某长大深埋铁路隧道水文地质特征评价

徐健楠 邓明万 施红艺

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

长大深埋隧道往往是铁路建设项目中的控制性工程，其水文地质条件一般比较复杂，查明长大深埋隧道的水文地质条件具有重要意义。前人已有许多研究成果，邵江[1]总结了大相岭火山岩深埋隧道的涌水特征，认为火山岩深埋隧道段涌水多为静态储水所致；成建梅[2]以福建莆田青云山隧道为例，总结了降雨入渗法、地下水动力学法等多种方法在火山岩隧道断层涌水量预测中的适用性。以下基于前人的研究，以福建省普陀山某长大深埋隧道为例，结合现场调查及勘察成果，对该隧道的水文地质特征进行评价。

2 工程地质概况

2.1 工程概况

拟建隧道位于福建省龙岩市上杭县西普陀山景区南侧，全长3 138 m，最大埋深约273 m，设计路肩高程为275～327 m，为单面坡隧道。

2.2 地形地貌

隧址区位于剥蚀低山区，高程一般为200～625 m，自然坡度为15°～75°不等，总体地势为东北高西南低。植被茂密，山势陡峻，交通困难(见图1)。

图1 隧址区地形地貌

2.3 地层岩性

区内主要发育有白垩系下统黄坑组、白垩系下统寨下组火山熔岩、火山碎屑岩[3]，由老至新分述如下。

(1)白垩系下统

以紫灰色安山岩为主，夹紫灰和紫红色砂砾岩、粉砂岩，以及英安质含集块角砾凝灰岩，不整合覆盖于黄坑组下段或其他老地层之上，厚106 m。

(2)安山玢岩

以紫红色、灰黑色为主，呈半环状出露于普陀山火山机构东西两侧，厚度大于500 m。

(3)白垩系下统

该层下部以灰、灰紫、紫灰色流纹岩、流纹斑岩、流纹质含角砾晶屑熔结凝灰岩为主，夹流纹岩、流纹质含角砾晶屑凝灰熔岩及复成分砾岩、粉砂岩、沉凝灰岩。上部以流纹岩、流纹斑岩、球粒流纹岩为主，夹流纹质晶屑凝灰岩、流纹质含角砾晶屑凝灰熔岩、火山角砾岩。厚度大于462 m。

2.4 地质构造

隧址区位于位于闽西火山活动亚带(上杭—云霄火山喷发带)的北西端。受北西向深断裂带控制，火山构造主要分布于碧田砂—安乡、石圳潭—章金两条北西向断裂带控制的古石背喷发盆地[3-4]，盆地内火山机构(中心)呈北西向串珠状展布。火山活动主期为早白垩世，多属层状火山，发育环状、放射状断裂和寄生火山口[5]。

3 区域水文特征

3.1 气象水文植被

隧址区属亚热带季风气候，温暖湿润，年平均气温为20.2 ℃，年平均湿度为76%，年平均降雨量为1 645.5 mm。

区内水系发育，主要河流为汀江，流量随季节变化明显，5～8月为汛期，占总流量70%以上；12月至次年2月为枯季。

区内植被较发育，主要为亚热带常绿阔叶、针叶混交林。

3.2 地下水赋存条件

区内以中生界中基性-酸性火山熔岩及火山碎屑岩为主，岩质一般致密坚硬。其中，火山碎屑岩赋水为层状岩类裂隙水，火山熔岩赋水为块状夹层状岩类裂隙水[6]，地下水赋存于层间裂隙、不整合接触面、断层破碎带等构造裂隙中，局部富水性较强；此外，区内植被发育也使得在岩体的风化带中赋存有网状裂隙水，受风化带厚度、排泄条件影响，其富水性分布不均匀。

3.3 地下水补、径、排特征

区内地下水主要受大气降水补给，补给源丰富，径流途径短，水力坡度大，循环速度快，就地补给，就地排泄，没有明显补、径、排分区。

地下水流量随季节变化明显，雨水大部分形成地表径流，地下水分散，多以下降泉形式从洼地、陡坎下、沟谷排泄，地面蒸发和植物蒸腾量约占降水量的30%。

4 隧址区水文分析

4.1 水文地质调查

隧道所处的普陀山火山机构外围发育有3条沟谷溪流，其中船丰—石灰岭—桥头、船丰—白玉—草鞋岭溪流经由环形外围，大致方向为自东北流向西南，最终汇入汀江。火山机构发育环形断裂，伴有潜火山相安山玢岩出露，与环形河流路径高度相似(见图2)。

