云南省某隧道水文地质条件分析及涌水量分析

刘 韬 胡 强

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

引言

隧道涌水预测是一个复杂的水文工程地质问题，它关系到隧道方案工程设计、施工条件、工程造价、养护条件和运营安全[1]。所以在隧道设计、施工前对隧道的水文地质评价及涌水量预测十分重要。隧道的地下涌水量可根据隧址水文地质条件选择水文地质比拟法、水均衡法、地下水动力学方法等进行综合分析评价[2]，本文以云南省某高速公路某隧道为例，探讨分析了隧道区的水文地质条件及涌水量的预测，并提出了预防措施。

1 工程概况

项目区地处云贵高原西南边缘，横断山脉南段，为怒江和澜沧江河间地块，区间山高谷深，层峦迭嶂，气势雄伟，山间盆地繁星般的点缀其中，景观绮丽，地势总体上北高南低，高差起伏大。隧道区附近海拔1783.00～2198.70m，相对高差415.70m。隧道横穿多个山体、沟谷、国道及通乡公路，进出口均位于斜坡体上，进口处地形纵坡较陡，出口处地形纵坡较缓，地表植被发育以灌木为主，基岩局部出露；隧道通过段地面高程为1800.93～2166.99m之间，相对高差366.06m。

根据地貌成因将区内地貌分为构造剥蚀、河流侵蚀—剥蚀地貌两种类型。构造剥蚀地貌为场区大面积地貌，主要地貌单元为山地，山地形态有中山地貌、山间凹地；河流侵蚀—剥蚀地貌为场区小范围地貌类型。

隧道进出口端均为沟谷地形，自然坡度25°～45°；洞身段穿越山脊，最高点高程2167m。

隧道为分离式结构型式特长隧道；左幅全长5200.00m，隧道最大埋深292m，右幅全长5255.00m，洞身最大埋深298m。

2 水文地质

2.1 水文地质特征

隧道上覆残坡积层粉质黏土、含碎石粉质黏土，下伏基岩为元古界花岗混合岩及印支期花岗岩。隧道依次穿越F1、F2断层。场区分布多条河流、溪沟，根据地层岩性及其组合特征、地下水赋存条件、水理性质和水力特征，将区内地下水类型分为第四系松散孔隙水，基岩裂隙水。区内地下水以大气降水为主要补给源，次之为河流及溪沟。

根据构造组合、地貌形态类型所起的控制作用，场区地表分水岭与地下分水内岭总体一致，分水岭东侧，地下水一般以潜水的形式赋存于混合花岗岩地层中，混合花岗岩中发育的构造裂隙、节理裂隙及侵入接触构造裂隙为主要含水层，其特点是受大气降水补给外，还受地表水网补给，地下水径流以垂直、水平循环为主，埋藏深，补给区与排泄区一致。分水岭西侧，地下水一般以潜水的形式赋存于花岗岩地层中，花岗岩中发育的构造裂隙、节理裂隙及侵入接触构造裂隙为主要含水层，其特点是受大气降水补给外，还受地表水网补给，地下水径流以垂直、水平循环为主，埋藏深，补给区与排泄区一致。

2.2 水文地质分区

依据地表分水岭及水文网所起的控制作用，将区内分为勐库河流域水文地质区和阁河流域水文地质区，再按流场和含水岩组、F1、F2阻水断层分布，划分为5个亚区。

勐库河流域水文地质Ⅰ区位于分水岭西侧，面积9.2km2。按F2阻水断层、含水岩层划分为三个亚区。

2.2.1 东弄水文地质亚区(Ⅰ1)

ZK15+500～ZK16+290(YK15+500～YK16+320)位于该区域。地表水以雨源型河流、有水溪沟为主，该段地下水类型为第四系松散土层孔隙水和基岩裂隙水，含水岩组包括第四系松散堆积弱富水性层，印支期(γ51)花岗岩，中等富水性层。地下水主要接受大气降水的补给，整体向北西径流。该区域地下水主要以隙流的形式自东向西方向径流，排泄于勐库大河。该区切割较深，地形较陡峻，降水渗入后，形成的水力坡度较大，地下水位埋深起伏大。

2.2.2 正气塘水文地质亚区(Ⅰ2)

