隧道工程涌水突泥段地质探讨

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摘要:通过地质调查、钻探结合物探、隧道洞内现场踏勘等勘察手段对桃山隧道DK0+160～DK1+720段进行了勘察，综合分析了隧道涌水突泥段的地质，并采用降水入渗系数法、地下径流模数法和地下水动力学法分别计算了隧道最大涌水量，以减少可能存在的隧道特大涌水对工程施工的影响，在应对突发事件时能及时采取有效的措施。

关键词:隧道工程;区域特征;涌水突泥;水文地质;工程措施

1工程概况

桃山隧道位于福建省境内，为单线隧道，全长5598m，出口里程为DK2+788，最大埋深270m。本次涌水突泥段位于桃山隧道DK1+720处。该处掌子面埋深约146m，围岩级别为Ⅴ级，施工方法为台阶法开挖。补充勘察段落为DK0+160～DK1+720。

2区域特征

2.1地形地貌。测区位于戴云山西侧，属中低山地貌。测区山脉走向总体呈北东—南西向，地面高程在420～720m。区内最高峰为位于线位以西北2km的虎臂崎，高程1197m，最低点在长溪坝一带，海拔高程430m，相对高差100～500m，最大高差达600m。区内山脉属条形中~低山，具构造剥蚀地貌特点。山坡地形坡度15～45°，沟谷见泉水出露，形成水沟。2.2地质特征。测区上覆地层为第四系全新统人工填土（Q4ml）角砾土，坡洪积（Q4dl+pl）软土；下伏基岩为三叠系下统溪口组（T1x）砂岩及晚白垩世石牌前单元（K2S）花岗岩岩脉。突水涌泥段下伏基岩为三叠系下统溪口组（T1x）砂岩，青灰色，细粒结构，层状构造。该层夹有灰岩，局部夹砂质页岩，差异风化严重，区域内有花岗板岩岩脉侵入。全风化带原岩结构清晰可辨，取芯呈硬塑土柱状，局部夹少量风化残块，厚2~15m；强风化带岩石风化剧烈，多见有铁锈，岩石不新鲜，质软，锤击易碎，取芯破碎，以碎块状为主，厚20~80m；弱风化带节理裂隙较发育，多呈闭合状，岩石新鲜，质硬，锤击不易碎，呈短柱、长柱状及碎块状（图1、2所示）。

3地质构造

隧道与里程DK1+490～DK1+540大角度穿越该断层，夹角约60°。该断层属于政和－大埔断裂带，属新华夏系构造，走向S-N，倾向东，倾角60～80°，为一压扭性断裂，岩石破碎，羽状裂隙发育，具构造角砾岩、片理化、脉岩充填，两侧岩层揉皱强烈，断层及影响带宽度20~70m。受该断层影响，隧区内岩体破碎，差异风化较大，断层两盘地层分别为三叠系溪口组砂岩，断层带附近岩层蚀变严重，断层对隧道影响较大。

