杜家山铁路隧道施工对地下水水位与径流的影响研究

李峥

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

随着隧道施工技术的不断进步，处理地下水灾害能力的提高，突水事故的敏感程度逐渐降低。隧道建设所关注的焦点逐渐从地下水对隧道的危害转变为隧道建设对地下水的影响。对地下水位的影响因素主要包括地表水体、降水等水文因素;地下水位的埋深和土壤岩性的非饱和带特性;含水层的岩性和边界条件的饱和带特性;地形地貌和土地利用的地表特征和人工开采的人类活动因素。其中最重要的制约因素是气候因素和人为因素［1－2］。而隧道建设对地下水环境的影响主要体现在对地下水水位和径流方面的影响。因此分析研究其影响程度并探索防治措施就凸显重要。

本文以杜家山铁路隧道工程为例，通过分析研究隧道施工对水位、径流以及居民饮水的影响，以期为工程建设中对地下水环境的影响防治提出一管之见。

1 工程概况

杜家山隧道位于南秦岭旬阳县甘溪乡与安康市早阳乡交界的分水岭地带，隧道横穿南秦岭山脉，北起旬阳县甘溪乡红花坪村附近梁家湾，南抵安康市汉滨区早阳乡东湾村。隧道全长14.28 km。最大埋深约760 m。隧道采用进、出口+斜井工作面辅助正洞施工。共设斜井4处，斜井总长3 461.63 m。施工总工期为42个月。

2 地下水环境概况

杜家山隧道进口位于旬河支流麻坪河河谷区，出口位于汉江支流丁家河河谷区，洞身穿越南秦岭低中山区。隧址区沟谷发育，沟谷多与山脊大致直交，呈树枝状分布。沟谷切割较深，断面呈“V”字形，分布有麻坪河、向家沟、纸房沟、丁家河等大小河流、沟谷终年流水不断，地表水发育，为地下水的形成创造了良好的外部条件。隧道通过区的泥盆系灰岩、灰岩夹千枚岩地层以及二郎山背斜、宋家垭断层、杜家山断层，为地下水的形成创造了良好的内部条件。

区域大气降水充沛，年平均降水量为772.5～872.4 mm，植被茂密，地表水丰盈，水土流失微弱，有利于降水的垂直入渗，为地下水的补给提供了较丰富的补给来源。区域内地下水的形成以大气降水、地表水体的入渗为主，由于岩性的差异，地下水没有统一的自由水面，地下水分水岭与地表分水岭基本一致。地下水以界岭为分水岭，隧道进口段，地表水及地下水均由南向北流动，最后汇入麻坪河;隧道出口段，地表水及地下水均由北向南流动，最后汇入汉江。

隧道区地下水的主要排泄方式是地下径流。降水后部分降水以地表径流形式，由分水岭向两侧沟谷汇集排泄，部分降水下渗后在构造裂隙中储存或运移，并向分水岭两侧就近的沟谷排泄，在沟谷中遇断裂或节理、裂隙的有利地段，则以泉的形式流出地表，也有部分地下水径流下渗参与深循环，补给深部岩溶水或承压水。

3 工程实施对地下水量、水位的影响分析

3.1 隧道涌水量预测

杜家山隧道长14.28 km，水文地质条件复杂，为了取得合理的隧道涌水量值，采用了地下水动力学法和降水入渗法预测隧道的正常涌水量和最大涌水量［3－4］。本次预测的隧道涌水量是在假定完全开挖且没有采取封堵等措施前提下计算的。涌水量预测结果见表1。

表1 隧道涌水量预测结果表

3.2 地下水降深结果分析

根据抽水孔水位下降资料，经计算，地下水降深如下:

图1 地下水环境降深对比图

如图1所示，杜家山隧道区域各岩层地下水降深在29～90 m之间。其中，灰岩的降深最大，依次是灰岩夹千枚岩、片岩夹千枚岩降深、灰岩夹千枚岩断层褶皱、浅埋片岩和千枚岩夹灰岩，最小的是片岩。

3.3 地下水影响半径结果分析

(1)影响半径R的预测公式［5］

式中:R—降水影响半径(m);

S—降水深度(m);

H—水头高度(m);

K—渗透系数(m/d)。

(2)地下水影响半径计算结果

如图2所示，地下水影响半径在167～292 m范围内。其中，地下水影响半径最大的是在灰岩夹千枚岩、片岩夹千枚岩，其影响半径为292 m。而地下水影响半径最小的是在千枚岩夹灰岩，其影响半径是167 m。影响半径越大对地下水量的影响就越大，其影响范围就越广，从而对地下水位的影响就越大。

