丽江至宁蒗高速公路竹林村隧道涌水量预测

陈 伟，郎学领，陈昶均，陈 亮

(云南省有色地质局三一七队，云南 曲靖，655000)

丽江古城至宁蒗高速公路位于云南丽江市境内，项目起点丽江古城区，终点宁蒗县。竹林村隧道是本条高速公路重点控制性工程之一，进口位于宁蒗县金棉乡南东部山间沟谷内，出口位于宁蒗县宁利乡白草坪村毕摩谷加油站南西部河谷内。隧道为分离式隧道，起点桩号右幅K69+745(左幅ZK69+745)，止点桩号右幅K75+195(左幅ZK75+185)，隧道全长右幅5450m(左幅5440m)，最大埋深580m。

本文通过竹林村隧道建设场地工程地质、水文地质条件调查及隧道涌水量预测，对竹林村隧道项目建设可能诱发的地质灾害和环境地质问题进行分析、预测，评估其对工程和环境的影响。为竹林村隧道施工及使用提供可靠的地质资料。

1 地形地貌及气象

竹林村隧道地处构造侵蚀剥蚀中山地貌区，地形起伏较大，隧址区高程2534m～3195m，相对高差约661m。隧道进口地形坡度约20°～25°；出口仰坡地形坡度约30°～50°，进口植被以杂草为主，出口段植被较发育，以乔木为主。据当地气象资料，多年平均气温12.9℃，降雨量894.6mm～927.4mm，蒸发量2177.1mm～2399.9mm。

2 地质背景

2.1 地层岩性

根据工程地质调查及钻探结果，隧址区地层从新到老简述如下(图1)：

图1 竹林村隧道地质简图

(2)三叠系上新安村组上段(T3x2)：褐黄色、灰、灰绿色泥岩，薄层状构造，泥质结构，局部夹煤线。灰、灰白色砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线。灰、深灰、灰绿色粉砂质泥岩，泥质结构，薄层状构造，局部夹煤线。下段(T3x1)：灰、灰白色砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线。灰、深灰色页岩，页理结构，薄层状构造，局部夹煤线。褐黄色、灰、灰绿色泥岩，薄层状构造，泥质结构，局部夹煤线。褐灰、灰白色泥质粉砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线。

(3)三叠系上统松桂组(T3sn)：灰、灰白色砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线。褐黄色、灰色泥岩，薄层状，泥质结构，局部夹煤线。灰、深灰色页岩，页理结构，薄层状，局部夹煤线。褐灰、灰白色泥质粉砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线。

(4)三叠系上统中窝组(T3z)：灰黑色泥质灰岩，夹黑色煤线，厚度0.1m～0.5m，顶板以页岩为主；底板以砂岩为主。

(5)三叠系中统北衙组中段(T2b2)：灰、浅灰色白云质灰岩，中-厚层状构造；北衙组下段(T2b1)：灰、灰白色砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线。

(6)三叠系下统腊美组(T1l)：灰、灰紫、灰绿色砂岩，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹页岩，底部为砾岩。

2.2 地质构造

断层呈近南北波状延伸，断面倾向西，倾角50°～80°，为逆断层；西盘向东仰冲，断裂两侧岩体陡立，并产生牵引，断距达1.0km左右，断裂西盘由三叠系松桂组、中窝组、北衙组等组成，东盘由新安组、松桂组等组成，受构造影响，沿断层砂页岩中小褶皱发育。

2.3 新构造运动及地震

该区新构造运动主要表现在挽近期地壳运动不断均衡升降与扭动，致使地势反差强烈和地缘景观差异，主干断裂具有多期活动特点，近期构造活动不明显，属于相对稳定区。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，隧址区地震动峰值加速度值0.20g，地震动反应谱特征周期0.45s，地震基本烈度Ⅷ度，隧道按相应地震动参数抗震设防。