4水文地质特征

4.1水文地质特征。（1）地表水。测区地表水主要进出口及洞身沟槽内的沟水，主要由大气降水补给。（2）地下水。地下水主要类型有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水。孔隙潜水。主要赋存于隧道表层的冲沟、地表及隧道出口外围的第四系冲洪积、残坡积层中，仅局部冲沟中心的砂、卵石为强透水层。该类地下主要水分隧道的表层，面积小，富水性一般都较差，水量较贫乏。排泄条件较好，加之土层分布范围小，水量较小。主要受大气降水和基岩裂隙水补给。基岩裂隙水和构造裂隙水。测区碎屑岩地层主要为三叠系下统溪口组（T1x）砂岩夹泥岩，断层破碎带节理裂隙发育，地下水主要受大气降水渗入式的补给，并赋存于空隙和裂隙网络中，富水性较强，蓄水性好，构造裂隙导水性好，含水岩层发育，地层中砂岩中夹泥页岩层，泥岩岩质较软，裂隙闭合性好，局部泥质充填，透水性差，为相对隔水层，下部砂岩层中的裂隙水由于泥岩隔水层的存在易形成承压水。裂隙水随地形条件由高向低处径流，于地形低洼处汇集和排出地表。构造对地下水的控制。测区内分布有断层，砂岩、泥岩接触带也为强富水区。根据岩性、地貌、构造因素可分为2个富水带。①断层富水带。该区位于隧道与里程DK1+490～DK1+540大角度穿越，主要岩性为砂岩。区内岩体受构造影响节理发育，产状凌乱，岩体破碎，为地下水的富集创造了条件。该区属富水区。②砂岩与泥岩、页岩接触带。测区为三叠系地层，岩性以砂岩为主，夹泥岩、灰岩和页岩，砂岩属透水层，泥岩、页岩相对隔水，砂岩与泥岩、页岩接触带属强富水区。4.2DK1+720处水文地质特征。DK1+720处位于带状或囊状节理密集带。区内岩体受构造和不均匀风化影响，节理裂隙发育，岩体破碎，地表水易沿着节理和裂隙下渗，赋存于裂隙中。该区属富水区。地下水水位埋深24m，该段节理裂隙发育，洞身段相对富水，主要为静储量，透水性较好，地下水补给来源主要为降雨入渗，受降雨影响较大。隧道内地下水流速12～15m/min，流量70～100m3/h，水温15℃。4.3地下水的动态特征。本段为低山地貌，地势起伏较大，且构造发育、泥岩和页岩隔水等原因导致区域地下水位不稳定。陡坡及山崖地带地下水埋藏较深，山间沟槽地势低洼地带为隧道区域地下水径流排泄出口，地下水埋深浅，局部地段可以平沟心，受降雨及泥页岩隔水的影响比较大，地下水水位变化幅度较大（图3、4所示）。4.4隧道涌水量预测。经对隧址区水文地质条件的调查、结合区域水文地质资料的综合分析，大气降水、地表水的直接入渗是地下水的主要补给来源。隧道穿越不同含水岩系，地下水位不一，地下水渗透性亦存在一定差异。因此，本次根据隧址区地形地貌、地层岩性、构造及水文地质条件等进行隧道涌水量预算。隧道涌水量采取降水入渗系数法和地下径流模数法分别进行计算。（1）降雨入渗系数法[1]。采用基于水均衡原理的降雨入渗系数法来预测计算隧道的涌水量。依据《铁路工程水文地质勘察规范》（TB10049—2014）中式E.1.2计算正常涌水量Qs，计算公式如下：Qs＝2.74α•W•A（其中A＝B•L）式中：Qs为隧道正常涌水量（m3/d）；α为降水入渗系数，依据隧道进出口段的地形地貌特征、植被的发育状况，砂岩取值为0.18；W为年降水量（mm），（据当地气象资料，多年平均降水量取值为1550mm）；A为隧道通过含水体地段的集水面积（km2），取值6.3km2；L为隧道通过含水体地段的长度（km）；B为隧道涌水地段L长度内对两侧的影响宽度（km）。DK0+160～DK2+720段计算结果：Qs＝4820m3/d。Q最大＝9640m3/d（最大涌水量主要考虑丰水期，在非可熔岩地区，最大涌水量取正常涌水量2倍）。（2）地下径流模数法。计算公式如下：Q＝86.4•M•A（其中M=Q‘/F）式中：Q为流量（m3/d）；M为地下径流模数（L/（s•km2）），取值9；A为隧道通过含水体地段的集水面积（km2），取值6.3km2；Q‘为地下水补给的河流或下降泉的流量（m3/d）,宜采用枯水期流量计算；F为相应于Q‘的地表流域面积（km2）。DK0+160～DK2+720段计算结果：Qs＝4900m3/d。Q最大＝9800m3/d（最大涌水量主要考虑丰水期，在非可熔岩地区，最大涌水量取正常涌水量2倍）。（3）地下水动力学法[2]。即按不同地段水文地质特征，选取不同的水文地质经验参数，将隧道各段视为无隔水底板，选用相关公式进行分段涌水量计算。影响半径采用库萨金公式：R=2S姨KH涌水量采用柯斯嘉科夫公式(按双侧进水考虑)：Q=2aKBHlnR-lnr（其中a=π2+HR）式中：K为渗透系数（m/d）（结合水文试验，经综合分析选取合理的K值，取值0.025m/d）；B为隧道通过含水层的长度（m）（里程段DK0+160～DK2+720，长度为1560m）；H为静止水位至隧道底的深度（m）（根据现场水位实测，H取值为90m）；R为隧道排水影响半径（m）；r为隧道宽度的一半（m）（r=4m）；S为隧道水位降低35（m）。结合水文试验，经综合分析选取合理的K值，式中参数R和a计算如下：R=2S姨KH=2×35×姨0.025×90=105ma=π2+HR=π2+90105=2.43经综合比较计算，推荐DK0+160～DK2+720段隧道涌水量：Qs＝5200m3/d，Q最大＝10400m3/d（最大涌水量主要考虑丰水期，在非可熔岩地区，最大涌水量取正常涌水量2倍）。隧道穿越区地下水分布受构造、岩性控制，水文地质边界条件较为复杂，实际涌水量可能与预测值有一定偏差。

5工程地质条件评价

DK0+160～DK1+720（图5、6）段属低山区，地形起伏较大，局部较陡，相对高差较大，为100～500m，下伏基岩为三叠系下统溪口组（T1x）砂岩，偶夹泥岩、页岩。本段受断层影响，节理裂隙发育，岩体破碎，全、强风化层厚90～160m。地下水受降水入渗补给，2019年6月中旬至8月底降雨充沛，降雨时间较长，降雨量较大，地下水水位较高。经本次DK1+634.5m（图7、8所示）左11m处（距离涌水突泥处85.5m处）补充钻孔揭示隧道洞身为弱风化砂岩，围岩较涌水突泥段变好。

