永寿梁隧道地下水的成因、分布规律及施工措施研究

赵春华（中国中铁隧道集团有限公司杭州公司，浙江　杭州　310000）



永寿梁隧道地下水的成因、分布规律及施工措施研究

赵春华
（中国中铁隧道集团有限公司杭州公司，浙江杭州310000）

摘要：根据勘探资料，分析了永寿梁隧道地下水形成的自然条件、赋存条件与分布规律，确定了地下水的补给、径流、排泄条件，进行了隧道水文地质条件分析与评价，提出了施工措施建议。

关键词：隧道；地下水成因；分布规律；施工措施

在隧道施工过程中对围岩中地下水的认识和研究一直被设计和施工技术人员所关注，王鹏研究了乌鞘岭隧道涌水原因分析及处治措施[1]；汪海滨研究了山岭隧道地下水规律及防治方法[2]；梁诏斌等进行了矿山法隧道地下水控制分析[3]，研究了采取不同的防水措施时，地下水渗流对周围环境的影响及作用在隧道衬砌结构上的水压力的分布规律；王秀英等进行了山岭隧道堵水限排围岩力学特性分析[4]；张志强等进行了圆梁山隧道在高水位条件下支护结构体系研究[5]，黄涛等进行了渗流一应力一温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的预测[6]；王建宇分析了隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载[7]。本文结合永寿梁隧道工程实际，研究了地下水的成因、分布规律，同时提出了施工措施建议。

1　区域地下水形成的自然条件

永寿梁隧道位于陕西省永寿县、彬县境内，地处渭北黄土南缘，泾（河）渭（河）分水岭东端。永寿梁隧道穿越永寿县黄土沟梁区，隧道洞身通过地区为沟谷深切的宽梁地形，属低中山地貌。岭脊基本呈东西向，垭口西高东低，由西向东逐渐趋缓，支脉渐增，分水岭南坡缓、北坡陡，除北侧太峪河宽谷较宽外，其它沟谷均强烈下切，如：蔡家山沟、干板沟、冰凌沟、陡坡沟多呈坡陡谷深的黄土“V”型沟，沟谷呈树枝状，沟深相对高差100～200m。

永寿梁以北及蒿店梁以东的地表水汇入泾河，永寿梁以南与蒿店梁以西的水汇入渭河，较大冲沟沟底常有小股水流。

永寿梁黄土覆盖，仅岭顶及沟底零星出露基岩。分水岭顶（靠线路附近）标高1390m，岭两侧黄土塬顶标高约为1240m及1160m。

据永寿县、彬县气象站气象资料显示：本区属于南温带大陆性亚湿润气候区，夏季炎热，冬季寒冷，春秋两季多风，四季分明。降水主要集中在7、8两个月，年平均降水量571.5（永寿县）～566.3mm（彬县）。

永寿梁隧道进口地表水为泔河上游支流，流量较小，由于人工土坝拦截，在进口沟谷处形成积水；出口为太峪河支流，为常年流水，流量较大，泔河为渭河支流，太峪河为泾河支流。隧道通过区冲沟发育，较大冲沟沟底常有小股水流，该水流主要是基岩裂隙渗出水及泉水汇集于地表形成的，多为常年流水，除干板沟、冰棱沟中地表水流量较大，分别为1040m3/d、350m3/d，其余沟谷流量一般40～120m3/d，地表水流以沿途基岩裂隙渗出水为主，其次为泉水。泉流量很小，出露位置大多不太明显，已发现泉眼数量较少，流量较小，一般小于0.3l/s。

隧道工程涉及的地层主要有第四系、白垩系、侏罗系、三叠系等。

2　地下水的赋存条件与分布规律

永寿梁隧道地区地下水的分布规律和赋存条件，受气候、构造、岩性及地貌的严格控制，呈现出特殊性和复杂性。由于隧道区上部为冲积、风积黏质黄土，厚度10～200m不等，所以黄土层中普遍不含水，局部黄土钙质结核层中存在上层滞水。所以根据隧道通过区出露的地层岩性及地质构造特征,并结合含水介质的不同,将隧道区地下水分为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水两大类。前者分布于隧道进、出口及各沟谷中，赋存于第四系冲积粗、细圆砾土和砂层中，接受大气降水入渗补给，地下水的水量受含水层的分布、埋深和季节性补给等因素影响差异显著；后者主要储存于隧道区白垩系下统（K1）砾岩夹砂岩、侏罗系（J）砂岩夹泥岩、三叠系中统（T2）砂岩夹页岩中，依据储水裂隙成因的不同，又分为风化裂隙水和构造裂隙水两类，隧道洞身通过区地下水主要为后者。

