宝兰高铁渭河隧道水文和工程地质选线研究

张 喆

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概况

复杂地质条件地区隧道选线研究一直是高速铁路建设中的重点和难点问题。宝兰高铁渭河隧道采用Ⅴ形纵坡[1]下穿耤河谷区及天水北山滑坡区，隧道全长10 016 m，下穿河谷区长3 365 m为Ⅴ形坡最低段，埋深仅28～45 m；北山梁峁区最大埋深约380 m，地形起伏大，深切冲沟黄土滑坡发育。隧道设3个斜井、3个竖井及出口平导共7个辅助坑道(图1)。渭河隧道是全线重难点控制性工程，被铁总列为Ⅰ级高风险隧道。

区内地质构造运动较活跃，黄土滑坡、膨胀性泥岩、富水砂岩层及饱和卵砾石等不良地质及特殊岩土发育，复杂的工程和水文地质条件制约渭河隧道选线工作。通过现场地质调查、原位测试、室内试验、理论计算、工程地质分析等方法对影响渭河隧道选线的工程和水文地质问题进行了综合分析，提出了合理有效的地质选线方案。

图1 渭河隧道洞身地质纵断面

2 区域地质条件

2.1 地形地貌

渭河隧道位于西秦岭北麓与陇西黄土高原过渡段，隧道呈“Ⅴ”形纵坡穿越渭河右岸黄土高台地、耤河宽谷区、北山黄土滑坡及梁峁区，隧道下穿河谷区高程1 116～1 135 m，北山高程1 551 m，相对高差为220～430 m。耤河宽谷区为天水市区。

2.2 地层岩性

耤河宽谷区为厚20～30 m的冲积黄土及卵砾石土覆盖；南岸台地和北山梁峁区为第四系上-中更新统(Q2-3)风积和滑坡堆积黄土，底部为新近系(N1)泥岩夹薄层砂岩、寒武系片麻岩夹大理岩(∈Gn+Mb)及断层破碎带(Fr)压碎岩。

2.3 区域地质构造

隧道位于元古界变质岩组成第三纪天礼盆地东北部边缘，晚第三纪以来构造运动活跃，地层整体抬升河谷下切侵蚀强烈。区域压扭性渭河断裂(F1)在该区域有北西及北东向分枝断层与之交汇组成“入”形构造，第四纪以来仍有活动，且富含地下水。隧址处断裂构造隐伏在北山黄土层下。

2.4 水文地质特征

2.4.1 地表水

隧道下穿耤河常年流水，水量随季节变化大，年平均流量35万m3/d；两岸黄土冲沟干枯无水，雨季才形成短暂径流，在沟底黄土与泥岩接触面处有泉水零星渗出，单泉流量小于0.1 L/s[2]，泉水流量季节性变化较大，为附近村民饮用水源。

2.4.2 地下水类型及补、径、排特征

地下水类型为松散层孔隙水和基岩裂隙水。松散层孔隙水分布于耤河阶地卵砾石土层中，地下水量颇丰且水位浅，主要接受大气降水入渗补给及耤河水侧向补给，钻探揭示孔内有涌水现象。基岩裂隙水赋存于泥岩夹砂岩和寒武系片麻岩大理岩中。泥岩结构致密，产状平缓，岩层透水性差，不利于地下水储存和运移，含水量小；砂岩含水条件较好，地下水具承压性；大理岩、片麻岩受构造影响节理裂隙发育，水量较丰富。

3 隧址区水文地质分析

3.1 隧址区水文地质参数测试

耤河宽谷区各地层赋水程度是影响隧道洞身埋深的控制因素，采用抽水试验确定不同地貌单元中各含水层的水文地质参数[3]。

3.1.1 分地貌单元进行综合抽水试验

勘察中在黄土梁峁区和耤河宽谷区分别钻探4孔进行综合抽水试验。根据测试资料计算基岩及上部饱水卵砾石层的主要水文参数，见表1。

表1 分地貌单元综合抽水参数

北山黄土梁峁区深孔抽水试验计算下覆泥岩渗透系数为0.001 2～0.002 5 m/d，富水性很差；片麻岩夹大理岩渗透系数在0.017～0.046 m/d，洗井后进行测试计算的渗透系数能如实反映北山梁峁区实际含水状况。耤河宽谷区钻探揭示底部泥岩出水量远小于上部第四系冲积层，混合抽水测试泥岩会很大程度抵消上部卵砾石层的渗透系数值，因而采取分层抽水试验来获取不同类型含水层的水文地质参数，来进行隧道涌水量预测结果才会更符合实际情况。