两侧分别以F1、F2断层、分水岭为界，ZK13+150～ZK15+500(YK15+500～YK15+500)位于该区域。地表水以雨源型河流、有水溪沟为主，该段地下水类型为第四系松散土层孔隙水和基岩裂隙水，含水岩组包括第四系松散堆积弱富水性层，印支期(γ51)花岗岩，中等富水性层。地下水主要接受大气降水的补给，整体向北西径流，遇到阻水F2断层阻隔，断层区内多为断层泥，胶结程度较好，断层局部位置导水。该区切割较深，地形较陡峻，降水渗入后，形成的水力坡度较大，地下水位埋深起伏大。

2.2.3 大黑山水文地质亚区(Ⅰ3)

两侧分别以F1断层、分水岭为界，隧道ZK13+040～ZK13+150(YK13+040～YK13+150)位于该区域。地表水以雨源型河流、有水溪沟为主，该段地下水类型为第四系松散土层孔隙水和基岩裂隙水，含水岩组包括第四系松散堆积弱富水性层，元古界(Pt)花岗混合岩，中等—强富水性层。地下水主要接受大气降水的补给，整体向北西径流，遇到阻水F2断层阻隔，断层区内多为断层泥，胶结程度较好，断层局部位置导水。该区切割较深，地形较陡峻，降水渗入后，形成的水力坡度较大，地下水位埋深起伏大。

阁河流域水文地质(Ⅱ)区位于分水岭东侧，面积10.5km2。按F1阻水断层、含水岩层划分为两个水文地质亚区。

(1)白石山水文地质亚区(Ⅱ1)

隧道南侧，隧道未经过位于该区域。该段地下水类型为第四系松散土层孔隙水和基岩裂隙水，含水岩组包括第四系松散堆积弱富水性层，印支期(γ51)花岗岩，中等富水性层。地下水主要接受大气降水的补给，受阻水断层F1阻隔该区域地下水主要以隙流的形式向东南径流。

(2)肖家水文地质亚区(Ⅱ2)

西侧边界以分水岭、阻水断层F1为界，隧道ZK11+090～ZK13+150(YK11+073～YK13+150)位于该区域。该段地下水类型为第四系松散土层孔隙水和基岩裂隙水，含水岩组包括第四系松散堆积弱富水性层，元古界(Pt)花岗混合岩，中等富水性层。地下水主要接受大气降水、溪沟的补给，整体向南东径流。该区域地下水主要以隙流的形式自西向南东径流，排泄于阁河，最终汇入澜沧江。该区切割较深，地形较陡峻，降水渗入后，形成的水力坡度较大，地下水位埋深起伏大。

2.3 地下水水质

区内地下水总体上呈无色、无味、无嗅、透明，总体上物理性质良好。地下水水质分析化学特征(腐蚀性分析)资料见下表。

表1 地下水对建筑材料的腐蚀性分析表

腐蚀性等级综合评价：水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性。

3 隧道涌水量预测

3.1 地下水动力学法

参照《铁路工程水文地质勘察规范》(TB 10049-2014)，隧道通过潜水含水体时，可采用古德曼经验公式(1)预测隧道最大涌水量[3]：

(1)

式中：Q—隧道通过含水体地段最大涌水量(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)。

3.2 水均衡法

3.2.1 大气降水入渗法

隧道处于强透水岩层内，水文地质条件较复杂，地下水的赋存量较大，汇水面积较大，其补给源主要为大气降雨，故采用大气降水入渗法，按分区块段各段汇水消水计算预测隧道涌水量。雨季涌水量或暴雨涌水量可采用经验公式(2)：

Q= 2.74α×A×W

(2)

式中：Q—隧道通过含水体地段的雨季涌水量或计算频率暴雨涌水量(m3/d)；

α—为降水入渗系数；

A—隧道集水面积(km2)；

W—区域年最大降雨量。

本次按多年最大年降雨量1479.4mm计算，通过以上对隧道涌水量进行计算预测，其涌水量为20040m3/d。

3.2.2 地下径流模数法

越岭隧道通过一个或多个地表水流域时，预测隧道正常涌水量。可采用地下径流模数法：通常，地下水径流模数不是一个固定量，与降雨多少有关，隧道涌水量预测，宜采用丰水期径流模数计算如式(3)。

Q= 86.4×M×F

(3)

式中：M—丰水期迳流模数(L/s·km2)，据1∶50万测区市水文综合水文图及经验数据取值；

F—为隧道通过含水体的地下汇水面积(km2)。

通过以上对隧道涌水量进行计算预测，其涌水量为18787m3/d。

3.3 涌水量计算结果评价

通过以上多种方法预测，采用大气降雨入渗法计算得到隧道最大涌水量为20040m3/d；地下径流模数法计算隧道最大涌水量为18787m3/d；古德曼经验公式计算得到隧道最大涌水量为35243m3/d，相互间具有一定差异。

