郴州市狮子山隧道工程水文地质特征分析

刘立萍，王自平

（湖南省核工业地质局三〇二大队，湖南郴州 423000）

狮子山隧道是资兴市新区唐鲤大道公路段的重要工程之一，位于湖南省资兴市新区唐鲤大道的中段。隧道进出口为斜坡，轴线方向呈南北向，隧道设计为拱式，宽约15.00 m，最大埋深为66.00 m，左线隧洞长约610 m，右线隧洞长约560 m，纵坡坡度在+1.947%～-2.763%。

本文为查明隧址区工程地质及水文地质条件，对相关隧址区进行了详细勘察，并对场地水文地质条件、隧道围岩岩性及其工程地质特征、隧道洞口及洞身的稳定性等进行了分析，以期为该隧道工程的设计、施工提供定量参数指标，并根据本场地岩溶灰岩及其水文地质特征，提出相应的整治措施。

1 隧址区水文、工程地质概况

1.1 气象水文

隧址区属于亚热带季风湿润气候，日照强烈，四季分明。年降雨量为1 085～2 247 mm，多年平均降雨量为1 466.5 mm，日最大降雨量为295.3 mm，最高气温为41.3℃，最低气温为-9.0℃，年平均气温为17.8℃。

1.2 地形地貌

隧址区所处地貌单元为低山丘陵地貌，地面高程一般在131.0～213.0 m之间，坡角为20°～30°，隧道山体表面多发育茅草和少量灌木。当地最低侵蚀基准面标高为130.10 m，地表水、径流水流向为北面向。

1.3 地层岩性

隧址区主要出露地层为石炭系地层（C1），进出口段表层以第四系松散人工填土（Q4ml）、残积粉质黏土（Q4el）为主，局部地段出露淤积的淤泥质土（Q4pl）。基岩岩性主要由石炭系炭质页岩夹砂岩（C1d）、石炭系强风化灰岩及中风化灰岩（C1y）等组成。

1）粉质黏土：呈褐黄色、褐红色，稍湿至湿，硬可塑状态。成分以黏粒为主，含少量强风化灰岩或风化粉砂岩碎屑；韧性中等，干强度中等，刀切面较光滑，摇振无反应。该层厚度为0.70～25.00 m，全场分布。

2）炭质页岩：沉积成因，灰黑色，强风化，节理裂隙发育，岩石极破碎，岩芯呈薄片状至土状，含炭，易污手，力学强度低，水理性质差。

3）石炭系强风化灰岩（C1y）：沉积成因，灰色，强风化，裂隙较发育，含炭，裂隙面一般呈灰白色，岩体较破碎，有溶蚀现象，溶蚀面多有钙华富集，局部发育有溶洞，厚度为1.80～22.70 m。

4）石炭系中风化灰岩（C1y）：沉积成因，灰色，中风化，隐晶质结构，中厚层构造。裂面含炭，岩芯较完整，岩质较硬，裂隙稍发育，裂隙面一般较新鲜，岩石较完整，厚度大。

1.4 地质构造与地震

隧址区未发现明显的不良地质构造。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001）的附件《中国地震动峰值加速度区划图》，地震动峰值加速度为0.05 g，不考虑远震，隧道区地震基本烈度Ⅵ度，属相对稳定地块。

2 隧址区水文地质特征

隧址区地下水类型主要为第四系孔隙水、基岩风化网状裂隙水及灰岩岩溶裂隙水，其补给、迳流、排泄条件主要受岩性及地形控制。各含水层富水性分述如下：

1）第四系孔隙水，主要赋存于残坡积层中，分布范围较广，含水层厚度变化大，富水性弱，主要受大气降水直接渗入补给。水位埋深为3.50～12.60 m，随季节变化明显。隧址区范围内未见地下水露头，地下水一般向沟谷邻区迳流排泄。

2）炭质页岩风化带网状裂隙水，主要赋存于炭质页岩风化带中，含水介质为基岩风化裂隙、层间裂隙及构造裂隙，含水性不均一，富水性受风化裂隙与构造裂隙控制，主要接受大气降水及上部松散层孔隙水补给，顺层间裂隙、构造裂隙向地势相对较低处以间歇性下降泉的形式排泄，水位埋深在11.30～30.60 m，透水性较差。

3）灰岩岩溶裂隙水，主要赋存于炭质页岩与灰岩的不整合接触面、灰岩岩溶裂隙及溶洞中，富水性不均一，主要受地形、岩溶裂隙发育程度等控制，其水位埋深在16.1～42.60 m，属中等—强富水性。隧道施工时，局部溶洞发育部位可能存在透水或涌水现象。