3.1.2 耤河宽谷区按地层分层抽水试验

为查明隧道下穿耤河宽谷区涌水量进行专门水文地质专题勘察，通过分层抽水测试河谷区第四系松散层与底部泥岩夹砂岩含水层厚度和渗透系数，勘察中结合隧道竖井位置在耤河宽谷区布置4个钻孔进行分层抽水试验[4]，并依据抽水试验计算上部卵砾石层和底部泥岩夹砂岩的渗透系数,见表2。

表2 耤河宽谷区按地层分层抽水参数

通过分层抽水测试计算结果耤河宽谷区卵砾石层渗透系数为38.60～68.06 m/d，富水性很强；泥岩夹砂岩互层的渗透系数在0.117～0.239 m/d，富水性中等；泥岩渗透系数在0.025～0.090 m/d，富水性弱。对比分析宽谷区泥岩渗透系数远高于北山梁峁区泥岩渗透系数值(0.001 2～0.002 5 m/d)，原因是耤河宽谷区泥岩上部为饱水卵砾石层，其水量丰富补给条件好。饱水卵砾石层下渗补给底部泥岩风化层；且局部泥岩夹有富承压性水的砂岩，因此该段泥岩不仅得到上部饱水卵砾石下渗补给，还受到砂岩层中承压水入渗，因此使耤河宽谷区下部泥岩渗透系数高于梁峁区泥岩。黄土梁峁区底部泥岩与河谷区饱水卵砾石层下部泥岩在渗透性及物理力学性质上存在明显差异，这是耤河宽谷区强-弱风化泥岩涌水量较大的主要原因。通过分层抽水试验，查明了宽谷区上部卵砾石含水层与下部泥岩夹砂岩层的含水条件，取得了相对准确的隧道涌水量预测所需的水文地质参数。说明分层抽水试验在复杂地层涌水量计算中的必要性。

3.2 隧道涌水量预测

渭河隧道通过地貌单元多、地层岩性变化较大，综合分析隧道区含水岩组类型、富水性分区、地形地貌及降雨量等因素，采用降水入渗法和地下水动力学法分别预测隧道正常涌水量和最大涌水量。

3.2.1 降水入渗法

隧道下穿耤河宽谷区潜水含水层埋藏深度较浅，可采用降水入渗法预测隧道正常涌水量[5]

Qs=2.74·α·W·A

(1)

式中Qs——降水入渗法预测隧道正常涌水量，m3/d；

α——降水入渗系数；

W——年最大降水量，mm；

A——隧道通过含水体地段的积水面积，km2。

根据隧道洞身地层特征及岩体裂隙较发育特征，各地层降水入渗系数取值0.07(松散层)～0.35(泥岩夹砂岩)，天水市气象资料年最大降水量809.6 mm，最大涌水量按正常涌水量的2～3倍考虑。降水入渗法预测隧道涌水量的计算结果见表3。

表3 采用降水渗入法分段计算涌水量成果

3.2.2 地下水动力学法

根据钻孔分层抽水测试计算的水文地质参数，地下水动力学法[6]采用下列公式预测隧道涌水量：

古德曼经验式[5]

(2)

式中Q0——法预测正常涌水量，m3/d；

H——静止水位至洞身横断面圆中心距离，m；

d——隧道洞身横断面等价圆直径，m；

L——隧道通过含水体的长度，m;

K——含水层渗透系数，m/d。

裘布依理论式[5]

(3)

式中QS——隧道正常涌水量，m3/d；

H——隧道洞底以上潜水含水体厚度，m；

h——洞外水柱高度，m；

L——隧道通过含水体的长度，m；

r——隧道洞身横断面宽度之半，m；

R——含水层的影响半径，m。

综合抽水所得渗透系数采用地下水动力学法分段计算所得涌水量结果详见表4。

表4 采用地下水动力学法分段计算涌水量成果

采用地下水动力学法预测隧道耤河宽谷区浅埋段K772+700～K776+060正常涌水量为6 791 m3/d，可能最大涌水量约24 093 m3/d。

3.3 隧道富水性分区及分段评价

渭河隧道通过分层抽水试验测试获取准确的水文地质参数，应用地下水动力学法结合降水入渗系数法进行了正常涌水量和最大涌水量预测，在预测过程中考虑了山前侧向补给量及河水横向补给，综合分析各含水岩土类型进行富水性分区。