6涌水突泥工程地质分析

桃山隧道出口段位于虎臂崎分水岭东侧，中低山地貌，西高东低，西侧最高峰虎臂崎高程1197m，东侧三明市均溪高程335m，相对高差较大，为100～500m，中部较为平缓，有利于降水入渗补给地下水，出口段处于地下水径流区，径流途径较短，水量较大。根据气象资料，2019年6月中旬至8月底降雨充沛，降雨时间较长，降雨量较大，地下水受地表水补给充足，地下水水位较高。隧道出口段地层为三叠系下统溪口组（T1x）砂岩，偶夹灰岩、泥岩和页岩，地层单斜，产状N4°～8°W/20～33°NE。隧道洞身断层，为压扭性断裂，属于政和－大埔断裂带。隧道出口外沟槽里发育水尾断层，为张扭性断裂，都属新华夏系构造。受断层和水尾断层构造的挤压扭曲，在相邻断层间产生微褶曲，岩体在受到压应力和剪应力作用下，产生大量近似于垂直交叉的节理面和裂隙面，形成节理裂隙网络。隧址区地表降水较丰富，地表水下渗进入节理裂隙网络并赋存于其中，粉砂岩和胶结较差的砂岩在水和空气作用下易于软化，风化成散体状、砂土状岩体，成为富水层；钙质和硅质胶结砂岩不易风化，呈碎裂状岩体，由于地层中砂岩的颗粒大小、胶结成分、胶结程度和分布不同，隧址区差异风化较为严重。地下水主要受大气降水渗入式的补给，并赋存于空隙和裂隙网络中，富水性较强，蓄水性好，构造裂隙导水性好，含水岩层发育，地层中砂岩夹泥页岩层，泥页岩岩质较软，裂隙闭合性好，局部泥质充填，透水性差，为相对隔水层，下部砂岩层中的裂隙水由于泥岩隔水层的存在易形成承压水。裂隙水随地形条件由高向低处径流，于地形低洼处汇集和排出地表。在隧址区形成断层富水带、带状或囊状节理密集带富水带和砂岩与泥岩、页岩接触带富水带。由于前期降雨充沛，地下水补给充足，隧道内呈淋雨状和线流状出水，流速12～15m/min，流量70～100m3/h，水温约15℃。桃山隧道DK1+720掌子面处围岩为砂岩夹页岩，由于差异风化，存在全、强风化砂岩，受断层构造影响，围岩整体较破碎，呈碎块状夹散体状。地下水赋存于砂岩裂隙网络和带状或囊状节理密集带中，近期降雨充分补给地下水，地下水水头差较大。开挖后掌子面处初始地下水水量较大，呈淋雨状和线流状出水，围岩岩体在地下水作用下易软化崩解，在隧道开挖后形成临空面时形成坍塌和突水突泥。

7工程措施建议

（1）隧道地表塌陷区及时作好整平，防止降雨积水于塌陷坑内，做好截水天沟等排水工程。（2）由于地下水水量较大，且极易造成岩体软化，建议增加洞内排水措施。（3）洞身为砂岩夹泥页岩，质软，节理发育，开挖过程中，拱部易产生掉块、坍塌等，应加强隧顶超前支护措施，确保工程及施工安全。隧道底部泥岩遇水易软化，特别是反坡地段尤为突出，建议设计加强隧底处理。（4）隧址区内软质岩主要为对隔水层岩组三叠系下统溪口组（T1x）中的泥岩、泥质粉砂岩、页岩，岩体破碎，极易软化，隧道施工时加强超前支护、及时衬砌，防止再次塌方冒顶及影响山坡稳定性。（5）DK1+490～DK1+540为断层破碎带、DK1+540～DK1+720为断层影响带，易发生突水涌泥，施工中应加强超前地质预报，做好超前地质钻探。（6）隧道施工会对隧道顶部地下水进行疏干，对居民生产、生活造成影响，应采取相应堵水措施。8结束语桃山隧道DK0+160～DK1+720发生涌水突泥，主要影响因素是洞身岩石风化差异较大，岩体破碎，地下水水量较大，且极易造成岩体软化，在施工过程中应做好超前地质预报，加强洞内排水，加强超前支护、及时衬砌，确保安全通过涌水突泥段。

参考文献

[1]秦殿明.浅谈宋家山隧道涌水、突泥和溶岩等不良地质段处治技术[J].科技创业家，2011(12)：34.

[2]曲绍恒.浅谈隧道工程涌水突泥成因及预防整治措施[J].建筑模拟，2019(6)：56.

[3]铁路工程水文地质勘察规范：TB10049—2014[S].北京：中国铁道出版社，2015:100-105.

[4]铁路工程不良地质勘察规程：TB10027—2012[S].北京：中国铁道出版社，2012:54-67.

作者:严国铸 单位:核工业华南工程勘察院