隧道通过区出露的基岩地层有白垩系下统（K1）、侏罗系（J）、三叠系中统（T2）三个地质时代的地层，这些地层以角度不整合形式接触。区内主要的构造特点是断裂少见，褶皱发育，背、向斜构造轴部与隧道走向垂直，核部及两翼地层岩层产状平缓。拜家河沟向斜轴部上层为白垩系砾岩夹砂岩，下部为侏罗系砂岩夹泥岩、砾岩夹砂岩，两翼主要为三叠系砂岩夹页岩及侏罗系砂岩夹泥岩；太峪背斜轴部为三叠系砂岩夹页岩，向东逐次见侏罗系地层。

这些地层中，位于向斜两翼的三叠系砂岩夹页岩和向斜轴部上层的白垩系下统（K1）砾岩夹砂岩和下部侏罗系砾岩夹砂岩中构造节理、裂隙发育，且张开性较好，为地下水的储存、运移提供了良好的场所，是隧道区主要基岩裂隙水含水层（体）。同时，向斜核部为储水构造，富水性相对较好；太峪背斜核部储水条件及富水性较差。

3　地下水的补给、径流、排泄条件

永寿梁隧道地处中朝准地台的三级构造单元陕北台凹的彬旬凹陷和北缘挠褶带的结合部。区内主要的构造特点是断裂少见，褶皱发育，背、向斜构造南北相间成排，褶皱形态以宽缓型-缓波状背斜及槽状-平缓状向斜为特征。

该地区地形坡度大，切割强烈，为明显的泄水地形。降水为地下水的主要补给来源，但是降水入渗强度随地形切割起伏程度的增大而减小，并以附近沟谷为排泄基准面。地下水位与地貌形态及含水层埋深密切相关，水位高程一般在950～1150m左右，沟谷内地表水流高程一般在900～1135m，潜水位高于地表水位，从而可以推断基岩节理、裂隙为地下水的径流通道，沟谷为地下水排泄区。隧道区沟谷水、泉水的补给、径流及排泄基本形成了统一的循环体系。

4　隧道水文地质条件分析与评价

4.1隧道富水性分区

越岭地区地层种类较多，根据含水介质及赋存条件的不同，划分为两种含水岩组，对应这两种含水岩组，根据隧道区地形地貌、构造特征，结合钻探、抽、提水试验及水文测井资料，综合分析越岭隧道通过区的富水条件，相应划分了三个富水性分区。

1）孔隙潜水含水岩组（Ⅰ）

主要由下更新统（Q1）冲积粉质粘土、细圆砾土组成。该含水岩组主要分布在隧道进、出口附近，地下水主要为上层滞水，仅含少量或微量地下水。单位正常涌水量小于100m3/d·km。

2）基岩裂隙水含水岩组（Ⅱ）

主要为白垩系下统砾岩夹砂岩、侏罗系砾岩夹砂岩和砂岩夹泥岩，三叠系中统砂岩夹页岩相互间以不整合形式接触，根据岩石节理裂隙发育程度和上覆地层富水条件可将该含水岩组划分为基岩裂隙水中等富水区(Ⅱ1)和基岩裂隙水弱富水区(Ⅱ2)。

（1）基岩裂隙水中等富水区(Ⅱ1)：该含水岩组分布于隧道浅埋地段的沟谷区和拜家河沟向斜轴部附近，由于上覆黄土层厚度小，基岩破碎，且埋藏浅，易接受大气降水及沟谷中地表水的季节性补给，并通过节理、裂隙垂向渗透补给下部基岩裂隙水。该岩组地层以侏罗系砾岩夹砂岩、砂岩夹泥岩和三叠系砂岩夹页岩为主，节理、裂隙发育，且连通性较好，主要为构造裂隙水，水量较大，单位正常涌水量约1000～2085m3/d·km。

