南方某鐵路隧道高承壓水段落勘察

張顯明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 地質概況

該隧道進口位于廣東省，全長5 406 m，最大埋深約465 m。本地區(qū)屬亞熱帶半濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，年平均降水量1 598 mm，年最大降水量2 138.8 mm，年平均蒸發(fā)量1 442.4 mm，年最大蒸發(fā)量1 685.8 mm，降水量遠大于蒸發(fā)量。

隧址區(qū)地層巖性主要為第四系殘坡積粉質黏土、石炭系下統(tǒng)灰?guī)r、頁巖，奧陶系中下統(tǒng)千枚巖、石英砂巖、頁巖和砂巖及燕山期花崗斑巖。

隧道于IDK340+000～IDK340+100段通過一小型向斜，巖性主要為奧陶系中統(tǒng)縮尾群(O2sw)弱風化千枚巖夾變質石英砂巖，向斜于線位小里程側巖層產狀為105°∠58°，大里程側為 350°∠35°。向斜核部巖層產狀平i緩，裂隙發(fā)育，為儲水構造，區(qū)內富水。

綜合物探解析、區(qū)域地質資料(1/20萬、1/5萬)、調繪資料及鉆探、試驗資料分析，本隧道穿過9條斷層及其次生斷層，帶內巖體破碎并富水，異常帶內電阻率為50～200Ω·m，分析認為低阻異常是由于二長花崗斑巖體侵入造成對地下水的阻隔而富水所致。

2 區(qū)域水文地質條件勘察

2.1 綜合勘察

該隧道前期勘察階段在充分收集、研究1/20萬、1/5萬區(qū)域地質資料、航片判釋和隧道外業(yè)地質調繪的基礎上，結合工程設計情況，合理布置了物探及勘探孔，用EH-4大地音頻電磁法及高密度電法貫穿該隧道，根據(jù)隧道地層巖性、地質構造、地層接觸帶、地形埋深情況，在隧道進出口及洞身段共布設淺孔9個和深孔2個，并在孔內進行了孔內攝像、綜合測井、水文測井、深孔抽水試驗、放射性測試、巖土及水質分析室內試驗等工作，基本查明了該隧道的地層性質、風化層厚度、地質構造、地層接觸帶及地下水的分布和富水情況，并提出了高承壓水分布段落以及超前預報重點段落及方法。

2.2 區(qū)域水文地質調查

區(qū)域水文地質資料研究精度較低，根據(jù)水文地質調查，洞身地表發(fā)育深切溝谷，多常年流水，并形成各種小瀑布，流量較大，雨季水量增加;在隧道洞身附近的溝谷出露有泉水，山體多處出露下降泉，流量27.7～157.3 m3/d。

2.2.1 地下水的賦存條件及類型

測區(qū)地處亞熱帶，雨量充沛，地下水的補給來源充足。隧道出口端分布多條北東向的斷層破碎帶及其影響帶、多條花崗斑巖侵入接觸帶，巖層較為破碎，裂隙發(fā)育，為地下水的富集及徑流提供了較好的空間和通道。斷層對地下水的賦存及徑流有明顯的控制作用;花崗斑巖侵入體，具有一定的阻水作用，使地下水排泄不暢(地表泉水較少)，水壓上升。隧道洞身地段的地下水主要為基巖裂隙水，出口端多具承壓性。

根據(jù)現(xiàn)場調查，結合鉆探資料及區(qū)域資料綜合分析，預測隧道進口地段涌水量較小，地下水不發(fā)育，隧道出口地段，特別是溝谷淺埋地段，巖體破碎，受構造影響，隧道開挖時突水可能性大。采用大氣降水入滲法、地下水動力學法及地下徑流模數(shù)法對隧道涌水量進行預測，綜合以上兩種計算方法，本隧道正常涌水量取10 023 m3/d，最大涌水量取14 282 m3/d。

2.2.2 地下水補給條件

本隧道地下水主要接受大氣降水入滲補給、地表溝水入滲補給和基巖裂隙水側向補給，地下水補給充沛。隧址區(qū)地表未見水庫和大型河流，但分布較多具有季節(jié)性和常年流水的溝谷，溝谷水流的源頭起自隧址區(qū)。

2.2.3 地下水徑流、排泄條件

本隧道地下水(基巖裂隙水)普遍具有埋藏淺的特點，但受巖漿侵入體的作用，地下水徑流途徑受組，排泄不暢(調查時少見泉水)，但附近斷裂切穿不同含水巖組，成為深循環(huán)的徑流通道。

3 承壓水段落勘察

3.1 勘察方法及原則

根據(jù)區(qū)域資料及大面積地質調繪并結合物探成果，為查明隧道通過地段工程地質及水文地質情況，尤其是查清楚斷層帶富水情況和承壓水發(fā)育情況，必須選擇合適位置進行深孔鉆探，并結合深孔鉆探進行孔內綜合測井工作。該工作的重點在于深孔位置的確定及深孔測井資料的分析整理。