3 水工环地质条件

3.1 水文地质条件

(1)地表水：隧址区地表水主要为降雨形成的面流、片流，局部地段分布有冲沟。

(2)地下水：场地内地下水类型主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水。孔隙水主要赋存于第四系冲洪积、残坡积层中，接受大气降水补给，顺地形向低凹地段排泄，该含水层沿斜坡呈不规则带状分布，厚度较小，富水性弱，排泄快；基岩裂隙水赋存于岩层裂隙发育地带及强风化带中；岩溶水赋存在白云质灰岩中，场地内岩溶较发育，地下水具有良好的储存、运移空间；地下水埋深较大，隧址区地下水富水性一般。

推荐方案竹林村隧道全长5450m，线路里程K69+745～K75+195。剥蚀构造长恒状中山地形区，整体地形主要向南东倾斜。金棉河中游南岸支流竹林河右岸入口处隧道底板高程约2550m，该段沟谷河床高程大致2480m，西侧金棉河河床高程大致1860m；拉鹿河上游右岸白草坪一带隧道出口高程约2653m，该段土库河沟床高程大致2650m；隧道途径地面最高点约3190m，位于K72+765上方。隧道处于宁蒗县宁利乡南西侧山脉部位，以区段最高点为界，分属两大流域，南西侧为金棉河支流，北东侧为拉鹿河支流。隧道所穿越含水岩组、断层等构造分布范围图2，工程水文地质特征分4段概述如下：

图2 竹林村隧道工程地质纵断图

K69+745～K70+786段：出露T2b2中厚层-块状白云质灰岩夹角砾状灰岩、结晶灰岩。区段东侧被F95断层错切。主要赋存层型岩溶裂隙水。进口段里程K69+893～K69+929位于沟谷北侧，堆积有坡残积物，岩土体松散，围岩等级Ⅴ，稳定性差，开挖易冒顶、侧壁易垮塌，易发生涌水。隧道区地段未有泉点出露，区域上该地层最大泉水流量240.80L/s，最小泉水流量0.03L/s，地下径流模数常见值4.74L/s·km2～12.21L/s·km2，岩组总体富水性强。

K70+786～K72+514段：出露T3x2上部页岩、泥岩夹长石石英砂岩及煤线，下部长石石英砂岩夹砂岩、砂质页岩、页岩。区段东侧被F95断层错切，西侧与T3x1相接。主要赋存碎屑岩层间裂隙水，围岩等级Ⅳ，岩性为泥岩、页岩、砂岩夹煤层，岩质较软，受水浸泡易软化，失水风干后易崩解，节理、裂隙发育，岩体破碎，呈碎裂状结构，稳定性较差。开挖易冒顶、侧壁易垮塌，易发生涌水。该地段调查泉水点4个，最大泉水流量1.519L/s，最小泉水流量0.071L/s，地下径流模数常见值1.34L/s·km2～4.87L/s·km2，富水性中等。

K72+514～K73+506段：出露T3x1上部页岩、泥岩夹长石石英砂岩及煤线，下部长石石英砂岩夹砂岩、砂质页岩、页岩。区段东侧与T3x2相接，西侧与T3sn相接。主要赋存碎屑岩层间裂隙水，围岩等级IV，围岩岩性为泥岩、页岩、砂岩夹煤层，岩质较软，受水浸泡易软化，失水风干后易崩解，节理、裂隙发育，岩体破碎，呈碎裂状结构，稳定性较差。开挖易冒顶、侧壁易垮塌，易发生涌水。该地段调查泉水点1个，泉水流量0.513L/s，地下径流模数3.72L/s·km2，富水性中等。

K73+506～K75+195段：出露T3sn长石石英砂岩、页岩夹煤层或煤线、底部砾岩。区段西侧与T3x1相接。主要赋存碎屑岩层间裂隙水。出口段里程K75+040～K75+116位于沟谷北侧，堆积有坡残积物，下伏页岩夹砂岩；岩质较软，受水浸泡易软化，失水风干后易崩解，节理裂隙发育，岩体破碎，碎裂状结构，稳定性较差，岩体软弱、破碎，富水。隧道进出口岩土体松散，强风化，节理裂隙发育。围岩等级IV-Ⅴ，岩性为泥岩、页岩、砂岩夹煤层，岩质较软，受水浸泡易软化，失水风干易崩解，节理、裂隙发育，岩体破碎，稳定性较差。开挖易冒顶、侧壁易垮塌，易发生涌水。该地段调查泉水点1个，泉水流量0.26L/s，地下径流模数4.48L/s·km2。区域上该地层最大泉水流量3.33L/s，最小泉水流量0.01 L/s，地下径流模数常见值0.55L/s·km2～5.96L/s·km2，总体富水性中等。

