渭河隧道水文地質(zhì)條件分析對(duì)“V”形坡設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化與施工建議

李顯偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 西安 710043)

考慮通風(fēng)、排水、施工等因素，隧道縱斷面坡度一般采用單面坡設(shè)計(jì)，對(duì)于地下水發(fā)育的山嶺特長隧道而言，一般優(yōu)先采用“人”字坡設(shè)計(jì)方案[1]，如西康鐵路秦嶺特長隧道[2]、目前國內(nèi)最長的青藏線西格段關(guān)角鐵路隧道[3]及秦嶺終南山公路隧道[4]等交通隧道。但由于受到特殊的工程地質(zhì)條件或已有建構(gòu)筑物的影響，一些隧道不得不采用“V”字形的整體設(shè)計(jì)方案，如本文研究的寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道。對(duì)于此類隧道，對(duì)其在施工期及運(yùn)營期的涌水量預(yù)測(cè)及與排水設(shè)施的匹配是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。

涌水量的預(yù)測(cè)一直是隧道水文地質(zhì)勘察工作的研究熱點(diǎn)。涌水量預(yù)測(cè)有3類方法[5]，一類是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)中以裘布依公式為代表的穩(wěn)定流理論和以泰斯公式為代表的非穩(wěn)定流理論提出的隧道涌水量預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)量化公式，這類公式因其簡(jiǎn)單實(shí)用，也具有可對(duì)比性，仍然被勘察設(shè)計(jì)單位采用。另一類方法是地下水?dāng)?shù)值計(jì)算方法，這類方法相對(duì)比較準(zhǔn)確，但初始輸入條件的正確性是其關(guān)鍵。第三類方法為一些綜合分析類智能方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法等，這類方法的關(guān)鍵點(diǎn)是研究工程與已有數(shù)據(jù)庫內(nèi)的工程有相似性，也需要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持。

針對(duì)渭河隧道“V”字形設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了渭河隧道沿線的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，對(duì)渭河隧道各富水段落進(jìn)行施工及運(yùn)營期的涌水量預(yù)測(cè)，優(yōu)化了隧道設(shè)計(jì)方案，對(duì)隧道施工期可能出現(xiàn)的涌水涌泥問題提出了具體施工建議[6]。

1 工程概況

渭河隧道位于寶蘭客運(yùn)專線天水南站出站端，地處天水市花牛鎮(zhèn)至渭南鎮(zhèn)境內(nèi)，為雙線隧道，隧道開挖斷面尺寸12.2 m×7.79 m。隧道起訖里程DK770+028～DK780+040.7，全長10.013 km。受北山滑坡群和天水機(jī)場(chǎng)定向臺(tái)影響，線路以隧道設(shè)“V”形坡下穿渭河一級(jí)支流籍河及其河谷階地區(qū)，下穿長度約3.3 km，在河谷區(qū)設(shè)置有1號(hào)豎井和2號(hào)斜井。1號(hào)豎井位于里程DK773+200處籍河一級(jí)階地上，深60 m，為臨時(shí)性輔助施工出砟及排水設(shè)施，2號(hào)斜井位于里程DK774+700處的籍河河床及漫灘區(qū)，總長度800 m，用以輔助施工出砟及排水，并作永久運(yùn)營排水及逃生通道，隧道位置及輔助坑道布設(shè)見圖1。

圖1 渭河隧道平面布置

隧道經(jīng)過區(qū)域地形起伏較大，地面高程1 120～1 500 m，相對(duì)高差300～380 m。依據(jù)地形地貌特征，隧道先后穿越了籍河南岸的黃土梁峁區(qū)、籍河河谷階地區(qū)、籍河北山黃土梁峁區(qū)至渭河南岸。

隧道位于第三紀(jì)天禮盆地的東北部，為華里西期花崗巖及元古界變質(zhì)巖組成次級(jí)盆地邊緣，第三系地層整體抬升并微向北傾。隧道區(qū)未發(fā)現(xiàn)褶皺及斷裂構(gòu)造。

隧道洞身通過的地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、碎石類土，第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土，上第三系泥巖、砂巖，寒武系大理巖、片麻巖[7]。

隧道重點(diǎn)段籍河河谷區(qū)隧道洞身主要穿過上第三系泥巖、砂巖。泥巖天然密度為1.95～2.38 g/cm3，含水率一般在12.5%～18.1%，天然抗壓強(qiáng)度一般為0.423～5.890 MPa，自由膨脹率Fs為20%～81%，陽離子交換量63～240 mmol/kg，蒙脫石含量2.4%～20%，具弱膨脹性。砂巖的顆粒組成以粉粒為主，粒徑主要集中于0.01～0.075 mm，黏粒含量為14.9%，含水率一般在14.1%～15.0%，砂巖風(fēng)化嚴(yán)重，成巖作用差，含水條件較好?？傮w來看，上第三系地層工程性質(zhì)差，施工不當(dāng)易產(chǎn)生變形、坍塌等問題[8]。籍河河谷區(qū)地層巖性如圖2所示。

