隧道工程涌水突泥段地質探討

導語：隧道工程涌水突泥段地質探討一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:通過地質調查、鉆探結合物探、隧道洞內現場踏勘等勘察手段對桃山隧道DK0+160～DK1+720段進行了勘察，綜合分析了隧道涌水突泥段的地質，并采用降水入滲系數法、地下徑流模數法和地下水動力學法分別計算了隧道最大涌水量，以減少可能存在的隧道特大涌水對工程施工的影響，在應對突發事件時能及時采取有效的措施。

關鍵詞:隧道工程;區域特征;涌水突泥;水文地質;工程措施

1工程概況

桃山隧道位于福建省境內，為單線隧道，全長5598m，出口里程為DK2+788，最大埋深270m。本次涌水突泥段位于桃山隧道DK1+720處。該處掌子面埋深約146m，圍巖級別為Ⅴ級，施工方法為臺階法開挖。補充勘察段落為DK0+160～DK1+720。

2區域特征

2.1地形地貌。測區位于戴云山西側，屬中低山地貌。測區山脈走向總體呈北東—南西向，地面高程在420～720m。區內最高峰為位于線位以西北2km的虎臂崎，高程1197m，最低點在長溪壩一帶，海拔高程430m，相對高差100～500m，最大高差達600m。區內山脈屬條形中~低山，具構造剝蝕地貌特點。山坡地形坡度15～45°，溝谷見泉水出露，形成水溝。2.2地質特征。測區上覆地層為第四系全新統人工填土（Q4ml）角礫土，坡洪積（Q4dl+pl）軟土；下伏基巖為三疊系下統溪口組（T1x）砂巖及晚白堊世石牌前單元（K2S）花崗巖巖脈。突水涌泥段下伏基巖為三疊系下統溪口組（T1x）砂巖，青灰色，細粒結構，層狀構造。該層夾有灰巖，局部夾砂質頁巖，差異風化嚴重，區域內有花崗板巖巖脈侵入。全風化帶原巖結構清晰可辨，取芯呈硬塑土柱狀，局部夾少量風化殘塊，厚2~15m；強風化帶巖石風化劇烈，多見有鐵銹，巖石不新鮮，質軟，錘擊易碎，取芯破碎，以碎塊狀為主，厚20~80m；弱風化帶節理裂隙較發育，多呈閉合狀，巖石新鮮，質硬，錘擊不易碎，呈短柱、長柱狀及碎塊狀（圖1、2所示）。

3地質構造

隧道與里程DK1+490～DK1+540大角度穿越該斷層，夾角約60°。該斷層屬于政和－大埔斷裂帶，屬新華夏系構造，走向S-N，傾向東，傾角60～80°，為一壓扭性斷裂，巖石破碎，羽狀裂隙發育，具構造角礫巖、片理化、脈巖充填，兩側巖層揉皺強烈，斷層及影響帶寬度20~70m。受該斷層影響，隧區內巖體破碎，差異風化較大，斷層兩盤地層分別為三疊系溪口組砂巖，斷層帶附近巖層蝕變嚴重，斷層對隧道影響較大。