因大气降水入渗法、地下水径流模数法存在局限性，加之现今极端天气频发，故建议隧道设计时按古德曼经验公式预测的隧道最大涌水量，预测隧道最大涌水量为36000m3/d 。

4 隧道水文地质问题分析及施工验证

隧道穿越地层为Pt、γ51，岩性为混合花岗岩及花岗岩。隧道穿越F1、F2断层，隧道上方通过多条河流、溪沟。地质调查及钻探揭示场区岩体差异风化严重，岩体极破碎至破碎，节理裂隙发育，并存在松散、软弱充填物或充水。物探亦揭示多处低阻异常，推测为破碎富水囊带。地下水造成围岩稳定条件恶化，甚至引起局部失稳[4],根据隧址地质条件、气象条件、结合施工因素，隧道施工中涌水突泥主要表现在以下情况：

4.1 断层破碎带发生涌水突泥

一般来说构造断裂是山区地表水渗入地下的通道[5]，断层F1与、F2与隧道相交，受断层对岩体的强烈扰动、破碎作用，阻水断层两侧裂隙发育具备充水条件，富水性较断层中心部位强，因此当施工至断层两侧，尤其迎水侧，揭露富水带，易造成突泥涌水。另一方面，由于断层局部位置导水，局部易形成较大储水区和破碎带径流通道，形成风化强烈的松散软弱层及构造破碎带等富水带，造成施工涌水突泥。再则，在采动条件下，断层面性质，由压性断裂变为张性断裂，隔水层张开活化成为导水通道[6]。

4.2 裂隙密集带涌水突泥。

根据物探解译，隧道洞身存在多处裂隙密集带，裂隙密集带内岩体破碎，裂隙发育，为地下水导通通道，并兼有导水、蓄水功能，当隧道洞身通过裂隙岩体含水区段时，就会形成积水廊道[7]，造成施工涌水突泥。

4.3 河流、溪沟串通涌水突泥

隧道顶部有河流、溪沟通过，开挖导致地表河流、溪沟带透漏水开挖造成河流、溪沟串通。

4.4 降雨增大水压诱发涌水突泥

项目区夏秋两季雨量充沛，尤其在暴雨期间，地下水位迅速上升，水压增大，极易诱发涌水突泥，尤其在风化强烈的软弱带、构造破碎带等区段。

4.5 施工扰动诱发涌水突泥

隧道施工前，岩体处于自然平衡状态。隧道开挖扰动岩体，形成临空面，并在隧道周边形成松动圈[8]，从而诱发涌水突泥，主要有以下情况：

(1)隧道开挖直接诱发涌水突泥，主要原因为：开挖直接揭穿高压、富水囊带；施工爆破等作用导致岩体节理裂隙扩张，造成岩体局部应力集中和破裂。

(2)隧道开挖间接诱发涌水突泥，主要原因为：开挖导致止防突岩层[9]出现变形和位移，不能抵抗水压、土压和构造应力，防突岩层受力和变形位移过大，逐渐失稳或破坏造成涌水突泥。

(3)隧道施工，爆破后围岩裂隙变化十分显著，增强岩石渗透系数[10],隧道开挖面后方发生涌水突泥。隧道开挖扰动围岩，造成围岩压力增大或大气降雨造成水压突然升高，隧道的支护结构不足以抵抗土压和水压，支护结构发生失稳和破坏，形成涌水突泥。

4.6 施工验证

施工过程中由于隧道双向掘进，在进口端设有抽水泵及水表，经统计两个雨季中最大涌水量31655m3/d。

通过对比分析该隧道采用地下水动力学中古德曼经验公式与实际情况接近。

5 结语

花岗岩地层中常伴有岩脉、富水囊带、蚀变带，基本无规律可循，具有一定随机性，建议施工中采取综合超前地质预报，并结合施工开挖揭露情况，掌握施工面前方更为详细的地质情况，如围岩完整性、软弱夹层及破碎带的分布位置、充填情况、储水及补给等，进行综合分析和研究，及时正确地制订相关设计、施工技术方案及应急预案，及时进行支护，防止坍塌、涌水、突泥等产生，确保隧道及施工安全。