（2）基岩裂隙水弱富水区(Ⅱ2)：该含水岩组主要分布于太峪背斜附近和隧道岭脊及缓坡地带，埋深大，上覆黄土层厚度相对较大，降水入渗补给条件较差，虽然下部侏罗系砾岩夹砂岩、砂岩夹泥岩和三叠系砂岩夹页岩地层中节理、裂隙较发育，但水量却相对较小，单位正常涌水量约466～810m3/d· km，主要为构造裂隙水。

4.2隧道水文地质条件评价

永寿梁隧道地区的地址和水文条件较为复杂，大部分地区覆盖有厚层黄土。第四系上更新统马兰黄土，风积成因为主，孔隙发育，壁立性强，具湿陷性；第四系中更新统离石黄土，风积成因为主，顶部局部具湿陷性。根据土工试验报告计算，隧道进口段黏质黄土具Ⅱ级自重湿陷性，总湿陷量35～54cm，湿陷土层厚度约13m。出口段黏质黄土具Ⅲ级自重湿陷性，总湿陷量44～55cm，湿陷土层厚度9～14m。本区范围属于黄土沟梁区，有滑坡、错落数十处，主要为黄土冲沟滑坡（错落），这与地层分布、岩性产状、沟谷切割及地下水有密切关系。线路以隧道形式通过，且进、出口均已绕避，所以，对隧道工程影响不大，但在崔家沟、干板沟、冰凌沟等沟两侧坡面，多为陡坡浅层高角度小型滑坡、错落及溜坍、坍塌，坡面凌乱，滑体、错落及溜坍、坍塌堆积物主要为黏质黄土，堆积物前缘堆积于沟底，无明显的规律，由于洞身埋深较大，地表滑坡、错落对隧道基本无影响。

第四系中、下更新统黏质黄土中夹有灰黄色、棕红色古土壤，呈层状，厚度0.2～1m，从岩芯外观看具有膨胀岩土的基本特征，在隧道进出口及各斜井井口处均有分布，自由膨胀率一般在50%～60%，阳离子交换量196～211mmoL/kg，蒙脱石含量15.9%～18.5%，具有弱膨胀性。侏罗系泥质砂岩、泥岩自由膨胀率37%～51%，阳离子交换量175～257mmoL/kg，蒙脱石含量8.1%～12%，具有弱膨胀性。

隧道区沟谷发育，除隧道进出口两侧的蔡家山沟、陡坡沟外，还发育有富家沟、崔家沟、干板沟和冰棱沟等多条较大的沟谷，沟谷地段上覆黄土层厚度小，基岩埋藏浅，局部地段基岩甚至出露，基岩裂隙水易接受大气降水及沟谷中地表水的入渗补给，富水性中等；拜家河沟向斜轴部附近有利的储水条件，使其赋水性较好；太峪背斜附近和隧道岭脊及缓坡地带，富水性相对较弱。

永寿梁隧道区较大沟谷中多有泉水出露，虽然流量较小，但多为常年流水，可见隧道区基岩裂隙水补给较稳定，节理、裂隙较发育，且连通性较好。隧道区沟谷地表水、泉水是当地居民唯一的生活饮用水源，施工中，应密切注意施工排水对地表水、泉水的影响，做好相应的监测工作，以免疏干水源；地下水对隧道围岩及施工有一定的影响，隧道通过基岩裂隙水中等富水区时，预计洞身及1、2、3号斜井开挖时，可能发生集中涌水、渗漏水、围岩失稳坍塌等危害，施工中应注意做好地质超前预报工作，并及时做好相应的防护措施，对渗漏水处应采取注浆堵水等措施；隧道穿越基岩裂隙水弱富水区时，施工中可能发生渗漏水、滴渗水及围岩失稳坍塌等危害，局部段落也不排除有涌水的可能性，应注意做好基础的防水设计；进入松散层孔隙水贫水区时，涌水量较小，对隧道影响不大，局部段落可能会发生轻微的滴渗水。

若雨季施工干板沟、冰凌沟隧道浅埋段，由于上、下游沟谷不畅，沟内积水，地表水沿黄土和基岩节理裂隙下渗，使隧道洞身成为富水区，施工中有可能产生突然涌水现象，应加强监测。