4水文地質特征

4.1水文地質特征。（1）地表水。測區地表水主要進出口及洞身溝槽內的溝水，主要由大氣降水補給。（2）地下水。地下水主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和構造裂隙水。孔隙潛水。主要賦存于隧道表層的沖溝、地表及隧道出口外圍的第四系沖洪積、殘坡積層中，僅局部沖溝中心的砂、卵石為強透水層。該類地下主要水分隧道的表層，面積小，富水性一般都較差，水量較貧乏。排泄條件較好，加之土層分布范圍小，水量較小。主要受大氣降水和基巖裂隙水補給。基巖裂隙水和構造裂隙水。測區碎屑巖地層主要為三疊系下統溪口組（T1x）砂巖夾泥巖，斷層破碎帶節理裂隙發育，地下水主要受大氣降水滲入式的補給，并賦存于空隙和裂隙網絡中，富水性較強，蓄水性好，構造裂隙導水性好，含水巖層發育，地層中砂巖中夾泥頁巖層，泥巖巖質較軟，裂隙閉合性好，局部泥質充填，透水性差，為相對隔水層，下部砂巖層中的裂隙水由于泥巖隔水層的存在易形成承壓水。裂隙水隨地形條件由高向低處徑流，于地形低洼處匯集和排出地表。構造對地下水的控制。測區內分布有斷層，砂巖、泥巖接觸帶也為強富水區。根據巖性、地貌、構造因素可分為2個富水帶。①斷層富水帶。該區位于隧道與里程DK1+490～DK1+540大角度穿越，主要巖性為砂巖。區內巖體受構造影響節理發育，產狀凌亂，巖體破碎，為地下水的富集創造了條件。該區屬富水區。②砂巖與泥巖、頁巖接觸帶。測區為三疊系地層，巖性以砂巖為主，夾泥巖、灰巖和頁巖，砂巖屬透水層，泥巖、頁巖相對隔水，砂巖與泥巖、頁巖接觸帶屬強富水區。4.2DK1+720處水文地質特征。DK1+720處位于帶狀或囊狀節理密集帶。區內巖體受構造和不均勻風化影響，節理裂隙發育，巖體破碎，地表水易沿著節理和裂隙下滲，賦存于裂隙中。該區屬富水區。地下水水位埋深24m，該段節理裂隙發育，洞身段相對富水，主要為靜儲量，透水性較好，地下水補給來源主要為降雨入滲，受降雨影響較大。隧道內地下水流速12～15m/min，流量70～100m3/h，水溫15℃。4.3地下水的動態特征。本段為低山地貌，地勢起伏較大，且構造發育、泥巖和頁巖隔水等原因導致區域地下水位不穩定。陡坡及山崖地帶地下水埋藏較深，山間溝槽地勢低洼地帶為隧道區域地下水徑流排泄出口，地下水埋深淺，局部地段可以平溝心，受降雨及泥頁巖隔水的影響比較大，地下水水位變化幅度較大（圖3、4所示）。4.4隧道涌水量預測。經對隧址區水文地質條件的調查、結合區域水文地質資料的綜合分析，大氣降水、地表水的直接入滲是地下水的主要補給來源。隧道穿越不同含水巖系，地下水位不一，地下水滲透性亦存在一定差異。因此，本次根據隧址區地形地貌、地層巖性、構造及水文地質條件等進行隧道涌水量預算。隧道涌水量采取降水入滲系數法和地下徑流模數法分別進行計算。（1）降雨入滲系數法[1]。采用基于水均衡原理的降雨入滲系數法來預測計算隧道的涌水量。依據《鐵路工程水文地質勘察規范》（TB10049—2014）中式E.1.2計算正常涌水量Qs，計算公式如下：Qs＝2.74α•W•A（其中A＝B•L）式中：Qs為隧道正常涌水量（m3/d）；α為降水入滲系數，依據隧道進出口段的地形地貌特征、植被的發育狀況，砂巖取值為0.18；W為年降水量（mm），（據當地氣象資料，多年平均降水量取值為1550mm）；A為隧道通過含水體地段的集水面積（km2），取值6.3km2；L為隧道通過含水體地段的長度（km）；B為隧道涌水地段L長度內對兩側的影響寬度（km）。DK0+160～DK2+720段計算結果：Qs＝4820m3/d。Q最大＝9640m3/d（最大涌水量主要考慮豐水期，在非可熔巖地區，最大涌水量取正常涌水量2倍）。（2）地下徑流模數法。計算公式如下：Q＝86.4•M•A（其中M=Q‘/F）式中：Q為流量（m3/d）；M為地下徑流模數（L/（s•km2）），取值9；A為隧道通過含水體地段的集水面積（km2），取值6.3km2；Q‘為地下水補給的河流或下降泉的流量（m3/d）,宜采用枯水期流量計算；F為相應于Q‘的地表流域面積（km2）。DK0+160～DK2+720段計算結果：Qs＝4900m3/d。Q最大＝9800m3/d（最大涌水量主要考慮豐水期，在非可熔巖地區，最大涌水量取正常涌水量2倍）。（3）地下水動力學法[2]。即按不同地段水文地質特征，選取不同的水文地質經驗參數，將隧道各段視為無隔水底板，選用相關公式進行分段涌水量計算。影響半徑采用庫薩金公式：R=2S姨KH涌水量采用柯斯嘉科夫公式(按雙側進水考慮)：Q=2aKBHlnR-lnr（其中a=π2+HR）式中：K為滲透系數（m/d）（結合水文試驗，經綜合分析選取合理的K值，取值0.025m/d）；B為隧道通過含水層的長度（m）（里程段DK0+160～DK2+720，長度為1560m）；H為靜止水位至隧道底的深度（m）（根據現場水位實測，H取值為90m）；R為隧道排水影響半徑（m）；r為隧道寬度的一半（m）（r=4m）；S為隧道水位降低35（m）。結合水文試驗，經綜合分析選取合理的K值，式中參數R和a計算如下：R=2S姨KH=2×35×姨0.025×90=105ma=π2+HR=π2+90105=2.43經綜合比較計算，推薦DK0+160～DK2+720段隧道涌水量：Qs＝5200m3/d，Q最大＝10400m3/d（最大涌水量主要考慮豐水期，在非可熔巖地區，最大涌水量取正常涌水量2倍）。隧道穿越區地下水分布受構造、巖性控制，水文地質邊界條件較為復雜，實際涌水量可能與預測值有一定偏差。

5工程地質條件評價

DK0+160～DK1+720（圖5、6）段屬低山區，地形起伏較大，局部較陡，相對高差較大，為100～500m，下伏基巖為三疊系下統溪口組（T1x）砂巖，偶夾泥巖、頁巖。本段受斷層影響，節理裂隙發育，巖體破碎，全、強風化層厚90～160m。地下水受降水入滲補給，2019年6月中旬至8月底降雨充沛，降雨時間較長，降雨量較大，地下水水位較高。經本次DK1+634.5m（圖7、8所示）左11m處（距離涌水突泥處85.5m處）補充鉆孔揭示隧道洞身為弱風化砂巖，圍巖較涌水突泥段變好。