图2 地下水环境影响半径对比图

4 地下水径流影响预测分析

隧道施工对区域地下水环境的影响主要是通过改变赋存地下水的地质环境从而改变影响范围内地下水天然补径排条件，使地下水以隧道为中心构成新的汇势，在隧道排水影响范围内形成新的地下水循环系统，进而改变影响区地下水的分布格局［6－7］。

经预测，杜家山隧道涌水量约44 436 m3/d，隧道两侧平均影响半径为167～292 m，隧道附近的地表河流仅有张家河在影响半径范围内，且日流量为180 m3，占地表总流量的0.7%，对整个水平衡不会造成太大影响。另外，隧道的断面尺寸有限，对于山体中的地下水分布、流场的影响也是暂时的和有限的。同时，由于隧道区降雨较丰沛，降雨过后的地表径流增加明显。隧道排水排出的地下水也是降水入渗的一部分，施工排水将地下水直接排入到邻近的沟谷，对地表水资源的流失和水资源总量影响不大。

因此，杜家山隧道施工在有较大的断层分布地段对地下水流场有一定的影响，在经过有效的地下水防漏措施防治后，隧道施工对地下水流场基本无影响。

5 对居民生活饮水的影响

隧道顶部村民饮水主要为泉水和沟流水，其用水量很小，且在隧道通过区域内，大气降水比较频繁，地下水在接受大气降水补给后，在地下水强径流带中径流，大部分沿沟谷以泉水或线状形式向沟谷排泄，补给地表水，供给当地村民生活需要，极少部分继续下渗，补给深部弱循环带地下水，成为隧道涌水的主要地下水补给源［8］。

隧道顶部饮用泉水和沟流水的村庄段隧道埋深在90～750m，其中位于大部分地下水弱径流带中，隧道对影响半径内的李家垭、冯岩、张家河、刘家湾村庄饮用水可能产生影响，需要通过工程措施进行防护并采取监控措施，对其他村基本无影响。

6 保护措施

(1)对隧道通过断层带、灰岩与千枚岩接触带发生突然涌水的可能性很大，施工时应加强综合超前地质预报，探明掌子面及隧底前方地质条件，以便采取有效的施工措施，避免施工中突发涌水。

(2)为防止隧道开挖过程中出现高压涌水，施工中要贯彻“堵水防漏”原则，做到“先探水、预注浆、后开挖、补注浆、再衬砌”施工工序。对于探水孔涌水量＞10 m3/h，采取帷幕注浆;对于涌水量虽＜10 m3/h，但别个单孔出水量＞2 m3/h时，对这些探孔进行局部注浆，对开挖后有水则进行顶水注浆。

(3)施工中加强支护，做到边掘进边衬砌，在初期衬砌后及时铺设防水板，防水板铺设采用无钉铺设工艺。并进行二次复合式衬砌;在水平施工缝或环形施工缝使用橡胶止水带止水工艺。

(4)对隧道通过泉水流经的断层带与各岩石的地方，施工时应采取避让或引流措施以保证泉水的正常流通，此外对地下涌水也要控制以防止地下水位下降严重而导致泉水的断流。

(5)隧道掘进施工前在进一步调查基础上，在断裂带两侧选择有代表意义的泉水进行流量监测，掌握其动态变化规律，便于流量对比。监测项目主要包括水位、流量、水温、降雨量等指标。应进行长期观测，并在施工进入该区段时，采用自动监测设备，每日多次取样监测。

(6)建立地下水监测数据信息管理系统，与环境管理系统相联系。

6 结论

(1)杜家山隧道施工正常涌水量为44 436 m3/d。如不采取一些防渗、排导措施，必然会对岩层附近地下水量造成一定的影响，地下水位也会随着地下水量的减少而下降。隧道影响半径为167～292 m。隧道施工在有较大的断层分布地段对地下水流场有一定的影响，在经过有效的地下水防漏措施防治后，隧道施工对地下水流场基本无影响。隧道对影响半径内的村庄饮用水可能产生影响，需要通过工程措施进行防护，其他村基本无影响。

(2)根据杜家山隧道可能对地下水水位和径流造成的影响分析提出进行超前地质预报、采用帷幕注浆、铺设防水板、止水带等施工技术、进行地下水监测、加强施工期管理、制定预案等保护措施。

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