5　结论及工程措施建议

1)永寿梁隧道的水文地质条件受区域水文地质特征的控制和影响。地下水的形成主要是水地表水通过基岩构造裂隙、溶蚀裂隙、风化裂隙渗流到基岩层的储水构造中，形成相对稳定的地下水水动力循环带。

2)2#斜井进口位于干板沟右侧一支沟沟口，与线路呈40°相交于DK103+950，平面长度1018m，该支沟沟谷较窄，沟心及两侧岸坡树木茂密，杂草丛生，沟心有常年流水，水量较小。斜井洞身穿过白垩系砾岩夹砂岩及侏罗系砂岩夹泥岩、砾岩，岩体节理较发育，Ⅳ级软石。井口处第四系地层覆盖，进口右侧分布一大型错落，工程地质条件一般。

3)隧道进出口部分段落隧道走行于土石界面附近，洞身围岩以沉积岩为主，围岩产状变化较大，层间结合差，软硬不均，极可能产生围岩失稳、坍塌、突然涌水等工程地质问题，设计和施工时对软弱段应加强措施，施工时应加强超前地质预报工作，并根据超前预报的地质情况，提出工程措施意见，以保证隧道施工工程安全。

4)进出口段黏质黄土中古土壤层具弱膨胀性，洞身处泥质砂岩、泥岩具弱膨胀性，施工时应注意。

5)隧道设置双侧水沟排水，道床底部预埋镀锌钢管连接左右侧水沟，为隧道侧沟内的水尽量均匀分配，利用横通道侧沟连接I、II线水沟。

6)拱墙背后设置厚度不小于1.5mm的EVA防水板，板后铺设无纺布缓冲层（＞300g/m2）；

7)防水板背后拱墙环向设Φ50mmHPDE单层打孔波纹管盲沟，墙脚纵向设Φ75mmHPDE单层打孔波纹管盲沟。环向盲沟与纵向盲沟均直接与隧道侧沟连通。环向盲沟纵向间距按中等富水区6～8m、弱富水区8～10m、贫水区10～12m一道设置，并分段引入隧道侧沟内，引排防水层背后的积水。

8)施工缝防水构造为外贴止水带+中埋橡胶止水带，横通道及其它非机电综合洞室的衬砌施工缝采用单一防水构造：即中埋橡胶止水带。变形缝采用外贴止水带+中埋橡胶止水带+嵌缝材料。

9)施工中，一方面对水文地质及地表水文环境进行监测与跟踪，采用地质超前预报技术探明前方水文地质情况，提前疏排或注浆止水；另一方面，要做好应急准备，一旦发生涌水，要尽快安装抽水设施，迅速排出，应按最大涌水量配备排水设备，确保安全。对可能发生涌水的部位及时采取措施，避免突发性、灾害性涌水的事故。超前帷幕注浆法的设计注浆参数为：浆液水灰比（W/C）为1：1，水玻璃浓度为35波美度，模数2.4，水泥水玻璃体积比（C/S）为1：0.6，单孔有效扩散半径R取3m，初始压力控制在0.5～1.0MPa，终压为2.0MPa，一次注浆长度为15m，每次开挖12m，留3m作为下一循环注浆止浆盘，注浆设计范围为隧道开挖轮廓线外5m，开挖断面内均布注浆孔三环，从外向内每一环的外插角依次为：20°～23°、10°～13°、2°～5°，采用分段前进式全孔一次压入式两种注浆方式。

10)施工排水工作方式

（1）进口端排水：正洞掌子面积水采用移动潜水泵抽至设在洞内一侧的泵站，由工作泵将水仓积水经管路抽排至下一级泵站，如此接力抽排至洞外，沉淀过滤后排放。

（2）斜井工区：在自掘的过程中可不设水仓，工作面的积水由移动潜水泵抽排至临时水仓内，由临时水仓抽排至洞外；斜井施工正洞时，斜井井底、井身设水仓及泵站，正洞渗水和斜井自身渗水以及施工用水均由斜井排出洞外。斜井担负正洞反坡施工段较短，采用移动潜水泵将水抽至斜井底，再通过斜井泵站抽至洞外，水量较大时，在正洞中设置水仓。

（3）水仓尺寸按15min设计涌水量设计，并考虑施工和清淤方便综合确定。工作水泵按使用一台、备用一台、检修一台配备，排水管采用承压铸铁管。

参考文献：

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[8]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

中图分类号：U45