龙南隧道施工涌水量计算及分析

任增增

(贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳 550081)

1 工程概况

拟建龙南隧道位于江西省赣州市全南县和龙南县境内，线路近正北、北西走向。场区以剥蚀构造低山为主，地形起伏，局部陡峭，沟谷狭长，多呈V字型。隧道穿越变质砂岩、花岗岩、砂岩、石英砂岩等地层，隧道起讫里程为DK91+531～DK101+775.27，全长10 244.27 m。隧道穿越低山区，沿线地面标高210～860 m，隧道地质构造及水文地质条件较复杂，属控制性重点隧道工程。隧道进口内轨设计标高236.272 m，出口内轨设计标高261.153 m，隧道最大埋深约580 m。

2 地质条件概述

2.1 地层岩性

隧道区出露的地层有第四系全新统(Q4)覆盖层及泥盆系老虎坳组(D2l)、寒武系高滩组(∈2gt)、燕山期(γ52)岩层。沿线出露的地层岩性由新至老分述如下：

2.1.1 第四系全新统(Q4)

区内分布的第四系全新统地层主要为沟谷底部的冲洪积层(Q4al+pl)以及山坡地带的残坡积层(Q4el+dl)。

冲洪积层(Q4al+pl)，粉质黏土，黄褐色，可塑，厚度0～5 m，局部为圆砾土，稍密，厚约5 m，分布于进出口谷底附近及沿线沟谷地段。

残坡积层(Q4el+dl)，分布于进出口缓坡处及低山山坡表层，为粉质黏土，黄褐色，硬塑，厚度为0～3 m。

2.1.2 燕山期(γ52)

主要分布于DK91+910～DK98+290附近，岩性主要为黑云母花岗岩，全～弱风化。花岗岩全风化层厚0～10 m，呈砂土状，结构松散，强风化层厚3～15 m，岩体破碎，弱风化节理裂隙较发育，岩体较破碎～较完整。

2.1.3 泥盆系老虎坳组(D2l)

主要分布于DK98+290～DK101+775.27(隧道出口)附近，岩性主要为砂岩、石英砂岩，由钻孔揭示局部夹灰岩，隐晶质结构，薄层状构造。地表全～强风化层厚3～25 m，其下为弱风化。弱风化呈青灰色，节理、裂隙较发育，岩体较完整，岩层产状227°∠40°、66°∠40°、45°∠50°。

2.1.4 寒武系高滩组(∈2gt)

主要分布于DK91+533(隧道进口)～ DK91+900附近，岩性主要为高滩组(∈2gt)变质砂岩，地表全～强风化层厚10～25 m，其下为弱风化。弱风化呈青灰色，岩体较完整，岩层产状41°∠60°。

2.2 地质构造

隧址区处于我国大地构造单元华南褶皱系的九连山隆起区，区域内受燕山期(γ52)花岗岩侵入以及区域中寨(全南)～江头圩(安远)大断裂影响，隧址区构造发育。根据区域地质资料及沿线实际调查，结合震探、EH-4等综合分析，线路DK91+900以及DK98+290附近分别为燕山期(γ52)侵入花岗岩与寒武系(∈2gt)及泥盆系(D2l)砂岩侵入接触带，DK91+900～DK98+290段为燕山期(γ52)侵入花岗岩地层，进口及大里程侧为泥盆系(D2l)地层，受到断层切割，岩层产状多有变化，主要产状有327°∠40°、66°∠40°、45°∠50°。隧址区发育10处断裂带。

3 水文地质特征

3.1 地表水特征

隧道区地表水系较发育，主要为山间溪沟水，一般呈V型冲沟，属山区型羽状沟网汇集而成，主要接受大气降水补给，具有山区季节性河流特征，其中DK92+120～DK92+160浅埋段地表水发育，山间沟溪水汇集于该处东侧750 m处小水库中，库水流径线位，水量大，该段隧道洞身围岩为花岗岩，埋深约30 m，易发生坍塌冒顶，设计及施工中需加强该段岩体的支护及防排水措施。

3.2 地下水类型

地下水类型为基岩裂隙水，按其赋存空间及区内地层岩性及构造可分：松散岩层孔隙水、风化裂隙水、构造裂隙水及岩溶水。

3.3 地下水的补径排特征

3.3.1 补给特征

测区地形切割较为强烈，相对高差较大，风化裂隙十分发育，地面植被层较发育，强风化层厚度较厚，大气降水为地下水主要补给来源。

3.3.2 径流及排泄特征

部分大气降水通过裂隙、断层带下渗后，通过包气带后由垂向径流转向水平径流，其中大部分赋存于浅部的风化裂隙和构造裂隙中，通过短途径的地下径流后在沟谷中或悬崖部位以下降泉或散流形式排泄，一般径流途经短，径流强度较大，径流深度较小，地下水水位动态变化大，部分沿着大的构造裂隙和断层破碎带向深部径流，成为深部地下水静储量的一部分。

3.3.3 岩溶水补给特征

洞身DK99+000～DK100+500段可能赋存岩溶水，补给途径主要有3个方面，大气降水补给、地表水通过溪沟流经区内由裂隙渗漏补给及相邻地下水系统补给，大气降水为主要补给途径。