圖2 渭河隧道籍河河谷區(qū)地質(zhì)縱斷面

2 隧道區(qū)水文地質(zhì)條件及分段涌水量計(jì)算

2.1 隧道區(qū)水文地質(zhì)特征

隧道區(qū)地表主要河流為籍河，為渭河的一級(jí)支流，設(shè)計(jì)方案在天水二十里鋪(DK775+100附近)下穿藉河。隧道通過區(qū)地下水類型主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水。

松散層孔隙水主要分布于籍河河床、河漫灘及一級(jí)階地區(qū)粗圓礫土、卵石土中，水量較豐富，含水層厚2.0～14.0 m，河床地下水位埋深一般小于3.0 m，河漫灘地下水位遠(yuǎn)離河床逐漸加深，最深可達(dá)15.0 m，單孔出水量500～1 500 m3/d。隧道區(qū)松散層孔隙水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及籍河河水的側(cè)向補(bǔ)給。籍河河谷階地區(qū)約3.3 km范圍內(nèi)隧道洞身上部分布有粗圓礫土、卵石土含水層，對(duì)隧道施工影響較大。

基巖裂隙水主要賦存于上第三系泥巖、砂巖和寒武系大理巖、片麻巖中。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，籍河河谷區(qū)泥巖含水率一般在12.5%～18.1%，而北山滑坡區(qū)泥巖含水率一般在5.8%～10.5%，相對(duì)而言，籍河河谷區(qū)泥巖含水量較大。砂巖呈水平透鏡體狀分布于籍河河谷區(qū)泥巖下部，風(fēng)化嚴(yán)重，成巖作用差，含水條件較好，地下水具承壓性。寒武系大理巖、片麻巖受構(gòu)造影響，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，水量豐富，鉆孔揭示到該地層時(shí)，孔內(nèi)漏漿十分嚴(yán)重，揭示到地下水后，水位迅速上升至孔口，即孔內(nèi)發(fā)生了涌水現(xiàn)象。

總體來看，隧道先后下穿富水第四系松散層含水層、籍河、北山滑坡群，通過大理巖富水區(qū)，水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。

2.2 水文地質(zhì)試驗(yàn)

為查明渭河隧道下穿段涌水量，充分認(rèn)識(shí)隧道下穿段存在的各種風(fēng)險(xiǎn)，在分析區(qū)域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用水文地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探、試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)各含水層進(jìn)行分層抽、提水的試驗(yàn)，將獲得的各種相關(guān)水文地質(zhì)影響因素納入到水文地質(zhì)計(jì)算中，以確定滲透系數(shù)與涌水量關(guān)系，正確評(píng)判渭河隧道區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)環(huán)境。

該隧道在籍河河谷區(qū)先后對(duì)其中9個(gè)鉆孔進(jìn)行了分層抽、提水試驗(yàn)，計(jì)算各孔第四系松散層、泥巖和砂巖層的滲透參數(shù)，試驗(yàn)條件及計(jì)算參數(shù)詳見表1。

根據(jù)以上抽、提水試驗(yàn)結(jié)果可知，籍河河谷區(qū)粗圓礫土、卵石土含水層的滲透系數(shù)在38.60～68.06 m/d；泥巖含水層的滲透系數(shù)在0.012～0.09 m/d；砂巖含水層的滲透系數(shù)在1.61～4.67 m/d；泥巖夾砂巖互層滲透系數(shù)在0.123～0.233 m/d。北山滑坡區(qū)洞身泥巖的滲透系數(shù)在0.0025～0.025 m/d；大理巖夾片麻巖地層的滲透系數(shù)在0.05～0.15 m/d。

2.3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

渭河隧道水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，該隧道通過區(qū)地貌單元、地層巖性變化較大，綜合分析隧道通過區(qū)含水巖組類型，富水性分區(qū)，地形地貌及降雨量等因素，采用降水入滲法和地下水動(dòng)力學(xué)法，預(yù)測(cè)隧道正常涌水量及最大涌水量，經(jīng)對(duì)比分析選擇地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)結(jié)果。地下水動(dòng)力學(xué)法主要采用裘布依潛水完整式隧道涌水量預(yù)測(cè)公式和古德曼經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算[9]。

