奥陶系碳酸岩地层隧道水文地质特征及其影响分析

邹福林，许崇帮，杨香英，周幸宇

(1. 中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037；2. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；)

0 引言

奥陶系碳酸盐岩地层在我国北方分布十分广泛，是我国煤炭[1-5]、石油、石膏[6-9]等矿产能源的主要赋存地层，如山西的煤矿、陕西的石油矿等；同时，由于奥陶系碳酸岩地层赋存于地壳浅层，该地层成为了我国隧道工程及地下工程设施建设的主战场之一。奥陶系地层沉积成岩时间短，地层岩性多变，易受地质活动影响，该套地层常呈现出较为复杂的地质环境，致使隧道工程在穿越该层时常面临隧道软岩大变形[10-14]、岩溶塌方[15-16]、突泥涌水[17-18]、瓦斯突出等重大安全问题。

地下水的存在是导致此类工程问题的主要原因，如富水环境下松散岩体常导致隧道发生突泥涌水、地下水汇集溶洞时易发生突水、膨胀岩层在地下水作用下易诱发膨胀变形和衬砌失稳、软岩在地下水作用下易发生软化造成围岩失稳等。此次依托工程所处的南吕梁山为该套地层的典型代表，南吕梁山中广泛分布煤矿及采空区[19]，并且该区域内形成了面积2 250 km2的龙子祠泉域[20]，且石炭纪地层与奥陶纪地层夹多层泥质页岩的碳酸盐岩形成了非可溶岩和可溶岩(碳酸盐岩)穿插型接触的地质结构[21]，而该类型穿插接触带的工程特性的认识还有待深入[22]。因此，在该奥陶系地层修建隧道时需要高度重视地下水的发育状况，判断该地段在地下水作用下对隧道的潜在的工程风险。

本研究依托某特长奥陶系碳酸盐地层隧道工程，从区域水文地质调绘、隧址区地表水调查、地下水补给关系测试、隧道地下水出露情况调查及隧道病害统计分析等角度，综合分析了该类地层中隧道的工程水文地质特征，及其对隧道结构设施长期安全性的影响。

1 依托工程概况

依托工程某山岭隧道位于山西境内吕梁山域内，隧道长约10.3 km，最大埋深约550 m。隧址区属构造侵蚀-剥蚀基岩山区地貌区，地表总体以一定的坡度向东西两侧倾斜，冲沟发育；隧道穿越奥陶系碳酸岩地层，地下水较丰富，地质构造发育，使得隧道建造过程中围岩诱发了软化、膨胀等工程问题，导致隧道结构出现了衬砌开裂、边墙内挤、渗漏水等现象。

1.1 地层岩性

隧道上覆岩层自上而下依次是第四系、二叠系和石炭系及奥陶系地层，隧道洞身位于奥陶系中统地层中。隧道纵向洞身交替穿越奥陶系中统峰峰组(O2f1)和上马家沟组(O2s3)岩层，各组岩层呈近水平状，向出口方向倾斜。其中K97+300～K100+250和K104+200～K106+500为峰峰组(O2f1)，K100+250～K104+200和K106+500～K108+000为上马家沟组(O2s3)。在K102+952、K102+184发育有F34与F8断层，两区段间隧道线位基本位于峰峰组(O2f1)和上马家沟组(O2s3)的地层分界线上。其中，上马家沟3段(O2s3)为中厚层状灰岩夹白云质灰岩及白云岩为主(在隧道K100+396.5～K104+184揭露)，局部地区存在角砾状泥灰岩夹层。峰峰1段(O2f1)整体呈现以两层灰黄色薄层泥灰岩夹一层灰岩特征，下层泥灰岩厚11～59 m，上层泥灰岩厚22～52 m，中间灰岩夹层厚5～10 m(分布于K98+000～K100+396.5)，且两层泥灰岩均为含石膏层位，如图1所示。

图1 地层岩性

1.2 地质构造

隧址区发育3处褶皱构造、2处断层构造，其中，S1向斜在地表与线路相交于K95+819附近，走向约为N10°E。两翼倾角8°～26°，核部地层为二叠系上石盒子组灰岩，区内延伸约22 km，是隧道区的主体向斜构造。S2背斜在地表与线路相交于K100+169附近，走向N10°～25°E，两翼倾角为5°～18°，核部地层出露二叠系下石盒子组地层，区内延伸约10 km。S3向斜在地表与线路相交于K105+444 附近，走向N25°E，两翼倾角约15°；F8正断层在地表与隧道线位约呈60°相交于K102+184，断层走向N15°～20°W，倾角约65°，区内长度约3.5 km；F34断层与隧道线位直交于K102+952，倾角约80°，断层破碎带宽约35～50 m。

1.3 水文地质条件

隧址区属吕梁山南段水文地质单元，呈现低中山区水文地质特征，地下水区域流向为南偏东向；地表径流条件较好，大气降水多沿裂隙下渗，为下伏的浅表基岩裂隙水补给。隧道洞身处地下水类型主要为裂隙-岩溶水，地下水赋存于各类基岩的风化带及构造裂隙中，地下水位及水量随季节变化显著。

此外，项目区域经历过多次构造运动，形成系列复式褶皱、断裂，彼此互相交错，互相重叠，从而形成极其复杂的构造体系，其中，隧道区即位于由紫荆山断裂和罗云断裂所控制的复式向斜构造带内，自身构成了本区独立的水文地质单元。

1.4 气象条件

隧址区属暖温带半干旱季风气候，四季分明，昼夜温差大。春季少雨多风，冷暖多变；夏季暖热多雨，气温稳定；秋季天高气爽，降温急促；冬季气候寒冷，降雪稀少，气温变化缓慢。隧址区多雨年降水量550～600 mm，少雨年300～400 mm，径流深25～50 mm。年平均气温在6～19 ℃。