图2 隧道水文地质示意

隧址区泉点流量为0.014～0.185 L/s，泉点出露不多，流量较小(部分表现为滴水状)。大气降水大部分通过短途径流排泄至洼地、沟谷，少部分赋存在风化带网状裂隙及岩体构造裂隙中，隧道施工对地表径流影响较小。隧道附近村民生活用水基本为沟谷上游溪水，由隧址东北侧金玉顶、双髻山区域地表径流补给，补给源丰富。隧址附近民井少见，仅白玉村、普陀庵有井，井深不足3 m，水位接近地表，水量小，提水可干，现已废弃。因此，隧道施工对居民用水影响较小。

隧道工程轨面高程位于附近溪流高程之上25～67 m，故隧道涌水受地表溪流影响较小。

4.2 隧道岩层及构造特征

普陀山火山机构经历了数次爆发-喷溢过程，隧址处于火山机构北部，岩层主要为喷溢-爆发相、喷发-沉积相[3]，岩相较多、岩石成分复杂。

隧址区地层主要有白垩系下统寨下组灰紫色、紫红色凝灰质砂砾岩、流纹质晶屑凝灰岩、安山岩，白垩系下统黄坑组紫红色、灰色粉砂岩、安山岩，紫红色、灰紫色安山玢岩，岩层致密坚硬，存在平行层理、透镜状层理等，浅部裂隙较发育，深部岩体相对较完整，岩体呈现出较明显的“沉积-喷发”旋回特征。隧道深埋段位于似向斜构造中部，岩性、岩相复杂，各岩性接触分界位置分布不一(见图3)。

图3 隧道地质纵断面(横纵比为1∶5)

综合分析区域资料、现场调查及钻探、物探解译成果，认为在火山机构东西两侧分布有半环状潜火山相侵入体安山玢岩，推测有弧形断层与线路在DK35+887处近似垂直相交。该弧形断层属普陀山火山构造，与环形溪流路由变化关系密切，断层产状大致为240°∠60°，影响宽度约40 m。物探揭示，潜火山岩相侵入带、断层带具富水特征，岩体较破碎，构造裂隙水富集，对隧道围岩条件影响较大。

该长大深埋隧道的地下水补给充足，其总涌水量与单位涌水量均随埋深增加而增大[7]。综上，隧址区岩体具备赋存较大静储水量的条件。

4.3 隧道水文条件评价

根据勘察钻孔揭示，进出口、浅埋段水位埋深多在10 m内，局部接近地表；深埋段水位埋深极不均匀，根据深孔测井成果，推测F1断层带前后区域在100～103 m深度范围有出水特征，其余深埋地段无明显出水点。

按照地表径流汇水区域及地下水蓄水构造对隧道水文条件进行分段评价。

(1)隧道进口至DK35+600段

隧道洞身处于潜火山相安山玢岩侵入带、喷发-沉积相凝灰质砾岩、复成分砾岩等过渡区域，隧道最大埋深大于100 m。该段强风化岩层厚度普遍不超过10 m，但岩体的节理裂隙较发育，大气降水的地下排泄条件较好，地表水与地下水分水岭一致，隧道汇水方向为由北西向南东。物探显示地下水较发育，半环形的潜火山岩侵入体可能形成储水构造，隧道开挖可能引起短时较大涌水。

(2)DK35+600至DK36+100段

隧道洞身发育有喷发-沉积相凝灰质砾岩、复成分砾岩与爆发相晶屑凝灰岩、火山角砾岩等多种岩层，隧道埋深95～180 m，风化层厚度不超过6 m。勘察成果显示，该段岩体大部分较完整，裂隙程度不大，洞身受地表径流影响不大，但部分深度处存在裂隙较发育的情况；在靠近洞顶位置5.6 m和12 m处探测到出水特征。另外，洞身在DK35+887附近与环形断层相交，断层附近岩层破碎，地下水富集，将导致隧道围岩条件较差，涌水量较大。

(3)DK36+100至DK37+200段

隧道洞身主要穿越火山碎屑岩层，洞身最大埋深为273 m。勘察揭示，洞身岩体大部分较完整，富水性较弱，但EH-4物探显示存在低阻带。该深埋段由于其位于似向斜构造中部、岩性接触分界位置分布不一，设计时需考虑深部层面结构的静态储水可能。