表1 籍河河谷階地區(qū)鉆孔抽、提水試驗(yàn)參數(shù)及滲透系數(shù)計(jì)算

裘布依潛水完整井隧道涌水量預(yù)測(cè)公式

古德曼經(jīng)驗(yàn)公式

式中Qs——隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d;

Q0——隧道通過含水體地段的最大涌水量，m3/d；

L——隧道通過含水體的長度，m；

K——含水體滲透系數(shù),m/d；

R——影響半徑，m；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m；

h——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深，m；

d——洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m。

預(yù)測(cè)該隧道正常涌水量在14 860 m3/d左右，可能最大涌水量在54 624 m3/d左右，涌水量較大。其中“V”字形下穿段正常涌水量約12 187 m3/d左右，可能最大涌水量約46 605 m3/d；籍河河谷區(qū)隧道DK772+700～DK776+000下穿段正常涌水量在6 791 m3/d左右，可能最大涌水量在24 093 m3/d左右。預(yù)測(cè)2號(hào)斜井正常涌水量在29 450 m3/d左右，可能最大涌水量在46 958 m3/d左右。

該隧道全長10.013 km，在泥巖中通過長度累計(jì)7.35 km，占整個(gè)隧道長度73.5%，隧道在籍河河谷區(qū)弱風(fēng)化泥巖中涌水量約占整個(gè)隧道涌水量的一半，涌水量較大。從分層抽、提水試驗(yàn)計(jì)算的滲透系數(shù)，以及土工試驗(yàn)土的物理力學(xué)指標(biāo)分析中可以看出，上覆黏質(zhì)黃土的泥巖同上覆具有集中供水意義的粗圓礫土、卵石土含水層的泥巖，在滲透性及土的物理力學(xué)性質(zhì)上存在明顯差異，這正是籍河河谷區(qū)弱風(fēng)化泥巖中涌水量相對(duì)較大的主要原因。

3 隧道籍河河谷區(qū)水文地質(zhì)問題分析

該隧道涌水量較大的兩處分別位于籍河河谷區(qū)和北山黃土梁峁區(qū)大理巖分布區(qū)，相對(duì)而言，籍河河谷區(qū)下穿段及2號(hào)斜井在施工中風(fēng)險(xiǎn)較大[10]，因此，對(duì)該隧道重點(diǎn)加強(qiáng)了籍河河谷區(qū)長約3.3 km的下穿段及其輔助坑道的調(diào)查、勘探和試驗(yàn)工作。

隧道在穿過3.3 km籍河河谷區(qū)時(shí)，洞身位于第四系全新統(tǒng)粗圓礫土、卵石土下部的泥巖弱風(fēng)化層中，由于上覆第四系含水層厚度較大，透水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好，水量較豐富，對(duì)下部泥巖強(qiáng)風(fēng)化層和弱風(fēng)化層均具有較強(qiáng)的補(bǔ)給作用，加之洞頂距第四系松散層底板20～35 m，距泥巖強(qiáng)風(fēng)化層底部6～30 m，而籍河河谷區(qū)上第三系泥巖工程性質(zhì)差，不排除受施工開挖影響，局部產(chǎn)生突、涌水、滲漏水的可能性。施工中若遇隧道塌方，可能與第四系松散層孔隙潛水或河水發(fā)生水力聯(lián)系，將存在一定量潛水或河水灌入式補(bǔ)給，造成嚴(yán)重突涌水事故。

在DK774+000～DK775+000段，隧道洞身底部分布有薄層或透鏡體狀砂巖，由于砂巖泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖作用差，富含地下水，一旦受到擾動(dòng)，工程性質(zhì)將急劇惡化，自穩(wěn)性差，塌落嚴(yán)重，同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生集中涌水、流砂、涌泥、圍巖收斂、變形等危害，工程施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高[11]。

2號(hào)斜井在斜4+10～斜7+10(對(duì)應(yīng)隧道里程DK774+290～DK773+990)段，約300 m范圍內(nèi)斜穿粗圓礫土、卵石土含水層，該段含水層滲透系數(shù)為40.95 m/d，預(yù)測(cè)該段斜井正常涌水量在27 595 m3/d左右，可能最大涌水量在41 393 m3/d，地下水對(duì)斜井施工影響很大，如果該段粗圓礫土、卵石土含水層施工時(shí)未封閉好，地下水會(huì)沿斜井進(jìn)入隧道，影響隧道正常施工及運(yùn)營；在斜0+00～斜2+30(對(duì)應(yīng)隧道里程DK774+700～DK774+470)段，約230 m位于砂巖含水層影響范圍內(nèi)，砂巖含水層具一定承壓性，且膠結(jié)及成巖作用差，開挖擾動(dòng)后呈粉砂狀，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重坍塌、集中涌水、流沙、變形等危害，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，詳見圖3。

