中条山特长隧道涌水计算分析及对策措施

2015-01-12韩大千

山西交通科技 2015年4期

关键词：分水岭涌水量水文地质

韩大千

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

1 工程概况

1.1 隧道建设规模

中条山特长隧道是双洞单向高速公路隧道，长9 671 m，隧道最大埋深681 m。

表1 隧道设置表

1.2 隧址区水文地质条件

1.2.1 气象

隧址区降雨较集中在夏、秋季。全区年平均降水量为529.5 mm，年平均降水日数81 d，多的达119 d（1964年），少的为32 d（1978年）。7、8、9三个月降雨量占全年降雨量70%。

1.2.2 水文

隧址区地表水有寺沟溪流和王窑头溪流。隧道南坡的寺沟溪流发源于寺沟，地表调查共发现了3个泉水点，均位于寺沟村北，流量分别为0.5 L/s、0.12 L/s、0.13 L/s；隧道北坡的王窑头溪流发源于水泉凹，地表调查共发现泉水点4个，水泉凹泉流量0.13 L/s，后柳坡泉流量 0.1 L/s，前柳坡泉流量0.04 L/s，谭家窑泉流量0.1 L/s。地表沟涧较大溪流主要有五龙峪溪流、大白峪口溪流、后柳坡溪流，清水流量分别为 43 L/s、12.9 L/s、11.1 L/s，具体情况见表2。

表2 地表水及泉水调查表

中条山北麓的洪积扇群长50 km，扇体小，但坡度大，颗粒粗，富水性不均一，单位涌水量2～10 m3/h·m或 10～30 m3/h·m；浅层含水层埋深 20～40 m，为全新统和上更新统的砂砾石层，厚度10～40 m，水位埋深0.5～15 m，深度20 m，单位涌水量10～30 m3/h·m。深层含水层为中上更新统砂砾石层。埋深20～140 m或250 m，厚度60 m，单位涌水量 10～30 m3/h·m或 2～10 m3/h·m。

中条山南侧松散岩类孔隙水含水岩组分布于芮城、平陆地区，黄土台地含水层为下更新统和第三系，沟谷切割有泉水出露，泉水流量一般在1.3～8 L/s，水位埋深10～50 m，单位涌水量0.3～2 m3/h·m，承压水埋深150 m以下。中条山南山前的洪积扇区，含水层埋深100～250 m，为中、上更新统砾卵石砂，厚度6～31 m，水位从扇顶的100 m至扇的前缘溢出。单位涌水量2～10 m3/h·m，较富水地区达10～30 m3/h·m 。

项目区地下水按照地貌、地质、地下水的埋藏深度、岩层内的水量情况，可以分成3种水文地质区域：

a）基岩裂隙水广泛分布于构造剥蚀基岩山区。本区地层主要由太古界涑水杂岩、震旦系石英砂岩等变质岩系组成，富水性较差；在基岩山体与黄土台地及洪积扇接壤部位，地下水则侧排入黄土台地及洪积扇之中。

b）松散岩类孔隙水分为山前洪积扇裙孔隙水、黄土台塬孔隙水；含水层为新生界中上更新统及全新统砂砾石及亚黏土。洪积扇端水位深，扇中及前缘水位较浅，轴部富水。含水层以冲洪积相岩性为主，渗透性较差，地下水位受气候变化影响较大，雨季地下水流量大，水位高；枯水期地下水流量小，水位低。

c）碳酸盐类岩溶水主要分布于寒武系灰岩及中元古界蓟县系白云岩地层中；水分补给主要是大气降雨入渗、沟谷河流入渗、紧邻基岩裂隙水入渗等；地下水埋藏较深，沟谷中的河流多表现为干谷，隧道基线位于岩溶水水位面以上，受其影响不大。

2 隧道涌水量计算分析

本次计算主要运用了灰色系统法和地下水动力法。

2.1 灰色系统法

灰色系统理论方法基本原理是首先根据灰色关联度理论确定隧道涌水量的主要影响因素，以明确地表水文地质调查的主要内容和重点工作，然后根据调查结果对照由数量化判别方法计算出来的评判标准进行评分，由此判别涌水严重程度等级。最后，对于等级严重的水害隧道，根据由灰色虚拟变量多元回归方法计算出来的评判标准预测可能涌水量大小。

2.1.1 多因子关联度分析

首先利用灰色关联度分析方法分析评价各种水文地质条件与隧道涌水灾害严重性的关联程度。隧道地质构造的类型及发育程度、是否采取防水措施、隧道长度、纵向汇水长度及隧道地表环境特征等与涌水灾害的关联度较大[1]，各因素关联度情况见表3。