(4)DK37+200至隧道出口段

隧道洞身分别穿越半环状潜火山相侵入安山玢岩体、寨下组与黄坑组岩性接触带，物探揭示有富水特征；另外，DK37+780至880段为浅埋段，埋深小于20 m，其岩体围岩条件差，局部富水性较强；其余段落富水性较弱。

综上，隧道浅埋段、F1断层带及半环形的潜火山岩侵入体区域存在突涌水高风险，DK36+100至DK37+200段似向斜构造中部可能有短时较大涌水风险，应在上述段落开展超前地质预报工作，加强施工监控量测，尽量避免反坡排水，并做好防排水措施。

4.4 隧道涌水分析

根据已有工程经验[8-15]，降水入渗法、径流模数法等简易水均衡法适用于浅埋隧道的潜水含水体，地下水动力学法可用于断层等构造裂隙带涌水量计算，针对该隧道的区域水文条件、岩性及构造发育特征，采用多种方法组合，分段对隧道的正常涌水量、最大涌水量进行预测评估。

①隧道进口至DK35+600段，隧道正常涌水量及最大涌水量均以降水入渗法和径流模数法计算(取大值考虑)；②DK35+600至DK36+100段正常涌水量采用F1断层地下水动力学法计算值，最大涌水量采用叠加径流模数法计算值；③DK36+100至DK37+200段，考虑到其具有层状火山似向斜构造，采用径流模数法估算其可能的静态最大涌水量；④DK37+200至隧道出口段正常涌水量采用浅埋段及潜火山岩体侵入带赋水量，最大涌水量取各方法计算的大值。计算结果如表1～表4所示。

(1) 降水入渗法

大气降水入渗法隧道涌水量计算公式为

Q=2.74·α·W·A

(1)

式中Q——隧道通过含水体地段的正常涌水量/(m3/d)；

α——降水入渗系数，根据经验或试验数据确定；

A——隧道通过含水体的集水面积/km2；

W——年降水量/mm(根据气象资料取值)。

(2)径流模数法

地下径流模数取自《上杭幅区域水文地质普查报告》。可根据枯水季地下径流模数换算年平均地下径流模数(M年)，有

M年=λ·M枯

(2)

式中：λ为年平均地下径流模数的换算系数，取2.70。

根据区域水文地质普查报告，隧道通过区域径流模数取3.0 [(L/s)/km2]，故M年=8.1 [(L/s)/km2]。

(3)地下水动力学法

断层、侵入接触带、浅埋段等地下水具潜水性质，可用古德曼经验公式计算隧道最大涌水量，用佐藤邦明经验式计算正常涌水量，有

(3)

(4)

其中Q0——隧道通过含水体段的最大涌水量/(m3/d)；

Qs——隧道通过含水体段的正常涌水量/(m3/d)；

K——含水体渗透系数/(m/d)；

H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离/m；

d——洞身横断面等价圆直径/m；

L——隧道通过含水体的长度/m；

m——换算系数，一般取0.86；

r0——洞身横断面等价圆半径/m；

hc——含水体厚度/m；

表3 地下水动力学法估算涌水量计算

表4 涌水量计算 m3/d

综上，在断层带、侵入接触、浅埋段等影响范围内富水性较强，具有分段涌水的特点，全隧道预测正常涌水量为2 698 m3/d，最大涌水量为13 715 m3/d。

5 结论

(1)隧址区泉点流量为0.014～0.185 L/s，周边居民用水主要依靠沟谷地表径流，隧道涌水受地表溪流影响小，隧道施工对周边居民用水影响较小。

(2)隧址区地下水储水构造以潜火山相侵入体、断层破碎带等为主，隧道中部深埋段似向斜构造层面有静态储水可能，施工中易遇短时较大涌水，其最大涌水量为2 573 m3/d。

(3)应采用不同方法分段预测涌水量。洞身穿越潜火山相侵入体、断层破碎带、浅埋段等位置，富水程度较高，宜采用地下水动力学法预测正常涌水量，叠加径流模数法预测最大涌水量；深埋似向斜构造段落岩性接触分界位置分布不一，其层面构造可能引起短时较大涌水量，宜采用径流模数法预测最大值。

(4)隧道浅埋段、F1断层带及潜火山岩侵入体区域最大单位长度涌水量为14.0～88.0 m3/d，富水程度为强富水，施工中存在突涌水高风险，需加强监测量测，按要求开展地质超前预报工作，并做好防排水措施。