隧道进口段为斜向坡，据钻孔揭露，仰坡表部为残坡积粉质黏土，下伏基岩为强风化炭质页岩，裂隙较发育，岩体极破碎，稳定性极差，仰坡进口段需进行加固后方可进洞。洞身段在ZK29～ZK44钻孔揭露显示以强风化灰岩为主，裂隙较发育，岩体较破碎，弱透水层，顶部若无支护易产生坍塌，可采用导洞或台阶分步开挖，二次复合支护。隧道出口段为斜向坡，仰坡表部为残坡积粉质黏土，下伏基岩为中风化灰岩，风化岩体厚度较小，稳定性较差，需加固处理后方可进洞，见图1、图2。

图1 左线隧道工程地质纵剖面

图2 右线隧道工程地质纵剖面

在隧道左线ZK29和ZK36及右线LK1+540～LK1+610地段均有揭露灰岩溶洞。这些溶洞主要发育在炭质页岩与灰岩的不整合接触面上，富水性较强。为了对隧道涌水量进行合理地评价，需要求取水文地质参数含水层渗透系数K、影响半径R。在勘察过程中，ZK29、ZK36钻孔揭露岩溶裂隙较发育，钻孔见水量大，故选择对两个孔进行抽水试验。试验结果见表1。

表1 抽水试验成果

3 隧道涌水量预测与评价

3.1 隧道涌水量预测

根据隧址区水文地质条件，综合考虑各种因素，采用大气降水法和集水廊道法对隧道日平均涌水量进行分析预测。

1）大气降水法。其计算公式为：

式中：α为大气降水入渗系数，采用勘察报告中的取值0.2；F为集雨面积，按照隧道两侧各400 m计；P为降雨量，按当地年平均降雨量来计。

按α＝0.2，F=497 150 m2，P＝1.47 m计算，可得Q0=400.44 m3/d。

2）集水廊道法。集水廊道渗流量示意见图3。

图3 集水廊道渗流量计算方法

单宽渗流量计算公式见式（2）：

式中：k为渗透系数，根据抽水试验统计平均值，k=0.123 m/d；H为含水层厚度，根据报告中地下水静止水位平均值与隧道平均高程差值得到。h为隧道内水深，假设隧道内是干的，取h=0。L为横向的影响半径，根据计算得到。

积水廊道两侧的总流量计算公式见式（3）：

式中：q为单宽渗流量；L0为垂直于纸面的廊道纵向长度。

按L0=530 m，K=0.123 m/d，H=25.2 m，h=0，L＝88.73 m计算，可得Q=933.3 m3/d。

3.2 水文地质评价

隧址区地下水赋存于岩石节理裂隙中，主要靠大气降水补给。由于裂隙多被充填，且向下渐闭合，浅层岩体透水性一般较强，深部岩体透水性一般较弱。浅埋地段洞身围岩透水性较强，地下水易呈股状或涌流状流出。

场地内岩溶形态主要以溶洞为主，场地内ZK39发现钻孔溶洞1处，发育深度在15.2～19.8 m，溶洞高4.6 m，溶洞内全部充填黏土，黏土呈软塑状；场地内ZK40发现钻孔溶洞1处，发育深度在34.5～37.0 m，溶洞高2.5 m，溶洞内全部充填黏土，黏土呈软塑状。

根据钻孔在进口段、洞身段、出口段的探查结果可知：LK1+540～LK1+610地段揭露有灰岩溶洞等不良地质现象，该区域灰岩富水性较强，施工过程中可能存在透水现象，根据抽水试验成果预测的隧道地下水涌水量达到878.71 m3/d，是本区应重点防范透水地段。

3.3 地下水效应评价

场地基岩地下水主要赋存于基岩裂隙和岩溶溶洞中。根据本隧址区钻孔揭露的基岩情况可以看到，基岩主要为灰岩和炭质页岩，强风化页岩一般节理裂隙发育，故一般为强透水层；中风化岩节理裂隙较发育或不发育，且多为闭合，一般为弱—微透水层。由于地形利于地下水排泄，故大气降水后，渗入补给的地下水在几天内会自然疏干。

隧道地层中炭质页岩主要以大气降水补给为主，水量较贫乏，弱富水，受地形地貌、地质构造、大气降水周期及降水量控制显著；灰岩裂隙发育，富水性较强。场地内隧洞底板标高在141.50～155.60 m，当地最低侵蚀基准面标高为130.10 m，隧道底板标高高于当地侵蚀基准面，有利于隧道开挖后的自然排水，只要做好隧道排水沟等设施，可以有效降低隧址区的地下水水位，不会对隧道底板起到顶托作用。

4 隧道施工建议

1）根据本隧道进口段的围岩地质情况，建议进出洞口段加强洞顶的防护措施，防止冒顶片帮事故发生；施工时应注意及时排水，防止软弱围岩因浸泡时间过长而软化，预防坍塌事故发生。

2）炭质页岩与灰岩不整合接触面部位岩石极破碎、岩溶较发育，可能存在坍塌、透水等事故隐患，尤其在LK1+540～LK1+610揭露有灰岩溶洞的地段。建议在加强钻孔地下水水位动态观测的同时，密切监测隧道内的地下水水压和涌水量，采用超前探水、预疏干等预防措施，尽可能防止透水事故的发生。