表3 隧道涌水灾害影响因素灰色关联度分析表

根据上述涌水影响因素关联分析，建立涌水灾害严重程度等级的判别方程式，将结果用评分表的形式表达，具体情况见表4。

表4 涌水灾害严重程度等级评分表

隧道涌水灾害评估等级分为A、B、C、D四等：

a）A级为隧道涌水甚大或突然涌水或泥砂大量涌；

b）B级为隧道涌漏水较大或泥砂涌出；

c）C级为隧道内有涌漏水，对围岩稳定性有一定影响；

d）D级为隧道内有涌漏水甚微或无，一般不会对施工运营及环境造成不利影响[2]。

由水文地质资料可以将该隧道地段分两段进行分析，且地下分水岭与地表分水岭基本一致，地下水分水岭略偏北。分水岭以北地下水以盆地松散岩类孔隙水为主，其次为变质岩类裂隙水；以南地下水以变质岩类裂隙水为主，其次为松散岩类孔隙水，碳酸盐岩裂隙岩溶水也有一定分布。

2.1.1.1 地下分水岭以北段

由隧道区地表水系特征知该区设有集水建筑物，且由该地区的物探报告知本地区岩溶形态不发育，所以该地区的地表环境特征应划分为有集水建筑物，取值为0.7。该区段主要岩性为黑云角闪片岩、黑云斜长片麻岩、变粒岩、角闪黑云斜长片麻岩及话伽马、花岗片麻岩等，所以岩石性质为硬岩，取值0.21。该段的地质构造为裂隙发育、裂隙张开，取值1.34。由于隧道还未施工，防水措施为无，取0。该区降水分布不均且少，年降水量约500～600 mm，年平均降雨量529.5 mm，而年平均蒸发量2 061.5 mm，为年平均降雨量的3.9倍，所以气候条件属少雨区，取值为0。由纵剖面图测得最大埋深为650 m，取值3.8H×10-4=3.8×650×10-4=0.247。

分水岭以北段隧道长度为4.56 km，隧道长度取值为：0.05L=0.05×4.56=0.228。

总得分：0.7＋0.21＋1.34＋0＋0＋0.247＋0.228=2.725,属C级，评定为隧道内有涌漏水，对围岩稳定性有一定影响。

2.1.1.2 地下分水岭以南段

地表环境特征为沟谷汇水，取值0.7。该区段岩石性质为硬岩，取值0.21。岩溶破碎带，地质构造取值1.9。防水措施为无，取值0。气候条件为少雨区，取 0。最大埋深 650 m，取值 0.247。隧道长度5.24 km，取值 0.262。总得分：0.7＋0.21＋1.9＋0＋0＋0.247＋0.262=3.311，属B级，即隧道涌漏水较大或泥砂涌出。

2.1.2 灰色虚拟变量多元回归分析

根据全国多座有涌水量记录的隧道调查资料，建立相应的隧道涌水量灰色模型，采用灰色虚拟变量多元回归方法，得涌水量预测评分表，再利用灰色虚拟变量多元回归法预测其涌水量。

结合恩格斯为《政治经济学批判》所作的书评以及马克思自己在《资本论》第一卷第二版跋中的说法，“我公开承认我是这位大思想家的门人，而在关于价值学说的那一章，我在这里那里用黑格尔特有的表现方法来显示一番”(马克思，1963：第二版的跋XXIII)。必须承认：马克思对于黑格尔辩证法的批判性改造，最直接的表现就是“政治经济学批判”的第一章“商品”。然而，从《政治经济学批判》的“商品”章到《资本论》的“商品”章，虽然在主题与内容上存在连续性，都是叙述从商品向货币再到资本的辩证过渡这一最为抽象的内容，但是二者之间却存在细微的本质的差别。

2.1.2.1 地下分水岭以北段

基本涌水量为2 900；无沟谷汇水，所以地表环境特征不取值。隧道类型中也没有符合的条件，也不取值。该段虽然有大理岩及花岗岩等硬岩，但也有片麻岩等工程软岩，所以岩石性质属于软硬互层，取值为0。裂隙发育取值500。防水措施为无防护，取值0。隧道最大埋深为650 m，在400～700 m之间，取值45。因此，该段隧道的预测涌水量为3 445 m3/d。

2.1.2.2 地下分水岭以南段

基本用水量2 900；地表环境特征划为旱地，取值为0；岩石性质为软硬互层，取值为0；本段岩溶裂隙发育，取值3 060；无防护，取值为0；隧道最大埋深650，取值45；因此，该区段的预测涌水量为6 005 m3/d。

2.2 地下水动力学法

2.2.1 地下水动力学公式

地下水动力学的公式为：Q=BK(2S-M)M/R，式中：Q为隧道涌水量，m3/d；B为隧道长度，m；M为含水层厚度，m；S为静止水位至设计路面高差，m；R为影响半径，m；K为含水岩层平均渗透系数，m/d[3]。

