基于水文地质勘察综合分析的吕梁山隧道涌水量预测

赵 冉

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

隧道是现代交通线路上十分重要的构筑物，特长隧道水文地质勘察及涌水量的预测是制定隧道施工设计方案的重要依据[1]，但水文地质条件的复杂性、理论和公式参数的制约性，很难精准判断隧道涌水位置并准确预测涌水量[2]。因此，需要在水文地质勘察的基础上[3]，结合物探、钻探及水文试验结果，采用合理的理论和水文分析方法[4]，最大限度地评估隧址区范围内是否存在中、强富水段以及具体的分布段落，并估算不同水文地质条件下隧道洞身的涌水量，提前做好隧道涌水、突水的预防措施。

1 工程地质条件

1.1 工程概况

吕梁山隧道自东向西横穿南关帝山主脉，为越岭型特长隧道，隧道全长9 806.0 m，最大埋深429.2 m。

1.2 气象水文

隧址区范围的年平均降雨量约550～600 mm，最大降雨量821.5 mm，多年日最大降水量103.4 mm。

隧址区地表水系总属黄河大流域，隧道进口至吕梁山分水岭段属于汾河支流文峪河流域，吕梁山分水岭至隧道出口段属三川河流域。

1.3 地层岩性

隧址区地层岩性由老至新分别为混合花岗杂岩体（Mγ）、关帝山花岗岩（γ21）侵入体、长城系霍山砂岩（Ch2）、古生界寒武奥陶系沉积岩与岩浆岩（γ21）、新生界第四系中新统-全新统（Q2-4）松散堆积物。

1.4 地质构造

隧址区地质构造主要为伴随关帝山隆起过程中形成的褶皱构造和断裂构造。

1.4.1 褶皱构造

褶皱构造形态表现为一个较大规模的平缓向斜构造（S1、S3）和一个小型的平缓背斜构造（S2）。这些褶曲构造平缓开阔，对地下水的赋存及径流方向具有明显的控制作用。

1.4.2 断裂构造

隧址区内包含两组断裂构造，即F1断层、F2断层，二者组成“X”型构造格局。其在地质纵断面表现见图1所示。

图1 隧道右幅K76+400-K78+500段工程地质纵断面

1.4.2.1 F1断层

F1断层走向为北北东向，长度约25 km，倾向北西西，产状275°～285°∠40°～55°，由两条断裂带F1-1、F1-2组成，呈平行排列分布，间距为250～300 m。

隧道右幅在K76+890—K77+060、K76+530—K76+690段，左幅在ZK76+510—ZK76+700、ZK76+865—ZK77+015段穿越F1-1、F1-2断裂带，洞内断裂带影响长度约170～190 m，断裂带倾角约45°～58°。其中，F1-1断裂带岩性为构造糜棱岩，成分以细粒-超细粒晶质-黏土质为主，为阻水性构造岩。F1-2断裂带岩性为角砾状构造糜棱岩、碎裂岩，以细粒与碎块状成分为主，裂隙较为发育，属于一般性含水构造。两个断裂带下盘均有阻水作用，其中F1-1断裂面阻水更为明显。F1-1、F1-2断裂的阻水作用阻断了隧址区吕梁山西翼混合花岗杂岩向西排泄的径流通道，使下盘混合花岗杂岩体内地下水在断裂带受阻，水位抬升，并在断层经过的沟谷地带向外排泄。

1.4.2.2 F2断层

F2断层为较典型的压扭性构造，断裂带宽度约50.0 m，走向NW330°，断裂带近于直立，略向西南倾，以走滑为主，兼有微量的倾滑，西南盘向南、北东盘向北走滑，为左旋走滑断层类型（逆时钟走滑断层）。断层北东盘与西南盘出露地层基本一致，两盘均见有寒武系徐庄组（∈2x）混合花岗杂岩（Mγ）和吕梁期花岗侵入岩（γ21），西南盘未见出露长城系（Ch2）。两盘相对走滑距约为120～150 m之间。

隧道右幅在K78+112—K78+250段、左幅在ZK78+060—ZK78+280段斜交穿越F2断裂带，洞内断裂带影响长度约138 m。断裂面由糜棱岩组成，构造岩裂隙不发育，透水性较差，断层面两侧混合花岗岩风化蚀变强烈，断裂带附近长城系（Ch2）石英砂岩破碎，层理不清，流劈理发育，其透水性相对较好。F2断层南西盘（上盘）与北东盘（下盘）之间水力联系被该断裂构造阻断，上下盘均在断裂带附近向薛家沟内排泄。

