叙毕铁路斑竹林隧道水文地质条件分析及涌水量预测

寇正中，张生祥，丁浩江，陈鹏，蒋全，刘光宇

叙毕铁路斑竹林隧道水文地质条件分析及涌水量预测

寇正中1，张生祥1，丁浩江2，陈鹏1，蒋全1，刘光宇1

（1.四川省煤田地质局一三五队，四川 泸州 646000；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

斑竹林隧道水文地质条件复杂，地下水以岩溶水及裂隙水为主，富水性中等-强。通过综合勘察及分析，获取了相关水文地质参数，分别采用简易水均衡法、地下水动力学法、经验公式法等对隧道涌水量进行预测。经综合分析，推荐隧道正常涌水量为13 175 m3.d-1，最大涌水量为38 241 m3.d-1；隧道涌水主要集中在可溶岩含水层及洞身浅埋段块石土孔隙水含水层，约占全隧道正常涌水量的77%；隧道在施工中有遇岩溶暗河、涌水、突泥的可能，应加强止水、抽排水措施，防止并减轻造成地表水漏失、地面塌陷等生态环境问题。

水文地质条件；水文地质单元；渗透系数；涌水量预测；严重等级

预测隧道涌水量的方法，我国学者在近20年来，在引进、消化、吸收国外涌水量预测方法的基础上，不断探索隧道涌水量的预测方法，并取得一定的进展，已从基于定性分析研究发展成为定量评价与计算，主要体现在隧道涌水位置的确定和涌水量预测两个方面[1]。《铁路工程水文地质勘察规范》（TB 10049-2014）预测隧道涌水量的方法主要有简易水均衡法（地下径流深度法、地下径流模数法、大气降水入渗法）、地下水动力学法（古德曼经验式、左藤邦明非稳定流式、裘布依理论式、左藤邦明经验式）、其他方法（水文地质比拟法、同位素氚（T）法、评分法）。虽然隧道涌水量的预测方法较多，但因水文地质条件的复杂性、采用理论和公式的合理性及相关参数的准确性等因素，确定隧道涌水位置、准确预测涌水量是一个比较困难的课题，应在查明水文地质条件的基础上，根据各种方法的适用条件，选择适用的理论和方法进行预测，才能得到较为可靠的隧道涌水量。

本文在分析水文地质条件的基础上，采用简易水均衡法、地下水动力学法、经验公式法等对隧道涌水量进行了预测，以期达到较为合理地预测隧道涌水量、确定隧道主要涌水位置之目的。

1 工程概况

叙毕铁路斑竹林隧道位于云南省威信县境内，隧道进口里程D2K222+190、高程约1 079m，出口里程D2K235+000、高程约1 164m。隧道全长12 810m，属特长隧道，最小埋深18m，最大埋深600m，为全线的控制性工程[2]。

2 隧区地质背景

2.1 气象特征

隧区属亚热带与暖温带过度季风性气候区，降雨充沛，多年平均降水量在751.8～1217.96mm，最大日降雨量66.2mm，多年平均蒸发量998～1 051mm[3]。

2.2 地形地貌

隧区属低、中山侵蚀地貌，海拔约1 000～1 730m，相对高差150～730m。自然斜坡一般15°～40°，局部陡峻，坡度达60°～80°。

2.3 地层岩性

隧区地层区划属扬子区黔北川南分区筠连镇雄小区[4]。出露地层由新到老依次有：第四系全新统（Q4）粉质粘土及碎、块石土；志留系中下统韩家店群（S1-2）砂岩、页岩，下统石牛栏组(S1)灰岩、页岩，下统龙马溪组（S1）泥质灰岩、砂岩、页岩、炭质页岩；奥陶系中上统（O2+3）灰岩，下统湄潭组（O1）砂岩、页岩夹少量灰岩，下统桐梓组+红花园组（O1）灰岩、白云岩；寒武系上中统娄山关群(∈2-3) 白云岩。

2.4 地质构造

隧区位于云贵高原北部扬子准地台滇东台褶带的东西向构造、北东向构造、雨河反S型构造三大构造体系的复合部位[5]。地质构造复杂，褶皱、断裂发育，隧道洞身共穿越3条褶皱轴线、7条断层。