(1)隧道进口段(K770+028～K770+450)洞身为黏质黄土，钻探中未揭示到地下水，贫水区，正常涌水量约100 m3/(d·km)，地下水对洞身影响小，局部段落会出现轻微的滴渗水。

(2)南岸黄土台塬区(K770+450～K772+700)隧道洞身为弱风化泥岩，上覆黄土潜水补给小，泥岩透水性差水量小，含水性弱，单位正常涌水量约740 m3/(d·km)，正常涌水量约1 665 m3/d，最大涌水量约4 995 m3/d，地下水对洞身影响小。

(3)耤河宽谷区(K772+700～K776+060)隧道洞身位于卵砾石底部强-弱风化泥岩中，卵砾石层饱水且厚度大，补给条件好，水量颇丰，对底部泥岩补给量大，富水性中等，单位正常涌水量1 157.9～3 306.5 m3/(d·km)，正常涌水量约6 791 m3/d，最大涌水量约24 093 m3/d。隧道拱顶距岩土界面10～25 m，施工中局部可能产生突、涌水、渗漏水现象，应避免塌方可能与潜水或河水发生水力联系。

(4)耤河北山滑坡区(K776+060～K777+800)隧道洞身上部泥岩厚度较大，上部滑坡堆积黄土潜水补给小，含水性弱，单位正常涌水量292.6～852.83 m3/(d·km)，正常涌水量约851 m3/d，最大涌水量约2 553 m3/d，地下水对施工影响小。

(5)北山黄土梁峁区(K777+800～K779+350)洞身岩性为片麻岩夹大理岩，钻探过程中有涌水现象，该段物探资料有低阻异常，富水性中等，单位正常涌水量约37 203 m3/(d·km)，预测正常涌水量约5 766 m3/d，最大涌水量约23 622 m3/d。施工中可能有突、涌水现象，做好出口平导泄水洞排水措施。

(6)隧道出口段(K779+350～K780+044)为泥岩及黄土，含水条件较差，贫水区，单位正常涌水量约100 m3/(d·km)，对隧道施工影响小，部分段落会出现轻微滴渗水。

4 控制隧道选线工程和水文地质问题分析

4.1 黄土滑坡对隧道平面选线的影响

区内河流两岸坡面侵蚀强烈，黄土呈披盖状分布于梁峁表层，下伏基岩被剥蚀形成了斜坡或凹槽，具倾向河谷临空斜坡面，黄土孔隙率高，垂直节理发育、渗透性强，地表水下渗在泥岩顶面聚积，使岩土界面软化易形成滑坡。北山滑坡连续成群分布，形成多期、多次、规模巨大深厚黄土滑坡和切泥岩风化层滑坡，天水地质灾害报告将北山滑坡群列入特大型地质灾害危险区[7]，见图2。

图2 渭河隧道1:5万卫片判释图分布示意

隧道洞口位于黄土台地前缘，通过对区内地质构造及不良地质进行深入调查和分析，采用下穿耤河宽谷区及北山滑坡群方案，从竖向绕避滑坡群，既摆脱了滑坡对隧道平面线位控制，又避免对天水城区规划和机场定向台的影响，减少了滑坡群勘察治理及后期监测工作，方案合理可行。

4.2 土石界面及底部砂岩对隧道埋深的控制

耤河宽谷区及北山梁峁区均为第四系覆盖层，晚新近纪构造运动活跃使底部基岩被剥蚀形成了斜坡或凹槽，河谷区采用瞬变电磁及梁峁区深埋段采用EH4物探方法查明岩土界面、断裂及含水带分布，在各地貌单元及不同岩性采用钻探控制，并通过水文地质测试和综合测井查明洞身地质条件[8]，确保隧道洞身位于基岩中。钻探揭示在河谷区埋深55～60 m分布弱胶结饱水砂岩易产生集中涌水、流沙现象，施工风险高难度大；通过抬高洞身位置及竖井底部高程，避免隧道洞身位于砂岩。受线路纵坡高程控制隧道洞身顶部泥岩厚12～25 m，确保渭河隧道竖向选位的合理性。