2 水文地质条件分析

2.1 地表流域及井泉统计分析

隧址区地表流域按汇流范围划分为21个3～4级流域，流域最大汇水面积约5.2 km2，最小约0.9 km2，均属于小流域。各流域内共布置测流点36处，井泉调查点80个。调绘期处于枯水期，小流域实测流量可视为枯水期流量[5]。

隧址工作区的地表径流与隧道围岩含水层形成的地表径流流量总体差异较大[6]，二者流量仅在隧道出口段及隧址工作区外围局部小微流域相接近。

2.2 含水介质分析

与隧道密切相关的含水介质包括四类，分别为混合岩化花岗杂岩（Mγ）、吕梁期花岗侵入岩（γ21）、断层构造碎裂岩及第四系松散堆积物（Q3+4）。各类含水介质特征，隧址区内补、径、排模式，富水性控制因素分析如下。

2.2.1 混合岩化花岗杂岩含水介质

该岩层为构成隧道主洞及其辅助通道的主要围岩。其中，全风化带岩体裂隙连通性较差，富水性相对较差；强风化带岩体裂隙连通性好，富水性强。弱-微风化带岩体裂隙呈闭合或微张形态，连通性较差-差，富水性弱-极弱，成为上覆强风化带含水层的相对隔水层。

该套含水介质地下水补给方式主要为降水入渗、地表径流垂直补给及风化裂隙带渗流补给。主要径流方式为强风化带内的层间潜流。强风化带含水层向南侧三道川主河谷方向隐伏状排泄，并直接汇入地表径流之中；另有部分全-强风化带中地下水受上游沟谷侵蚀切割，直接在上游坡地排出。

2.2.2 吕梁期花岗侵入岩含水介质

隧址区花岗侵入岩（γ21）含水介质主要分布于隧道出口一端，分布较为均一。含水层主要为地表裸露的全-强风化带岩体，岩体裂隙发育，透水性较强，在岩体强-弱风化界面形成强风化裂隙带潜水含水层。依靠大气降水和上游沟谷地表水等共同补给，并就地径流和排泄。本类含水介质富水性总体较弱。

2.2.3 断层构造破碎带含水介质

隧址区范围内分布F1断层、F2断层两个断裂构造，两条断层断裂带下盘阻水，上盘张性裂隙发育，导水性强，断裂面相对富水。地下水在断裂面以下大量溢流排泄而出，在沟谷内形成壮观的激增径流量。

2.2.4 第四系松散堆积物含水介质

隧址范围第四系松散堆积物厚度达20～40 m，岩性为碎块石，充填物以黏性土为主，富水性较差。在隧道浅埋段，第四系冲洪积物与下伏的混合岩化花岗杂岩古风化壳全风化带共同构成隧道围岩的组成部分，二者间的水力联系对隧道围岩富水性影响较大。

2.3 物探解译及钻探验证分析

物探采用瞬变电磁法[7]，共布置两条瞬变电磁测线。经物探查明，在隧道瞬变电磁剖面上，左右幅中段围岩区域电性参数主要以高视电阻率为主，左右幅进出口段与中后段存在几处较为明显的低阻异常，物探推断与地下水相关[8]。左幅发现4处异常区，即ZWD-1、ZWD-2、ZWD-3、ZWD-4；右幅发现6处异 常 区 ， 即 YWD-1、YWD-2、YWD-3、YWD-4、YWD-5、YWD-6。其中，左幅ZWD-1、ZWD-2、ZWD-3与右幅YWD-1、YWD-2、YWD-3均与土黄沟、无名沟、深沟等3个连续分布的山间沟谷相对应，经钻探孔CKG-SD-2（土黄沟）、CKG-SD-3（无名沟）、SWZK2（XK-SD-10）（深沟）验证和抽水试验验证，确认物探异常区岩芯破碎、存在承压型强富水含水层。右幅YWD-4、YWD-5异常区连续性较差，属于独立异常区，围岩以微风化混合花岗杂岩为主，解译为围岩裂隙相对发育、地下水中-弱富集区，难以达到强富水程度。左幅ZWD-4与右幅YWD-6纵断位置相对应，空间上南北相呼应，解译为中等富水异常区。F1、F2断层带电阻率横向变化幅度较大，断层位置揭示明显，视电阻率从上至下递增，呈环状封闭形，剖面图上显示为上下贯通，范围较大，物探解译为岩层破碎、含水量大。

