季节气候变化而变，雨季水量较大，干旱季节水量较少；基岩裂隙水分布于隧道大部分地段，主要赋存于砂岩和花岗岩风化裂隙中。由于岩体存在不均匀风化现象，导致基岩裂隙发育，遇到降水入渗，容易在岩体风化带内形成囊状富水带，局部水量较大。在区域断裂构造附近，由于断裂带附近裂隙比较发育，容易形成富水构造。隧址区基岩裂隙水呈层状、脉状分布，主要接受大气降水补给及第四系孔隙水的补给，地下水位随季节变化幅度明显；构造裂隙水主要分布在隧道洞身断层破碎带地段，地下水呈脉状、透镜状分布，其富水性较弱，一般受大气降水补给，随季节气候动态变化。

隧址区径流条件良好，地下水排泄方式主要有为蒸发排泄和地下径流排泄，地下径流为其主要排泄方式。

3 隧道涌水量预测及分析

3.1 隧道涌水量计算方法[5-8]

在总结国内外有关隧道涌水预测计算的基础上，在实用，可行的前提下，遵循相关国家标准、规范，运用地下水动力学和经验公式等方法，对隧道涌水量进行预测计算。

(1)柯斯嘉科夫计算涌水量理论公式

(1)

式中：QS为隧道通过含水体段正常涌水量/(m3/d)；H为静止水位至隧道洞底距离/m；L为隧道通过含水体的长度/m；K为含水体的渗透系数/(m/d)；R为隧道涌水量影响宽度/m；r为隧道横断面宽度的一半/m，即r=W/2。

公式适用于基岩山岭隧道，含水体假设为为无限厚度，含水体为无界潜水层。其概化后模型见图2。

图2 柯斯嘉科夫理论概化模型

(2)大岛洋志最大涌水量计算公式

(2)

式中：q0为洞身通过含水体单位长度最大涌水量/(m3/d)；d为隧道洞身横断面等价圆直径/m；r0为洞身横断面等价圆半径/m；λ为转换系数，一般取值0.86。公式适用于山岭隧道，含水体为无界潜水，概化模型见图3。

图3 大岛洋志计算概化模型

(3)佐藤邦明非稳定流理论公式

(3)

式中：q0为洞身单位长度最大涌水量/(m3/d)；qs为单位长度正常涌水量/(m3/d)；h为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离；hc为含水体有效厚度；λ为转换系数；ε为平均试验系数，一般取作12.8，其他符号意义同上。

(4)古得曼经验公式

(5)

式中Q0为隧道通过段落可能最大涌水量/(m3/d)，其他符合同上。

(5)铁路勘测规范经验公式

正常涌水量计算公式

(6)

最大涌水量计算公式

3.2 隧道洞身分段涌水量预测

为了便于涌水量计算，根据隧址区岩性、构造、地形地貌及水文地质特征，将隧道分成不同的水文地质段落。在地质勘探的基础上，选取代表性的地质钻孔，进行地下水抽水、压水试验，获取了各段基岩渗透系数等水文地质参数。采用上述涌水量公式对各水文地质段落分别进行涌水量计算，根据计算结果，对该段落的涌水量综合考虑，给出推荐值。

采用上述公式首先对DK493+360～DK493+700段进行涌水量计算。该地表为第四系上更新统粗角砾土，下伏二叠系哲斯组上段砂岩，强风化-弱风化，节理裂隙较发育，以基岩裂隙水为主，根据水文地质试验取得渗透系数K=0.03 m/d，该段计算涌水量如表1。

表1 DK493+360～DK493+700段涌水量计算

经计算得知，隧道在该段正常涌水量为268.60 m3/d，可能最大涌水量为350.20 m3/d，单位最大涌水量为1.03 m3/d，综合判定属于弱富水地段。

同理，通过上述方法对该隧道其他段落分别进行涌水量计算，并对计算结果综合分析，最终确定隧道各段涌水量计算结果(见表2)。

从表2中可以看出，受断层构造影响，断层破碎带附近大多为强富水区。根据预测结果，整个隧道正常涌水量为29 517.19 m3/d，可能发生的最大涌水量41 245.64 m3/d。断裂带及其旁侧岩石较破碎，由于其连通性较好，有利于地下水富集和运移，施工开挖时，在相应断层发育附近可能会发生突然涌水现象。