3 水文地质条件

斑竹林隧道为越岭隧道，通过南广河、赤水河两大水系；受地质构造、地层岩性、地形地貌及气候特征等因素控制，水文地质条件复杂（图1）。

图1 隧道纵断面图

3.1 地下水类型

地下水的类型主要为孔隙水、裂隙水、岩溶水。孔隙水主要赋存于第四系土层中；裂隙水赋存并运移于基岩各类结构面、破碎带内；岩溶水主要赋存于可溶岩的溶孔、溶蚀裂隙中。

3.2 地下水的补给、径流、排泄

3.2.1 补给

隧区属多雨区、植被茂盛、地表岩体节理裂隙发育、可溶岩分布比例大，地下水主要接受大气降水直接入渗补给。地下水的补给具有汇水面积广、补给来源多、入渗量大、地表水地下水相互补给等特征。

3.2.2 径流

地表径流主要受地形坡度的控制，由于隧区地形坡度陡、地表径流条件好，大气降水迅速沿斜坡坡面以片流的形式汇入溪沟，具有径流速度快的特点。地下径流受地质构造、地层岩性等条件的影响，具有径流途径长、沿层间径流、循环交替慢等特点。

隧道进口至高寨坡江西湾背斜核部段（D2K222+190～D2K227+780），地下水沿地层走向自南西往北东方向径流；高寨坡江西湾背斜南西翼至威信断层（D2K227+780～D2K230+940），地下水大致由南、北两侧往大湾向斜核部汇集，自南西往北东方向径流；威信断层至出口段（D2K230+940～D2K235+000），地下水沿天堂坝背斜轴部的槽谷自东向西径流。

3.2.3 排泄

地下水多呈片状、股状排泄于地势低洼沟谷中，无集中排泄点。因所处水系不同，隧区无统一的排泄基准面。D2K222+190～D2K230+940段属于南广河水系，其最低排泄基准面位于隧道进口（万家沟）深切沟谷中，标高约1050m；D2K230+940～D2K235+000属于赤水河水系，其最低排泄基准面位于隧道浅埋段（舒交）槽谷中，标高约1 185m。

3.3 含水岩组划分及岩层的富水性

隧道进出口分布的第四系软土、松软土、粉质黏土等（Q4），为孔隙含水层，富水性弱；浅埋段沟谷中的第四系块石土、卵石土、圆砾土（Q4），易受到河水补给，为孔隙含水层，富水性强。

韩家店群（S1-2）砂岩，龙马溪组（S1）泥质灰岩、砂岩，湄潭组（O1）砂岩、灰岩，为裂隙含水层，富水性中等。

石牛栏组(S1)灰岩，奥陶系中上统（O2+3）灰岩，桐梓组+红花园组（O1）灰岩、白云岩，娄山关群(∈2-3) 白云岩，属岩溶-裂隙含水层，富水性强。

韩家店群（S1-2）页岩，石牛栏组(S1)页岩，龙马溪组（S1）页岩、炭质页岩，湄潭组（O1）页岩，富水性弱，属相对隔水层。

4 水文地质试验

根据各钻孔揭示的水文地质情况，在11个钻孔中进行了抽水试验，并根据试验井类型、地下水的水力类型、适用条件等，选择适用的模型计算渗透系数、影响半径，为评价隧道水文地质条件提供了基本水文地质参数。

潜水完整井渗透系数按下式计算[6]：

潜水非完整井渗透系数按下式计算[7]：

承压水非完整井渗透系数按下式计算[6]：

影响半径按下式计算[6]：

各钻孔抽水试验获得的基本参数及经计算求取的渗透系数、影响半径等成果见表1。

表1 抽水试验成果表

式（1）～（4）及表1中：K—渗透系数/（m.d-1）；Q—涌水量/（m3.d-1）；R—影响半径/m；r—试验孔半径/m；H—潜水含水层厚度/m；h—抽水时的孔内水柱高度/m；S—抽水时的水位降深/m；a—系数，取1.60(吉林斯基)；L—过滤器有效渗透部分的长度/m。

5 水文地质单元划分及涌水位置确定

根据地质构造、地形地貌、隧道埋深、含水岩组及岩层的富水性等特征的差异，将隧道划分为13个水文地质单元，见表2。预计隧道涌水主要来源于富水性强的灰岩、白云岩及洞身浅埋段块石土地层，即F2、F4、F5、F7-9、F11、F13单元。预测隧道分段涌水量时，渗透系数的取值原则为：该单元内本次勘察已取得试验成果的，取其最大值；无试验成果的，取相邻单元岩性相同地段的代表值。