3 隧道涌水量预测

3.1 水文地质试验及参数计算

吕梁山隧道布设水文孔3个，编号为SWZK1、SWZK2、SWZK3号，其中SWZK1、SWZK2号水文孔抽水试验分别按3个降深进行观测，SWZK3号水文孔抽水试验按2个降深进行观测。依据《铁路工程水文地质勘察规范》TB 10049—2014中水文地质参数计算的一般规定[9]，全风化混合花岗杂岩渗透系数K值取0.05 m/d；强风化混合花岗杂岩渗透系数K值取0.42 m/d。计算结果如表1所示。

表1 全风化-强风化混合花岗岩含水层渗透系数、影响半径计算结果

3.2 隧道围岩涌水量的预测

根据水文地质勘察结果及隧道涌水量计算公式的适用条件[10]，本隧道采用古德曼经验式预测隧道最大涌水量，利用水平坑道法及裘布依理论公式预测隧道正常涌水量，并在此基础上提出隧道涌水量推荐值。计算结果如表2所示。

表2 隧道涌水量计算综合成果表

左幅洞身内含水段长度9 685.0 m，最大涌水量建议值Qs=27840.8 m3/d，洞身内局部可能有少量突泥突水。正常涌水量建议采用水平坑道与裘布依法均值，即Qs=7125.0 m3/d。强富水区集中在ZK69+520—ZK70+390段、ZK76+510—ZK76+700段及ZK78+060—ZK78+280段，单位最大涌水量在5.27～25.41 m3/(d·m)。右幅洞身内含水段长度9 690.0 m，最大涌水量建议值Qs=27960.9 m3/d，洞身内多处可能发生涌突水。正常涌水量建议采用水平坑道与裘布依法均值，即Qs=7157.1 m3/d。强富水区集中在K69+530—K70+455段 、K76+530—K76+690段 及K78+115—K78+250段，单位最大涌水量在5.56～24.48 m3/(d·m)。

4 隧道水文地质条件评价及涌水、突水预测

隧道进口段混合岩化花岗岩强风化带含水层地下水补给较为充足，隧洞穿过的含水层厚度较大，富水性强，极有可能存在涌突水；而全风化带含水层虽补给充足，但因风化作用，岩体裂隙弱发育，径流条件较差，富水性相对较弱。隧道穿越的F1、F2断层为区域性的压扭断裂构造，为阻水构造，仅在断裂构造的下盘、上盘张性裂隙带等部位存在地下水。隧道出口段吕梁期花岗侵入岩强风化带含水层补给单一，径流路径短，排泄较为通畅，地下水的赋存量较为有限，仅局部可能富水。

因此，隧道主线洞身涌突水位置主要位于隧道进口穿越的混合岩化花岗岩强风化段及F1、F2断层的上下盘裂隙带附近。

5 隧道工程对周边环境的影响

隧道进口段左右幅洞身横穿混合花岗杂岩全-强风化含水层，该含水层自然条件下散排于三道川河河谷河槽内，隧道施工及营运后，洞身围岩内出水排泄会造成三道川河河谷总排泄量小幅度降低，但由于三道川河地表径流主要来源于上覆寒武系、长城系盖层的强富水含水层，因此隧道进口段施工对隧道地表环境影响不大。隧道中部洞身围岩多属于微风化混合花岗杂岩，为弱富水岩体，与地表环境水水力联系极弱，洞身排水对地表环境影响极其轻微。隧道出口段穿过两条断裂构造的3个断裂面，可能对断裂面附近地下水的重新分布造成一定范围的影响，但洞身所排出地下水与自然条件下排泄地下水仍属于同一流域空间，且隧道出口段围岩以微弱含水岩层为主，对环境影响极其微弱。

6 结论

本文采用水文地质综合勘察手段，对吕梁山隧道的富水性及涌水量进行了分析计算，得出以下结论。

a）隧道内富水段易发生集中涌突水部位主要位于隧道中前段及断层上下盘裂隙带。

b）隧道左幅洞身正常涌水量为7 125 m3/d，稳定含水段最大涌水量为27 840.8 m3/d；右幅洞身正常涌水量为7 157.1 m3/d，稳定含水段最大涌水量为27 960.9 m3/d。

c）隧道工程对周边环境影响不大，对隧址区总体地下水的径流排泄属于轻微程度影响。施工过程中应最大限度地保护工程区水文环境，实现并保持自然条件下原有的平衡状态。