表2 隧道各里程段落渗透系数取值及涌水量预测

3.3 涌水可能地段分析

在隧道地质勘察资料基础上，根据地形地貌、岩性构造、水文地质等综合分析，涌水地段主要发生在断裂构造发育带、沟谷浅埋地段和物探揭示的低阻异常地段。

断裂构造的发育与涌水有着密切的联系，断层的存在往往会引起岩体结构疏松，节理裂隙发育，岩层破碎，成为地下水活动的通道，形成局部富水带。工程实践证明，在构造断裂和区域性断层破碎带附近，较容易发生隧道涌水突泥等灾害。在隧道DK493+100～DK493+650段及DK495+500～DK496+100段，发育F4，F5等断裂破碎带，局部甚至有多处断层交汇。受构造运动影响，断层间岩体裂隙发育，破碎强烈，隧道开挖时，在断层及岩层接触带附近，发生集中涌水及泥屑物质涌突的可能性极大，设计、施工时应重点防范。

沟谷地貌是补给和贮存地下水的有利条件，从地貌上看，DK495+700～DK497+200段主要是山谷、沟谷地形，地势低洼，坡脚处覆盖第四系坡洪积物，地表水易渗透导致地下水富集形成富水带；又是隧道浅埋地段，埋深浅，风化剧烈，基岩破碎，裂隙发育，地下水储存丰富。因此，一旦隧道开挖揭露了这些岩性特征的地层，易形成涌水突泥等灾害。

岩体中由于节理裂隙发育，地下水储存丰富，造成电阻率下降，物探测试反映低阻带明显地段，特别是物探异常带地段，赋水性较强，极易产生突然涌水、突泥。根据物探资料揭示，隧道DK494+085～185段物探显示存在低阻圈闭，在DK495+875附近电阻率变化剧烈，在DK496+325，+725等处等值线陡直密集，电阻率变化较大。经钻探验证，上述地段富水性较好，施工开挖时可能形成集中涌水，应采取防排水措施。

综合地质勘察结果表明：隧道地下水主要赋存于沟谷浅埋段、构造断裂带、花岗岩和碎屑岩接触带等，由于构造运动影响，局部浅埋沟谷，断层发育附近及物探异常地段可能出现较大涌水。

4 防护措施

隧道预防涌水突泥应以预防、排水为主，遵循防、排、堵等方法相结合，因地制宜，综合治理的原则，采取可实施性高的防治措施。在收集水文地质资料的基础上，在查明隧址区水的性质及分布，查清断层、裂隙及破碎带位置，掌握其涌水量及其变化规律的基础上，实际预测各大断层及破碎带侵对施工的影响，设置畅通的排水通道以加强排水疏导。同时，加强对进出口、物探低阻异常带这些地段的围岩支护工作，采取综合措施，加强隧道防排水。

针对断层及破碎带，应该以堵为主，适当辅以截排等措施，条件需要时应采用帷幕注浆等方案对断层突水进行处治；对于基岩裂隙涌水，则应宁疏勿堵，设置排水设施。对于地表水相对发育区，应在进出口边坡及仰坡设天沟以排除地表水，特别是隧道区节理裂隙较发育、物探异常带地段，极易产生突然涌水、突泥，设计和施工时应加强防护及防水排水措施。

隧道施工期间，应注意施工方法，提前进行超前钻孔，及时掌握、了解工作面前方水文地质条件，避免出现产生大面积突然涌水，影响施工安全及进度。同时准备足够的抽排水设备，做好地下水和施工用水的排放。针对隧道可能存在的安全风险，制定隧道施工安全风险规避方案，做好安全风险管理与控制。隧道施工过程中应加强监控量测工作，对工作面涌水量及压力、沟谷地表流水及附近居民饮水点水量变化情况进行监测。针对不同地层及构造特点，采用各种地质预报手段探明工作面前方地质情况，及时将地下水引出，防止发生突水塌方事件。

除了涌水灾害，该隧道还存在岩爆、坍塌冒落、围岩失稳等风险。因此，施工前应对隧道工程开展风险评估，加强对各种风险的重视，确保施工及人员安全，必要时应设置观测点，做好水文地质监测及地质超前预报工作。