6涌水突泥工程地質分析

桃山隧道出口段位于虎臂崎分水嶺東側，中低山地貌，西高東低，西側最高峰虎臂崎高程1197m，東側三明市均溪高程335m，相對高差較大，為100～500m，中部較為平緩，有利于降水入滲補給地下水，出口段處于地下水徑流區，徑流途徑較短，水量較大。根據氣象資料，2019年6月中旬至8月底降雨充沛，降雨時間較長，降雨量較大，地下水受地表水補給充足，地下水水位較高。隧道出口段地層為三疊系下統溪口組（T1x）砂巖，偶夾灰巖、泥巖和頁巖，地層單斜，產狀N4°～8°W/20～33°NE。隧道洞身斷層，為壓扭性斷裂，屬于政和－大埔斷裂帶。隧道出口外溝槽里發育水尾斷層，為張扭性斷裂，都屬新華夏系構造。受斷層和水尾斷層構造的擠壓扭曲，在相鄰斷層間產生微褶曲，巖體在受到壓應力和剪應力作用下，產生大量近似于垂直交叉的節理面和裂隙面，形成節理裂隙網絡。隧址區地表降水較豐富，地表水下滲進入節理裂隙網絡并賦存于其中，粉砂巖和膠結較差的砂巖在水和空氣作用下易于軟化，風化成散體狀、砂土狀巖體，成為富水層；鈣質和硅質膠結砂巖不易風化，呈碎裂狀巖體，由于地層中砂巖的顆粒大小、膠結成分、膠結程度和分布不同，隧址區差異風化較為嚴重。地下水主要受大氣降水滲入式的補給，并賦存于空隙和裂隙網絡中，富水性較強，蓄水性好，構造裂隙導水性好，含水巖層發育，地層中砂巖夾泥頁巖層，泥頁巖巖質較軟，裂隙閉合性好，局部泥質充填，透水性差，為相對隔水層，下部砂巖層中的裂隙水由于泥巖隔水層的存在易形成承壓水。裂隙水隨地形條件由高向低處徑流，于地形低洼處匯集和排出地表。在隧址區形成斷層富水帶、帶狀或囊狀節理密集帶富水帶和砂巖與泥巖、頁巖接觸帶富水帶。由于前期降雨充沛，地下水補給充足，隧道內呈淋雨狀和線流狀出水，流速12～15m/min，流量70～100m3/h，水溫約15℃。桃山隧道DK1+720掌子面處圍巖為砂巖夾頁巖，由于差異風化，存在全、強風化砂巖，受斷層構造影響，圍巖整體較破碎，呈碎塊狀夾散體狀。地下水賦存于砂巖裂隙網絡和帶狀或囊狀節理密集帶中，近期降雨充分補給地下水，地下水水頭差較大。開挖后掌子面處初始地下水水量較大，呈淋雨狀和線流狀出水，圍巖巖體在地下水作用下易軟化崩解，在隧道開挖后形成臨空面時形成坍塌和突水突泥。

7工程措施建議

（1）隧道地表塌陷區及時作好整平，防止降雨積水于塌陷坑內，做好截水天溝等排水工程。（2）由于地下水水量較大，且極易造成巖體軟化，建議增加洞內排水措施。（3）洞身為砂巖夾泥頁巖，質軟，節理發育，開挖過程中，拱部易產生掉塊、坍塌等，應加強隧頂超前支護措施，確保工程及施工安全。隧道底部泥巖遇水易軟化，特別是反坡地段尤為突出，建議設計加強隧底處理。（4）隧址區內軟質巖主要為對隔水層巖組三疊系下統溪口組（T1x）中的泥巖、泥質粉砂巖、頁巖，巖體破碎，極易軟化，隧道施工時加強超前支護、及時襯砌，防止再次塌方冒頂及影響山坡穩定性。（5）DK1+490～DK1+540為斷層破碎帶、DK1+540～DK1+720為斷層影響帶，易發生突水涌泥，施工中應加強超前地質預報，做好超前地質鉆探。（6）隧道施工會對隧道頂部地下水進行疏干，對居民生產、生活造成影響，應采取相應堵水措施。8結束語桃山隧道DK0+160～DK1+720發生涌水突泥，主要影響因素是洞身巖石風化差異較大，巖體破碎，地下水水量較大，且極易造成巖體軟化，在施工過程中應做好超前地質預報，加強洞內排水，加強超前支護、及時襯砌，確保安全通過涌水突泥段。

參考文獻

[1]秦殿明.淺談宋家山隧道涌水、突泥和溶巖等不良地質段處治技術[J].科技創業家，2011(12)：34.

[2]曲紹恒.淺談隧道工程涌水突泥成因及預防整治措施[J].建筑模擬，2019(6)：56.

[3]鐵路工程水文地質勘察規范：TB10049—2014[S].北京：中國鐵道出版社，2015:100-105.

[4]鐵路工程不良地質勘察規程：TB10027—2012[S].北京：中國鐵道出版社，2012:54-67.

作者:嚴國鑄 單位:核工業華南工程勘察院