6 隧道涌水量预测

根据《铁路工程水文地质勘察规范》（TB 10049-2014）的规定，考虑到斑竹林隧道水文地质条件复杂性，采用简易水均衡法、地下水动力学法、经验公式法等多种方法对隧道涌水量进行计算，综合预测隧道正常涌水量及最大涌水量。

表2 水文地质单元划分表

6.1 简易水均衡法

6.1.1 地下径流深度法

适用条件：越岭隧道通过一个或多个地表水流域，亦适用于岩溶区[6]。

适用性分析：本隧道为越岭隧道，通过两个地表水流域，岩溶段约占全隧53%，符合该法适用条件。

地下径流深度法预测隧道正常涌水量按下式计算[1]：

Qs=2.74h·A （5）

h=W-H-E-SS （6）

A=L·B （7）

6.1.2 地下径流模数法

适用条件及适用性分析：与地下径流深度法相同，本隧道符合该法适用条件。

地下径流模数法预测隧道正常涌水量按下式计算[1]：

Qs=M·A （9）

6.1.3 降水入渗法

适用条件：埋藏深度较浅的越岭隧道，亦适用于岩溶区；两侧进水[6]。

适用性分析：本隧道为越岭隧道，埋深小于100m浅埋段约占全隧17%，岩溶段约占全隧53%，两侧进水，基本符合该法适用条件。

降水入渗法预测隧道正常涌水量按下式计算[1]：

Qs=2.74a·W·A （10）

降水入渗法预测隧道最大涌水量根据经验公式按下式计算：

Q0=β·Qs（11）

简易水均衡法所属的三种方法计算获得的隧道正常、最大涌水量见表3。

式（5）～（11）及表3中：Qs—预测隧道正常涌水量/（m3.d-1）；Q0—预测隧道最大涌水量/（m3.d-1）；W—年降雨量/mm；2.74—换算系数；h—年地下径流深度/mm；A—隧道通过含水体地段的集水面积/km2；H—年地表径流深度/mm；E—流域年蒸发蒸散量/mm；SS—年地表滞水深度/mm；L—隧道通过含水体地段的长度/km；B—两侧的影响宽度/km；t—流域年平均气温/℃，取13.1℃；M—地下径流模数/（ m3.d-1.km-2）；a—降水入渗系数；β—雨季涌水量增大倍数经验值。

表3 简易水均衡法涌水量计算表

6.2 地下水动力学法

6.2.1 裘布依理论式

适用条件：潜水含水体、层流、无限补给、两侧进水[6]。

适用性分析：本隧道地下水的水力类型主要为潜水，地下水沿层间径流为主，补给范围广，为两侧进水，符合该法适用条件。

裘布依理论式预测隧道正常涌水量按下式计算[1]：

可理想地设水位降深至隧道洞顶，影响半径按下式计算：

6.2.2 古德曼经验式

适用条件：通过潜水含水体的越岭隧道和傍山隧道，两侧进水[6]。

适用性分析：本隧道为通过潜水含水体的越岭隧道，两侧进水，符合该法适用条件。

古德曼经验式预测隧道最大涌水量按下式计算[1]：

表4 地下水动力学法涌水量计算表

地下水动力学法计算获得的隧道正常、最大涌水量见表4。

式（12）～（14）及表4中：

Qs—预测隧道正常涌水量/（m3.d-1）；Q0—预测隧道最大涌水量/（m3.d-1）；L—隧道通过含水体的长度/m；K—渗透系数/（m.d-1）；H—式（12）为洞底以上潜水含水体厚度/m；式（14）为静止水位至隧道洞身横断面等价圆中心的距离/m；h—洞外水柱高度/m，取0.30m；r—隧道洞身横断面宽度之半/m，取3.60m；R—水位降至隧道洞顶的影响半径/m；d—为洞身横断面等价圆直径/m,该隧道d=7.2m。

6.3 隧道涌水灾害严重等级

根据《铁路工程水文地质勘察规范》（TB 10049-2014）附录E之表E.3.3-1,采用评分法概略预测隧道涌水灾害的严重程度[1]，分段等级判别见表5。

表5 隧道涌水灾害严重等级判别表

隧道涌水灾害的严重等级：D级共2段小计2300m，约占总长度18%；C级共4段小计2960m，约占总长度23%；B级共3段小计5060m，约占总长度40%；A级共4段小计2490m，约占总长度19%。