4.3 特殊岩土对隧道洞身稳定性的影响

新近系泥岩为弱胶结的极软岩，通过钻探取样试验分析泥岩天然密度为2.01～2.38 g/cm3；天然抗压强度为0.96～4.56 MPa；通过颗粒分析检测泥岩粒径为0.01～0.075 mm，以粉粒为主。泥岩自由膨胀率为38%～81%、蒙脱石含量2.4%～19.8%、阳离子交换量63～240 mmol/kg。新近系泥岩天然抗压强度差异大，风化程度及成岩作用不一造成泥岩软硬不均，属极软质岩；泥岩具中-弱膨胀性，遇水易产生膨胀、坍塌[9]。泥岩孔隙比小、天然密度较高，含水率为7.6%～15.8%，说明泥岩处于饱水状态，主要是上部卵砾石水量丰富，对下部泥岩有一定补给使其含水率高。

4.4 隧道下穿耤河遇到的主要特殊地质问题

渭河隧道下穿耤河宽谷区V形坡段在施工和运营期间主要存在的地质问题：(1)下穿耤河河谷段隧道拱顶泥岩厚10～25 m为强-弱风化层，上覆含水卵砾石层厚度大，对底部泥岩具有补给作用，弱胶结泥岩施工中局部有产生突涌泥、渗漏水风险；(2)隧洞身底部泥岩局部夹有薄层砂岩，砂岩层弱胶结，富含水且具承压性，扰动后呈砂状，自稳性差，易产生集中涌水、流沙、围岩变形等危害；(3)耤河宽谷区为长大段落Ⅴ级围岩，3个竖井需穿透上部饱水卵砾石层，若该含水层施工中封闭效果差，地下水流入正洞不但影响膨胀性泥岩的稳定性，且长期抽排地下水不仅会给运营造成经济负担，而且大量降排地下水会对地表建筑物基础沉降产生影响。

5 结论

(1)下穿耤河宽谷及北山滑坡方案既摆脱了滑坡群对隧道平面线位控制，又避免对城区规划和机场定向台的影响，根据滑坡稳定性检算预留滑床至隧道拱顶泥岩安全厚度为12 m，减少了滑坡勘察治理及后期监测工作，方案合理可行。

(2)河谷区底部泥岩夹砂岩层，施工扰动砂岩或水压不均衡影响下，地下水运动带走砂粒形成流砂，砂岩结构遭到破坏易发生塑性变形或坍塌，会产生集中涌水、流沙等危害[10-11]。隧道纵坡抬高后位于砂岩层上部6～8 m，洞身选位避免饱水砂岩层中是隧道洞身纵坡选线的有效经验。

(3)通过分层抽水试验所取得的水文地质参数，为准确掌握区内水文地质条件和分析预测隧道涌水量打下了良好基础。并对合理确定隧道竖井和斜井方案具有指导作用，通过分层抽水查明上部卵砾石层出水量很大，竖井方案可减少斜井通过饱水卵砾石层长度，将宽谷区斜井优化为竖井方案，设计采用咬合桩对含水层进行封堵，施工止水效果良好，避免地下水进入隧道，减少了V形纵坡段的排水压力和软化泥岩风险。

(4)在勘察设计中融合环保理念，在北山黄土冲沟内岩土界面处有泉水零星渗出，为附近村民饮用水源，设计采用全包防水避免了地下水大量流失疏干地表渗流泉，保护当地水环境问题[12]。

(5)通过钻孔分层抽水试验所得水文地质参数计算隧道涌水量，在施工和设计回访中得到相互验证：泥岩结构致密透水性差，耤河宽谷区施工中局部出现少量裂隙水滴渗，局部仰拱附近可见0.5～2 m薄层砂岩出现涌水和流沙，施工验证隧道洞身选位的合理性。在运营后根据路局反馈2号竖井作为集水井抽水量200～300 m3/d与设计量相当；北山片麻岩夹大理岩在施工中涌水量较预测偏小，取消了出口泄水洞，运管部门反映该段未见地下水现象，分析原因是北山地形为黄土长梁不利于地下水富集和补给，同时设计采用全包防水避免地下水的流失。

综上所述，渭河隧道具有黄土滑坡成群发育、饱和卵砾石层及富水砂岩层等特殊地质条件，采用竖向绕避滑坡群的方案；优化隧道纵坡避免洞身位于富水砂岩层中；采用分层抽水试验计算渗透系数合理预测了隧道涌水量。施工验证隧道洞身选位的合理性，通车后运管部门反馈情况证实渭河隧道的选线是行之有效的。