地下水對(duì)董志塬黃土隧道工程性質(zhì)的影響分析

劉俊平

(銀西鐵路有限公司,寧夏吳忠 751100)

銀西高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱銀西高鐵)是我國(guó)“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中南北方向的重要鐵路通道之一，線路正線總長(zhǎng)達(dá)618 km，途經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省區(qū)(圖1)，銀西高鐵的修建將對(duì)我國(guó)西北地區(qū)關(guān)中城市群的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用，是推動(dòng)“一帶一路”建設(shè)和實(shí)施“西部大開發(fā)”國(guó)家戰(zhàn)略的重要舉措。

受地形地貌和線路方案控制，銀西高鐵在甘肅從

寧縣至慶城縣段自南向北跨越整個(gè)董志塬，通過里程長(zhǎng)達(dá)90 km[1]。董志塬在學(xué)術(shù)界被譽(yù)為“世界黃土第一塬”，是世界上面積最大的典型黃土高原地貌[2-3]，由于其位于我國(guó)西北隴東黃土高原地區(qū)，故又稱董志塬為“隴東黃土塬”。我國(guó)學(xué)者結(jié)合工程建設(shè)，對(duì)董志塬區(qū)的巖土體工程特性開展了諸多研究。孟祥連等[2]、李萍等[4]對(duì)董志塬區(qū)黃土的工程特性及典型工程地質(zhì)問題進(jìn)行了初步研究。張曉宇[1]以上閣村隧道為例，采用數(shù)值仿真分析了地下水滲流對(duì)隧道工程的影響機(jī)理。張哲[5]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析了隴東黃土塬區(qū)沖溝溯源侵蝕作用的主要影響因素、機(jī)理和演化過程，探討了黃土地區(qū)溯源侵蝕作用可能對(duì)已建鐵路工程產(chǎn)生的不良影響。王治軍等[6]基于原位大型浸水試驗(yàn)和理論分析，研究了隴東黃土塬區(qū)黃土的濕陷特征。李紅溪[3]、鄭芳文[7]總結(jié)了董志塬區(qū)地下水位近30年的變化特征，重點(diǎn)分析了地下水位下降的原因。張穎[8]探討了銀西高鐵南惠隧道工程對(duì)穿越區(qū)周邊地下水井和地表水體的環(huán)境影響，并提出了相應(yīng)的地下水環(huán)保措施。周福軍[9]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬，對(duì)銀西高鐵沿線的典型驛馬滑坡發(fā)育特征、坡體結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。已有文獻(xiàn)研究表明[10-20]，地下水的分布及其變化對(duì)隧道工程的施工帶來諸多困擾，甚至引發(fā)隧道涌水、塌方等事故，同時(shí)，隧道工程的建設(shè)會(huì)間接改變地下水的賦存環(huán)境和分布，隧道開挖將對(duì)洞身穿越區(qū)的地下水環(huán)境產(chǎn)生不利的的影響。

銀西高鐵均以長(zhǎng)距離慢坡隧道形式穿越董志塬上塬面和下塬面，由于董志塬區(qū)地下水分布特征較為特殊，加之黃土自身的大孔隙、節(jié)理面較多、復(fù)雜結(jié)構(gòu)性和水敏感性特征[21-22]，位于地下水位上下土層中的隧道洞身圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)有一定的差異性，董志塬區(qū)地下水的存在對(duì)銀西高鐵隧道工程的性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，有可能引發(fā)一系列隧道病害，一定程度上會(huì)影響隧道工程的施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。

鑒于此，基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和室內(nèi)外試驗(yàn)，在對(duì)董志塬區(qū)黃土工程性質(zhì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)董志塬區(qū)地下水的分布特征進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，并進(jìn)一步分析地下水對(duì)董志塬區(qū)黃土隧道工程性質(zhì)的影響，以便為銀西高鐵在董志塬區(qū)隧道工程施工安全提供理論指導(dǎo)。

1 董志塬區(qū)黃土工程性質(zhì)