3.2 工程地质条件

(1)粉质黏土：褐黄色，硬塑状，韧性、干强度中等。硬塑状，fao=220kPa，Qik=70kPa。

(2)碎石土：黄褐色，稍密，稍湿，碎石以强风化砂岩、粉砂质泥岩、页岩为主，粒径0.6cm～18cm，含量50%～60%，次棱角状，黏性土充填。稍密，fao=250kPa，Qik=80kPa。

(3)白云质灰岩：灰、浅灰色，隐晶质结构，中-厚层状构造，岩体较完整，以大块状为主，锤击声清脆，不易击碎，强风化层fao=600kPa，Qik=160kPa；中风化层fao=1500kPa。

(4)砂岩：灰、灰白色，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线，节理裂隙发育，岩质较硬。强风化fao=550kPa，Qik=150kPa；中风化fao=1000kPa。

(5)泥质粉砂岩：褐灰、灰白色，砂质结构，薄-中层状构造，局部夹煤线，节理裂隙发育，岩质较硬。强风化fao=450kPa，Qik=120kPa；中风化fao=800kPa，Qik=180kPa。

(6)泥岩：褐黄色、灰、灰绿色，薄层状构造，泥质结构，局部夹煤线，岩石软，锤击声沉闷，节理裂隙极发育。强风化fao=350kPa，qik=120kPa；中风化fao=600kPa，qik=160kPa。

(7)页岩：灰、深灰色，页理结构，薄层状构造，局部夹煤线，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩质软。强风化fao=350kPa，qik=120kPa；中风化fao=600kPa，qik=160kPa。

(8)煤线：黑色，厚度0.1m～0.5m，顶板以页岩为主；底板以砂岩为主。

3.3 环境地质条件

(1)洞口削坡对坡体植被破坏：隧道两端洞口山体主要为块石土，坡体生长杂树及灌木，洞口削坡后对周围环境存在一定影响。

(2)隧道弃渣堆放不当可能产生人为泥石流、滑坡等灾害：在隧道施工过程中产生的弃渣，如堆放不当，对周围环境会造成一定的影响。同时，雨季降雨量较大，隧道弃渣不能随意堆放在冲沟内，以免人为的造成泥石流等地质灾害。

(3)隧道成洞后破坏山体地下水平衡：隧址区地下水主要为基岩裂隙水，开挖后破坏地下水平衡。

3 隧道涌水量预测

(1)径流模数法预测：结合本隧道水文地质条件的差异性，分段对隧道涌水量进行径流模数法预测，计算公式：Qs=M·A式中：Qs-预测隧道正常涌水量(m3/d)；M-地下径流模数(m3/d·km2)；A-隧道通过含水体地段集水面积(km2)。

隧道通过区汇水面积(A)：根据各隧道段水文地质结构特征、地形条件及地下水补、径、排规律，在1：5万地形图上按各含水岩组段长度和其对两侧的影响宽度进行圈定量取。

地下径流模数(M)：主要根据本次水文地质调查资料统计，结合水文地质结构条件分析，同时与1：20万《区域水文地质普查报告》(丽江幅、永宁幅)划分含水岩组水文地质参数比较综合选取。

因无地下水动态观测资料，隧道雨季最大涌水量按正常涌水量1.5倍估算，结果见表1。竹林村隧道正常涌水量约12287m3/d，雨季最大涌水量为18431m3/d。

表1 特长隧道径流模数法涌水量结果表

(2)降水入渗法预测：计算正常涌水量Qs，按正常涌水量1.5倍估算最大涌水量，计算公式：Qs=2.74αWAA=BL，式中Qs-正常涌水量(m3/d)；α-降水入渗系数；W-年降雨量(mm)；A-隧道通过含水体地段的积水面积(km2)；L-隧道通过含水体地段在地面长度(km)；B-隧道涌水地段L长度内对两侧的影响宽度。