2.2.2 含水岩层平均渗透系数K的取值

由水文地质条件分析可以将钻孔看为无限补给边界的潜水完整井，渗透系数计算及抽水影响半径计算可用经验公式：

式中：Q为流量，此时取5.76 m3/d；R为影响半径，单位为m；r为钻孔的半径，单位m，取值0.5 m；S为降深，取值29.9 m；H为井在含水层的长度，应为井深和静水位之差。

本次抽水共布设 K8+000、K8+995、K11+750、K12+828四个孔位进行试验，分水岭南、北各部设2个孔位。

代入公式计算得：渗透系数K=0.008 m/d。

按照这种计算方法，算得 K8+000、K8+995、K11+750处的渗透系数K分别为0.002 38、0.000 2、0.003 55。

2.2.3 分段涌水量的计算

根据隧洞岩性及水文地质条件，划分为4段进行计算，各分段涌水量计算参数及计算结果如表5所示。

表5 隧道分段涌水量计算表

由表5可知，该隧道总涌水量为5 061.34 m3/d。

2.3 隧道涌水量的评价

隧道涌水量的预测计算采用灰色系统法、地下水动力学法两种计算。灰色系统法以地表水文地质调查的主要内容和重点工作，然后根据调查结果对照由数量化判别方法计算出来的评判标准进行评分，根据由灰色虚拟变量多元回归方法计算出来的评判标准预测可能涌水量大小，有较高可信度；地下水动力学方法采用计算参数R、K、S、M，采用钻孔提水试验资料并结合邻区同等水文地质条件下比拟而得，理论上精度更高。

考虑到提水试验是利用工程勘察孔进行，因此涌水量预测结果存在以下几个方面的误差因素：a）钻孔直径较小；b）施工过程中有岩粉堵塞孔壁，洗孔不彻底，影响试验时地下水进入抽水孔；c）施工时由于供水困难，有的孔在漏水严重的岩段采用了水泥浆封孔，在提水时该段地下水进不到孔内。

根据两种方法计算结果，综合考虑以上因素，隧道涌水量建议采用值为：分水岭以北段为3 445 m3/d，分水岭以南隧道涌水量为6 005 m3/d。

3 隧道涌水对策措施

总体来看，隧址区分水岭以北主要以基岩裂隙水为主，组成山体的古老变质岩富水性较差；分水岭以南以寒武系中下统白云岩等裂隙岩溶地下水为主。北部主要表现为施工隧道洞顶的淋头水；同时由于裂隙水在裂隙中运移的深度较大，促使基岩风化带较厚，影响隧道围岩类别。南段以裂隙岩溶水为主，汇水主要来自大气降雨补给，该段地下水富水程度相对较强，对隧道的施工影响较大。

3.1 隧道分段涌水量变化规律

a）隧道上伏地层厚度大则地下水水量大，反之小。

b）断层破碎带水量大，完整地段较小。

c）基岩裸露地段水量大，覆盖型地段水量小。d）雨季水量大，旱季水量小。

e）脆性岩石水量较大，柔性岩石水量相对较小。

3.2 根据涌水情况，有针对性地提出的对策措施

a）做好隧道洞内施工排水工作，及时封闭岩面，最大程度地减少渗水量。

b）顺坡施工时以自然排水为主，沿隧道纵向设置排水沟，不让水漫流。

c）反坡施工时，应根据预测最大可能涌水量及最大突然涌水量，配备排水机械，设置机械排水管路，可分级提升排出洞外。

d）根据多座特长隧道及大型水电地下厂房施工涌水情况的抽水设备配备情况，结合本项目隧道工程地质与水文地质勘察资料，初步确定如下施工期间的排水方案：多套三级扬程或多级扬程的大功率排水机械（含应急、备用排水机械），单洞反坡施工总抽水能力不低于每小时500～1 000 m3，排水管单根输水管线按照单洞3 000 m长度配置，同时配置必要的安全泵、备用泵（根据涌水、突泥情况，可配置必要的大功率泥浆泵，以满足断层带涌水情况含大量泥浆的需要），设置双路供电措施，以防断电情况下影响施工排水安全。

e）在断层破碎带及可能存在大型隐伏含水体地段，要求设置超前地质钻孔（1～3孔）超前探水、并采用综合地质预报系统判断涌水的可能性，测定水压、流速等具体参数，根据具体测定、判断的含水情况，采取必要的环向注浆止水、帷幕注浆止水措施堵水，及时调配抽水设备，确保施工涌水能够及时排除。

f）制定涌水段施工应急预案，掌握施工主动权，根据确定较合适的方法进行施工，避免安全事故发生。