圖3 2號(hào)斜井縱斷面

位于DK773+200處的1號(hào)豎井，深60 m，開挖尺寸16.8 m×8 m，上部為厚2～5 m的粗圓礫土含水層，預(yù)測(cè)該豎井正常涌水量在5 255 m3/d左右，可能最大涌水量在13 138 m3/d，水量較大。

由于隧道施工存在涌水涌泥等風(fēng)險(xiǎn)，隧道“V”形坡段及2號(hào)斜井地下水需永久抽排，因此，在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道涌水量具有十分重要的意義。從涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果看，預(yù)測(cè)“V”形坡段落正常涌水量約12 187 m3/d，可能最大涌水量約46 605 m3/d；2號(hào)斜井正常涌水量約29 450 m3/d，可能最大涌水量在46 958 m3/d，長期抽排地下水，不僅會(huì)給運(yùn)營部門造成較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且輔助坑道大量降、排地下水，對(duì)附近建筑物地基基礎(chǔ)亦可能產(chǎn)生一定影響[12]。

4 隧道方案優(yōu)化及施工建議

渭河隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)主要是施工時(shí)2號(hào)斜井及隧道下穿籍河河谷區(qū)的防、排水問題及運(yùn)營階段 “V”形坡段及2號(hào)斜井的長期抽排水問題。在籍河河床及漫灘區(qū)，隧道DK774+000～DK775+000段及2號(hào)斜井斜0+00～斜2+90段有砂巖分布，為避免產(chǎn)生集中涌水、流沙等危害，建議抬高隧道洞身位置及斜井底部高程，確保不揭露到砂巖地層。目前，線路最低點(diǎn)已向上抬高4.33 m，避開了砂巖地層。2號(hào)斜井施工時(shí)出水量很大，建議優(yōu)化2號(hào)斜井方案，采用豎井方案施工可相對(duì)減小安全風(fēng)險(xiǎn)，且豎井底部不能揭示到砂巖。目前，已采用2號(hào)、3號(hào)豎井代替了原2號(hào)斜井的施工方案。

位于籍河河谷區(qū)的1號(hào)豎井應(yīng)注意封閉好第四系粗圓礫土、卵石土含水層及泥巖強(qiáng)風(fēng)化層，以免上部地下水由于施工方法或防排水措施不當(dāng)通過豎井進(jìn)入隧道而增加“V”形坡段的排水壓力，同時(shí)，需及時(shí)做好1號(hào)豎井的降水及排水工作。目前，籍河河谷區(qū)已采用1、2、3號(hào)豎井輔助隧道施工，且預(yù)采用鉆孔咬合樁技術(shù)施工豎井，將大大減少施工中的排水量，降低隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

在籍河河谷區(qū)弱風(fēng)化泥巖中涌水量相對(duì)較大，且軟硬不均，屬極軟質(zhì)巖，且風(fēng)化程度及成巖作用不一，整體工程性質(zhì)差。同時(shí)，該泥巖具弱膨脹性，隧道開挖后易產(chǎn)生圍巖變形、坍塌、基底軟化等問題，施工中應(yīng)制定嚴(yán)格的施工措施和方案，加強(qiáng)初期支護(hù)，加強(qiáng)圍巖量測(cè)，及時(shí)施作二襯，并做好排水措施，防止施工用水對(duì)圍巖的影響，確保隧道施工和人員機(jī)具安全。

在DK777+800～DK779+350段，北山大理巖、片麻地層受構(gòu)造影響，大理巖巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，且連通性好，地下水賦存條件較好，水量較豐富，鉆探資料顯示有涌水現(xiàn)象，物探資料亦顯示該段存在低阻異常，應(yīng)提前做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，防止突、涌水現(xiàn)象的發(fā)生，并及時(shí)做好隧道正洞、出口平導(dǎo)及泄水洞的相應(yīng)防、排水措施。

5 結(jié)語

通過對(duì)寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道的水文地質(zhì)條件分析，采用分層抽、提水試驗(yàn)確定了各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算出隧道各段的涌水量，分析各段水文地質(zhì)條件對(duì)隧道施工的影響。根據(jù)對(duì)各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)及工程性質(zhì)分析，提出了抬高隧道洞身與變更2號(hào)斜井為豎井的優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)方案，并被采納。

考慮本工程的特點(diǎn)，“V”形坡運(yùn)營期間需長期抽排地下水，在滲透系數(shù)較大的圓礫土、卵石土含水層中，輔助坑道的設(shè)計(jì)施工宜采用鉆孔咬合樁，可大大降低隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

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