计算参数取值原则：降雨入渗系数(α)：参照《供水水文地质手册》经验值(表2)选取，区内断裂、褶皱构造发育、岩体破碎，一般取大值，结合隧道地表地形、植被发育情况适当调整；年降雨量(W)：本次工程区主要位于宁蒗县境内，据宁蒗气象资料，全县多年平均降雨量894.6mm，其余隧道沿线降雨按895mm计；隧道通过含水体地段地面长度(L)：在1：10000地质剖面图上量取；隧道涌水影响宽度(B)：先采用渗透系数经验值，按公式R=215.5+510.5K估算隧道一侧涌水影响宽度，再根据地质构造影响程度、含水体空间展布和岩性组合特征、地形等因素与工程组合形式适当调整。

表2 降水入渗系数经验值表

涌水量计算成果见表3。从预测计算方法适宜性分析，隧道工程区断裂、褶皱构造密集，构造破碎带发育深度大，浅表层地下水、地表水与洞身部位含水岩体沟通条件好，浅埋隧道采用此方法评价较为适宜。

表3 特长隧道涌水量降水入渗系数法计算成果表

(3)地下水动力学法：根据隧道水文地质勘察所确定的参数，利用理论解析模型或经验解析模型计算而得。

3)经验公式法：根据多个工程实例经验，对理论解析法模型进行修正，经验公式如下：

Qs=L·K·H(0.676-0.06K)Qo=L(0.0255+1.9224K·H)

式中：Qs-正常涌水量(m3/d)；其它符号标识同上。

地下水动力学法预测结果见表4。竹林村隧道正常涌水量Qs约43114.79m3/d，雨季最大涌水量Qo为69517.91m3/d。

表4 隧道涌水量地下水动力学法计算结果表

(4)地下径流模数法、降雨入渗法和地下水动力学法三种方法对各隧道进行正常涌水量Qs和最大涌水量Qo预测结果统计见表5：

表5 隧道涌水量预测成果统计表

4 隧道涌水量预测方法对比

预测隧道涌水量计算方法有很多种，不同的计算方法都有其适用条件和各自优缺点，根据隧道所处地形地貌、地质环境，水文地质条件，隧道结构及埋深等条件下合理选择评价方法，对隧道正常施工和降低隧道施工风险具有十分重要的意义。

(1)地下径流模数法是一种用于隧道涌水量预测简化的水均衡法，其使用条件较多，导致计算结果有时产生较大偏差，该方法在理论上并不严谨，但适用于浅埋隧道涌水量预测。

(2)降水入渗法是先确定隧道通过含水体地段集水面积，在隧道通过的地形图上并结合地形地貌、含水岩性、岩体渗透结构类型、隧道位置、埋藏深度等有关因素圈定出隧道集水面积；再根据区域水文地质资料和工程实际情况合理确定降水入渗系数；根据当地平均年降水量，对隧道涌水量预测预报，对隧道安全有危害的大雨或暴雨预报，提前采取预防措施为隧道正常施工，提供技术支撑，采用本方法在雨季对隧道涌水量预测是科学合理的。

(3)地下水动力学法主要运用解析法和数值模拟法进行问题研究。解析法是指用解析方法求解由地下水动力学问题转化成的数学表达式。较为清晰明了，实施较为简便。但只能解决简单的渗流问题，较为复杂的地下水动力学问题采用数值模拟法，以求得解析法一般不能或不易求解的方程的解，一般需要借助于计算机，求得的是精度可变的近似解。

5 结 论

隧道工程区断裂、褶皱构造密集，构造破碎带发育深度大，浅表层地下水、地表水与洞身部位含水岩体沟通条件好，隧道整体处于深埋，水均衡法主要适用于浅埋隧道涌水量预测，其计算结果建议仅作对比参考值使用。以地下水动力学经验公示法计算：竹林村隧道正常涌水量Qs约43114m3/d，雨季最大涌水量Qo69518m3/d。根据物探成果，隧道富水性较强，岩体破碎，局部段落可能存在涌水、突泥等现象，应加强衬砌结构，及时支护，加强地下水疏导排水，加强超前地质预报。