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)

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。

5 结论

通过对该铁路隧道岩性、构造及水文地质特征的分析，运用地下水动力学等方法对各水文地质单元进行涌水量计算和预测分析，其结果对设计和施工有一定的指导意义。

隧道洞身DK495+780～DK497+220段山体比较扁平，且洞顶分布新黄土和碎石类土，在遇水的情况下容易坍塌，易造成滑塌、突泥涌水等灾害，施工中应加强支护和衬砌，及时排水，并采取相应的安全防护措施。

鉴于隧址区地质条件的复杂性，该涌水量预测与实际会存在一定的差异，其预测结果需在施工中加以动态修正，以提高预测精度，满足工程需要。

对易发生涌水突泥的断层破碎带、岩性接触带及部分隧道浅埋地段，设计和施工中应做好地质超前预报工作，针对不同地层及构造特点采用适宜的预报方法，不断提高工作面施工前方的涌水预报效果，更好地服务于施工。

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TheWaterVolumeForecastAnalysisandProtectiveMeasuresResearchofaRailwayTunnel

ZHOU Yan-jie ZHANG Zhi-fa

2014-06-11

周彦杰(1982—)，男，2010年毕业于中国地质大学(武汉)地质工程专业，工学硕士，工程师。

1672-7479(2014)05-0066-05

U452.1+1

： A