4 隧道涌水量的计算与评价

根据对地质条件的认识和综合分析，龙南隧道涌水量计算主要用3种方法：①降水入渗法；②地下径流模数法；③地下水动力学法，以便综合对比分析，为隧道设计施工提供指导。

4.1 涌水量计算方法及分析

4.1.1 降水入渗法[1]

1) 计算隧道正常涌水量(Qs)。公式如下：

Qs=2.74α·W·A

式中：Qs为隧道通过含水体地段的正常涌水量，m3/d；α为降水入渗系数；W为多年平均降水量；A为隧道通过含水体地段的集水面积。

2) 计算隧道最大涌水量(Qmax)。公式如下：

Qmax=2.74α·Wmax·A

式中：Qmax为隧道通过含水体地段的最大涌水量，m3/d，约等于隧道正常涌水量的1.5倍；Wmax为多年最大降水量。

若计算隧道雨季涌水量或设计频率暴雨涌水量时，降雨量值必须分别采用不同的设计频率降雨量。计算雨季涌水量(Qs)，设计频率降雨量的取值选用隧址区多年月最大降雨量的日平均降雨量值。见表1。

表1 隧道分段及降水入渗系数

综合考虑地质构造与地层岩性，选取合理的降雨入渗参数，结合圈定的集水面积区段(F8断层带附近采用地下水动力学法计算)收集的降雨量参数，利用公式进行计算。采用降雨入渗法，龙南隧道洞身可能发生涌水地段(F8断层除外)正常涌水量为1 922 m3/d，最大涌水量为3 051 m3/d；其余地段均为弱富水区，发生涌水的可能较小，预测最大涌水量为0.5 m3/d·m，即4 113 m3/d；合计降雨入渗法计算的龙南隧道(F8断层除外)正常涌水量为6 082 m3/d，最大涌水量为7 239 m3/d。

4.1.2 地下径流模数法[2]

1) 计算隧道正常涌水量(Qs)。公式如下：

Qs=M年·A

式中：Qs为隧道通过含水体地段的正常涌水量，m3/d；M年为年平均地下径流模数，m3/(d·km2)；A为隧道通过含水体地段的集水面积，km2。

2) 计算隧道最大涌水量(Qmax)。公式如下：

Qmax=λ·M年·A

经计算，采用地下径流模数法，龙南隧道洞身可能发生涌水地段(F8断层带附近采用地下水动力学法计算)正常涌水量为3 320 m3/d，最大涌水量为4 980 m3/d。见表2。

表2 地下径流模数法计算表

4.1.3 地下水动力学法[3]

隧道位于有限厚的含水层中，承压水从富水断裂带一侧补给，采用下列公式计算山区地下水补给一侧的涌水量。

式中：Q为隧道的涌水量，m3/d；B为隧道通过含水体的长度，m；K为含水体的渗透系数，m/d；H为含水层厚度，m；h为水位下降曲线在隧道边墙上的高度，m；R为隧道涌水量影响半径，m；M为承压含水层厚度，m。

隧道洞身在DK99+500～DK99+620段穿过F8断层，与线路60°斜交，线路穿过断层的长度在120 m左右，断层带岩体破碎，导水及富水性极好；采用地下水动力学法计算隧道本段的涌水量，计算结果见表3。

表3 地下水动力学法计算表

4.2 涌水量分析评价

计算结果表明，DK92+120～DK92+370段(F1断层破碎带、浅埋段)、DK92+990～DK93+120段(F2断层破碎带)、DK95+190～DK95+330段(F3断层破碎带)、DK96+750～DK96+880段(F4断层破碎带)、DK97+670～DK98+480段(F5、F6断层破碎带)、DK99+160～DK99+250段(F7断层破碎带)、DK100+140～DK100+220段(F9、F10断层破碎带)及DK101+140～DK101+220段(F11断层破碎带)所在隧道洞身区域属中等富水区，DK99+500～DK99+620段(F8断层破碎带)为强富水区，其他段皆为弱富水区，发生突水的可能性较小，但设计及施工中应加强超前地质预报。隧道主要可能涌水部位分布在构造发育区、地表沟谷发育区、花岗岩侵入接触带及钻探揭示可溶岩地段。隧道可溶岩分布段钻探揭示灰岩岩芯表面局部见较强溶蚀现象，基于岩溶发育的复杂性，推测该段岩溶水及构造富水呈带状储集，多具静态储量性质，当隧道开挖至富水带后易产生静态水的突水释放，对施工造成一定程度的影响[4]。尤其是DK99+500～DK99+620段极易发生突水、突泥。

5 结 语

在隧道开挖后，由于卸荷、偏压等效应使地应力重新分配及爆破扰动等，可能导致浅部裂隙张开，其导水能力增强，易使地表水溪水漏失、流量减少，可能对当地居民生活造成影响[6]。

综合分析，该隧道地质构造发育，局部岩体较破碎，局部灰岩溶蚀裂隙发育，为地下水的富集提供了有利条件。根据隧道区的地层岩性、地质构造、围岩富水性分区程度、预测涌水量等判定，该隧道水文地质条件较差[7]。