1.5 隧道渗漏水情况

经对隧道内渗漏情况调查，隧道内部渗漏水点共计53处。根据流速将渗漏水状态分为4类[12]，分别为滴水、渗润、流水、喷水，统计分析如图2所示，典型渗漏水点的特征如表1所示。

图2 渗漏水状态统计

由图2和表1可知，隧道内渗漏水状态以渗润为主，1个测点为喷水，其最大流速为1 374 mL/min。

表1 渗漏水特征统计

2 地下水流通补给路径分析

2.1 宏观补给路径

根据地勘资料可知，隧道洞身段埋深较大，其中奥陶系地层第四系、二叠系和石炭系地层，且奥陶系地层顶部铝质泥页岩、粉砂岩、泥岩和石英砂岩等致密岩层，厚度约40 m，具有良好的隔水性能。因此，奥陶系碳酸岩地层裂隙-岩溶水在上覆基岩裂隙水补给时，受上覆隔水地层中构造裂隙的发育程度所控制。在构造裂隙发育处基岩裂隙水可直接对裂隙-岩溶水进行补给；若构造裂隙不发育时，地下水则沿隔水层进行流动，并流至地质断裂带处再向下补给裂隙-岩溶水。

2.2 地表水补给关系测试

隧址区沿线地表有多处地表水径流或水体，为查清地表水对隧道地下水的补给路径，采用无污染的荧光素钠和RQT增白剂作为示踪剂，对两者的补给关系进行了调查测试。

(1)示踪剂投放点确定

在对地下水补给关系测试前，对示踪剂投放点进行现场踏勘筛选，综合地表水源点勘察成果与地质构造、地层岩性的分布规律，确定示踪剂投放点如表2所示。

表2 示踪剂地表投放点

(2)示踪剂接收点

示踪剂接收点采用单点投放多点接收的方式，对隧道内渗漏水点位进行定期采集和检测，通过示踪剂荧光信号标定补给关系，其中采集到示踪剂荧光信号的漏水点如表3所列。

表3 明显检测到示踪剂的接收点

示踪剂投放点与接收点如图3所示。

图3 示踪剂投放点与接收点

(3)示踪剂测试结果

选用FluoroQuik便携式示踪荧光仪对水样的荧光度进行检测，经多次检测对比，确定示踪剂投放点与隧道内渗漏点补给关系如表4所列。

表4 示踪剂投放点与隧道内渗漏点补给关系

综合绘制地表水源对隧道内渗漏水的补给路径如图4所示。

图4 地表水对渗漏水的补给关系纵断面

由图3和图4可见:

(1) 地表水对地下水的补给关系受地质构造控制与制约。其中褶皱构造的影响尤为显著，如水源T12点对Z1，Z2，Y1，Y2的补给，其次是断层构造，如水源T3，T8，T9对Y5，Y6，Y7点的补给。

(2)根据示踪剂投放点与接收点的平面关系，隧址区地下水整体流向为自北向南流通，与区域地下水流通主体方向基本一致。

3 地下水对隧道长期稳定性影响

3.1 隧道渗漏水与衬砌病害关联性

根据隧道病害段落和隧道渗漏水点的统计如图5所示，81.13%的渗漏水点分布在隧道病害段落。

图5 渗漏水点与隧道病害处治段的关系

3.2 软岩段地下水的影响

隧道软岩区段主要为泥灰岩和膏溶角砾岩，这两类岩具有明显的遇水膨胀软化如表5所示，其中，在水作用初期存在一定膨胀力，膨胀力可达为800 kPa和350 kPa。

表5 隧道软岩力学参数

因此，此类区段隧道围岩在无地下水作用时，能够保持较好的完整性，且具有一定的自承载能力；而在地下水作用下围岩发生膨胀软化，围岩对支护结构额外施加了0.35～0.8 MPa的膨胀荷载。同时，受围岩软化作用其强度降低、承载能力降低，造成隧道承担荷载增加大幅增加，从而导致隧道仰拱隆起、衬砌开裂。

3.3 石膏岩段地下水影响

隧道石膏质岩段除围岩自身的软化膨胀特性外，在地下水作用下还释放出硫酸根离子如表6所示，经测试渗漏水中硫酸根离子浓度最大可达1 692 mg/L。这些硫酸根离子渗入到混凝土中和水泥的水化产物发生反应，生成具有膨胀性的侵蚀产物，在低温条件(小于15 ℃)时，容易产生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀，造成混凝土泥化丧失承载能力，衬砌混凝土出现开裂、剥落，并且由于混凝土腐蚀一般最初发生于混凝土与围岩交界面处，具有较强的隐蔽性。

表6 渗漏水水质检测成果

综上可见，地下水对隧道支护结构的影响与隧道围岩岩性密切相关，在软岩条件下地下水易导致围岩软化隧道衬砌荷载增加，致使隧道衬砌发生开裂、隧道底部隆起等；石膏质岩段隧道衬砌结构在地下水作用下容易诱发混凝土腐蚀，该类病害具有隐蔽性强、危害性大的特点。

4 结论

(1)奥陶系碳酸岩地层隧道地下水总体上以地表降水补给、沿地质构造流通汇集为主，地下水发育状况是受区域水文地质主导和局部地质构造控制。

(2)地下水对隧道支护结构的影响，受隧道围岩岩性控制，软岩条件下易导致围岩软化隧道衬砌荷载增加，致使隧道衬砌裂损。

(3)在石膏质岩段隧道衬砌结构在地下水作用容易诱发混凝土腐蚀，该类病害具有隐蔽性强、危害性大的特点。