由于深孔鉆探的難度大，成本高，工期長，深孔數(shù)量的確定及位置的選擇顯得非常重要，該項工作必須建立在充分研究物探成果及地質調繪成果的基礎之上，做到有的放矢，一孔多用，避免簡單按照鉆孔間距控制原則來計算深孔布置數(shù)量。深孔的位置選擇首先要考慮該位置需要解決的重點地質問題。該隧道勘察的深孔布置就是選擇了物探低阻帶及地表有泉眼出露的溝谷地帶，初步分析了地質構造及地層變化接觸情況，認為有必要查清楚該段地下水富水情況，查明其地下水流量、水壓極其在洞身以上部分空間分布發(fā)育和變化情況，以便結合前后資料整體分析隧道走向范圍承壓水分布發(fā)育情況。

其次，由于深孔鉆探的困難性和特殊性，在初步確定深孔平面布置的位置后還需到現(xiàn)場進一步踏勘鉆探設備進場條件，有些斷崖、峭壁等無法到達的地方需要重新調整位置，盡量做到既能達到勘探目的，同時控制勘探成本、人員安全和工期需要。本隧道勘察時在分析利用9個淺孔資料的基礎上共增加布置深孔2個。

3.2 深孔鉆探工作重點及內容

深孔鉆探主要目的是查明隧道洞身部分地層變化情況及巖體破碎情況，在富水隧道還有查明和確定含水層部位、厚度及含水層間補給關系的重要作用。深孔鉆探工作的主要內容除了巖芯鉆取和描述外，一項更重要的工作是做好深孔抽水試驗及孔內綜合測井工作，所采用的測試方法有:三側向電阻率、梯度電阻率、自然電位、人工伽瑪、自然伽瑪、聲波速度、井液電阻率、井溫、井徑、井斜等，分析綜合各測井曲線在不同地層中所表現(xiàn)出的物性特征、曲線變化形態(tài)、幅值大小、物性數(shù)值變化范圍，結合鉆探資料來劃分地層、判斷構造、確定巖體完整性和風化程度，確定含水層部位及含水層間補給關系，同時在花崗巖地層須測量放射性對施工人員安全影響。

3.3 深孔鉆探及綜合測井成果

鉆探顯示隧道通過的地層內賦存地下水，主要為基巖裂隙水，進口段經(jīng)鉆孔提水試驗知基巖裂隙水水量不大;但出口端 SSZ-9、DSBJSZ-6、DSBJSZ-7鉆孔均揭示出承壓水，尤其SSZ-9與DSBJSZ-7鉆孔揭示的承壓水水量較大，自孔口向外溢出。

SSZ-9勘探孔位于IDK341+044左8 m，孔口高程183 m，設計孔深141 m，實際孔深141.5 m。施鉆過程中孔深36 m開始涌水，涌水量0.5 m3/h，水頭高于孔口1.3 m;孔深68.2 m時涌水量增大，涌水量0.8 m3/h，水頭高于孔口1.9 m;孔深126 m時涌水量最大，流量達16.68 m3/h，經(jīng)長達30 d的觀測，流量穩(wěn)定，孔口測水壓達0.42 MPa。終孔后做綜合測井及水文測井試驗，結果反映:巖體在36～48、60～65.1、95.6～97.6、109.6～128.6 m破碎。由井液電阻率和井溫曲線反映，113.00～118.00 m為含水層，地層水滲出向井口補給，水量較大。

DSBJSZ-7勘探孔位于D3K342+260左88 m，施鉆過程中孔深38 m開始涌水，涌水量達4.5 m3/h，流量穩(wěn)定。

3.4 鉆探成果分析

IDK340+940～IDK341+200段根據(jù)SSZ-9鉆孔揭示承壓水的情況和地層巖性、地質構造及隧道的埋深等，該段隧道隧底處的水壓按靜水壓力計算約為2.0 MPa。

IDK341+560～IDK341+730段根據(jù)DSBJSZ-6鉆孔揭示承壓水的情況和地層巖性、地質構造及隧道的埋深等，該段隧道隧底處的水壓按靜水壓力計算約為1.0 MPa。

IDK342+140～IDK342+400段根據(jù)DSBJSZ-7鉆孔揭示承壓水的情況和地層巖性、地質構造及隧道的埋深等，該段隧道隧底處的水壓按靜水壓力計算約為1.2 MPa。