6.4 涌水量预测综合分析

根据各种预测方法的适用条件分析及计算结果，对隧道涌水量进行综合分析比较，见表6。

表6 涌水量预测综合分析表

各种预测方法获得的正常涌水量均比较接近，综合分析认为裘布依理论式的计算结果更能代表隧道正常涌水量。古德曼经验式预测的最大涌水量约为正常涌水量的8.2倍，根据经验该方法的预测值可能偏大，隧道出现此最大涌水量的可能性不大。隧区地下水主要接受大气降水补给，雨季降水量增加，隧道涌水量将明显增大，因此大气降水入渗法的最大涌水量更能代表隧道最大涌水量。

7 结语

1）根据各种预测方法的对比及综合分析，裘布依理论式的计算结果更能代表隧道正常涌水量；大气降水入渗法的计算结果更能代表隧道最大涌水量。推荐隧道的正常涌水量为13 175 m3.d-1，最大涌水量为38 241 m3.d-1。

2）隧道的涌水量主要来源于富水性强的灰岩、白云岩及洞身浅埋段块石土地层，主要涌水单元正常涌水量合计为10 189m3.d-1，约占全隧77%；最大涌水量合计为33 208m3.d-1，约占全隧87%，判断的隧道主要涌水位置与涌水量分段计算结果比较相符。

3）隧道涌水灾害的严重等级为A级的单元均为富水性强的灰岩、白云岩及洞身浅埋段块石土地层，与判定的隧道主要涌水位置相符。

4）斑竹林隧道水文地质条件复杂，涌水量较大，主要涌水地段在施工中可能遇到突水和突泥现象，在可溶岩和非可溶岩接触带，遇突水和突泥的可能性更大，应加强地质预测、预报及相关防护工作。

5）岩溶、浅埋地段可能造成地表水疏干、地面塌陷等生态环境问题，施工时应加强止水、抽排水措施。建议对D2K230+970～D2K231+100洞身浅埋段附近地表沟渠采取截流改道、沟底防渗等措施，以减少地表水入渗对施工及后期运营产生的不利影响。

[1] TB 10049-2014．铁路工程水文地质勘察规范[S]．北京:中国铁道出版社，2015．

[2] 曹正喜、寇正中等．斑竹林隧道勘察报告[R]．中铁二院叙毕铁路．2016．

[3] 中国人民解放军○○九三九部队．威信幅1∶20万区域水文地质普查报告[R]．遵义．1980．

[4] 四川省区域地层表编写组．西南地区区域地层表四川省分册[R]．北京．1978．

[5] 贵州省地质局．威信幅1∶20万区域地质调查报告[R]，北京，1979．

[6] 铁道部第一勘测设计院．铁路工程地质手册[M]．北京：中国铁道出版社，2005．

[7] 供水水文地质手册编写组．供水水文地质手册[M]．北京：地质出版社，1976．

Analysis of Hydrogeological Conditions and Prediction of Water Inflow in the Banzhulin Tunnel of the Xuyong-Bijie Railway

KOU Zheng-zhong1ZHANG Sheng-xiang1DING Hao-jiang2CHEN Peng1JIANG Quan1LIU Guang-yu1

(1-No.135 Geological Team, Sichuan Bureau of Coal Geology, Luzhou, Sichuan 646000; 2-China Railway Second Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Chengdu 610031)

Hydrogeological condition of the Banzhulin Tunnel of the Xuyong-Bijie Railway is complicated with groundwater dominated by karst water and fissure water and medium and strong water yield property. This study yields recommended value of normal water inflow in tunnel of 13 175 m3.d-1and maximum water inflow of 38 241 m3.d-1by means of simple water balance method, groundwater dynamics method and empirical formula method. The water inflow in tunnel comes mainly from soluble aquifers and porous water aquifers which makes up 77% of the normal water inflow. Measures to stop water extraction and drainage should be strengthened during construction.

hydrogeological condition; hydrogeological unit; seepage coefficient; prediction of water inflow

2018-10-16

寇正中（1982—），男，四川大邑人，工程师，本科，主要从事水工环、铁路地质勘察工作

P641.4

A

1006-0995（2019）03-0452-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.021