因地下水的復雜性，承壓水的段落及水壓可根據(jù)隧道超前地質預報和施工開挖情況進行調整。其中斷層破碎帶、侵入巖接觸帶、IDK340+940～IDK341+200強富水段、IDK342+140～IDK342+400強富水段、IDK342+600～IDK342+720強富水段必須采用超前地質鉆探預報，預報方法為TSP、地質素描、紅外探測、超前地質鉆探等，避免突水現(xiàn)象的發(fā)生。

4 施工階段勘察

施工階段勘察工作以超前地質預報為主。該隧道開挖階段啟動高風險隧道管理程序，在建各方認真履行各自職責并加強配合工作，重點做好超前地質預報工作和方案會商工作，做到“不探不挖，探不明不挖”，經(jīng)各方協(xié)調努力，保證了施工安全萬無一失。

施工階段勘察按照最嚴格超前地質預報方案，即以超前鉆探為主，必要時進行取芯鉆探，輔以TSP、地質素描、紅外探測等常規(guī)手段，超前預報實施前由設計單位出具專門的超前預報方案，經(jīng)建設單位研究批準后實施，超前地質預報結果分析以設計單位為主，并出具書面超前地質預報成果結論分析報告，方案會商須在各方充分研究地質背景資料的基礎上并結合實際開挖情況和治理效果不斷進行調整優(yōu)化，必要時還邀請業(yè)內知名專家到現(xiàn)場指導工作。

4.1 超前地質預報設計原則

(1)物探和鉆探相結合，以鉆探為主，長短結合。

(2)物探與鉆探互相驗證，延續(xù)整個預報段落。

(3)一般先物探，后鉆探，物探指導鉆探，鉆探應驗證物探異常。特殊地段需補充物探范圍，查明一定區(qū)域范圍地下水分布發(fā)育空間情況。

4.2 超前預報工作方法

(1)封閉掌子面，噴射20 cm厚C25混凝土。

(2)鉆探采用長短結合方法，探測掌子面前方圍巖的巖性、強度、完整性、富水性，然后根據(jù)掌子面素描觀察隧道圍巖的變化，統(tǒng)計節(jié)理組數(shù)及其形態(tài)的變化，推測前方可能出現(xiàn)突水的位置，對可能出現(xiàn)承壓水地段進行單孔水平鉆驗證。鉆孔時需安設孔口管及高壓閘閥，當遇有高壓水時，要立即安全拔出鉆具，關閉孔口管的高壓閥門，等待制定處理措施。

(3)一般在上臺階掌子面施作超前水平鉆孔，長鉆孔不少于3個，盡可能采取巖芯，對巖石成分準確定性，記錄好鉆進過程水量、水質變化情況。水量變化要求準確測量，每2 h測定一次。鉆孔位置距離拱頂開挖輪廓線約2～3 m，偏、仰角約10°，鉆孔長度大于50 m;短孔6 m長，在拱墻周邊均勻布置，外插角40°。

(4)超前鉆孔原則上應連續(xù)重疊式進行，重疊長度5～8 m，短鉆孔搭接長度3 m，無論何種情況，上下左右做安全儲備的止?jié){巖盤應不小于3 m。

(5)除鉆探外，每個開挖面均需進行地質素描，并結合使用紅外探水和 TSP進行綜合探測，必要時TSP203兩側邊墻同時施作。

(6)超前地質預報成果應提供橫、縱斷面圖及超前地質預報分析報告。根據(jù)超前地質預報結果組織會議討論，詳細制定下一步工作方案。

4.3 處理方案

承壓水段施工方案主要以加強超前支護及開挖后初期支護為主，為避免地下水流失對環(huán)境的破壞作用，具體措施以堵水為主，同時為避免水壓回升對隧道結構影響，做好限量排放工作。其安全風險控制重點環(huán)節(jié)是做好超前支護措施，避免突水事故發(fā)生，要求開挖時加強超前帷幕注漿監(jiān)督程序，認真做好注漿后檢測工作，注漿效果不理想時須重新研究注漿液選擇和工藝調整。

由于前期勘察工作比較到位，及時發(fā)現(xiàn)并關注了高承壓水問題，雖然因其他因素線路無法繞避高承壓水段落，但環(huán)環(huán)相扣的勘察程序為該隧道能安全通過該高風險段落創(chuàng)造了條件，也為同類型非可溶巖隧道承壓水勘察和施工積累了經(jīng)驗。

［1］ TB10012—2007、J124—2007 鐵路工程地質勘察規(guī)范［S］.

［2］ TB10027—2001、J125—2001 鐵路工程不良地質勘察規(guī)程［S］.

［3］ TB10013—2010、J1089—2010 鐵路工程物理勘探規(guī)范［S］.

［4］ TB10049—2004、J339—2004 鐵路工程水文地質勘察規(guī)程［S］.

［5］ 鐵建設［2008］105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南［S］.

［6］ GB50108—2001 地下工程防水技術規(guī)范［S］.