1.1 地層巖性

董志塬南北方向總長(zhǎng)約110 km，東西方向?qū)?5～50 km，呈南北方向狹長(zhǎng)帶狀分布，塬心黃土層厚度達(dá)200～300 km，塬面面積約2.26×103km2，目前是我國(guó)也是世界上黃土高原面積最大、黃土層沉積最厚的黃土塬，其較完整地揭露了“風(fēng)成”黃土的典型地貌類型和地層巖性特征(表1)。董志塬塬面剝蝕作用輕微，地勢(shì)平坦，無不良地質(zhì)，而塬邊支離破碎，沖溝、陷穴、落水洞、滑坡等極其發(fā)育，整體呈中間高四邊低的“草帽形”(圖2)。

圖2 董志塬地形

董志塬表層為第四系全新統(tǒng)堆積黃土(Q4al+pl)，主要分布于塬邊斜坡坡面，塬心表面零星分布，呈淡黃色或灰黃色，含較多植物根系，塬面厚0.3～5 m，以硬塑為主；塬邊為崩塌、錯(cuò)落堆積體，厚3～20 m，呈硬塑-軟塑狀。成分以粉粒為主，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)疏松。

第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Q3eol)主要分布于黃土塬表層，淺黃色為主，厚度10～25 m，直立性好，垂直節(jié)理發(fā)育，大孔隙及根、蟲孔發(fā)育，成分以粉粒為主，土體疏松，土質(zhì)較均，可見蝸牛殼或白色鈣質(zhì)菌絲，底部分布1～3層淺棕紅色古土壤層，局部夾有不規(guī)則形狀姜結(jié)石，多為硬塑，該層黃土具有濕陷性。

第四系中更新統(tǒng)離石黃土(Q2eol)主要分布于塬面中部，棕黃色-褐黃色為主，厚度50～180 m，是銀西高鐵隧道洞身穿越的主要地層。成分以粉粒為主，土體較致密，具直立性，針狀孔隙發(fā)育，夾有10～14層古土壤層，單層厚度0.5～2.0 m，可見白色鈣質(zhì)菌絲，底部常具姜石層，硬塑。古土壤層具有弱膨脹性，該層頂部黃土局部具濕陷性。水位線附近分布一層軟塑狀黃土，呈層狀分布，厚3.5～8.5 m。

塬心底部局部沉積第四系下更新統(tǒng)午城黃土(Q1eol)，以棕紅色黏土、粉質(zhì)黏土為主，夾薄層鈣質(zhì)結(jié)核層，厚40～50 m，密實(shí)程度較高，具有相對(duì)隔水作用。

新近系上新統(tǒng)(N2)紅黏土或砂巖下伏于第四系中更新統(tǒng)黃土或下更新統(tǒng)黃土底部，呈不整合接觸，紅黏土多呈棕紅色，厚度一般大于30 m，成分以黏粒為主，結(jié)構(gòu)緊密，土質(zhì)硬，可見灰黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)或條紋，局部含白色網(wǎng)狀鈣質(zhì)菌絲，硬塑，具有弱膨脹性。紅黏土下部局部可見棕紅色砂巖，厚1.7～11.3 m，成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主，泥質(zhì)膠結(jié)，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖層膠結(jié)程度差，呈全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。

白堊系下統(tǒng)(K1)砂巖為基底巖層，分布于塬梁底部，呈青灰色-灰褐色，成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主，泥質(zhì)膠結(jié)，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。產(chǎn)狀水平為主，褶皺和斷裂不發(fā)育。

1.2 物理力學(xué)參數(shù)特征

對(duì)董志塬區(qū)黃土的物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)取樣主要集中在重點(diǎn)控制性隧道工程穿越的地層中，包括第四系中更新統(tǒng)離石黃土層和上更新統(tǒng)馬蘭黃土層中，以慶陽市寧縣內(nèi)的南惠隧道(也稱早勝三號(hào)隧道)工點(diǎn)為董志塬塬邊南部的地層巖性代表，以慶陽市西峰區(qū)內(nèi)的驛馬隧道(也稱包家灣隧道)工點(diǎn)為董志塬塬心的地層巖性代表，以慶陽市慶城縣白馬鋪鄉(xiāng)內(nèi)的慶陽隧道工點(diǎn)為董志塬塬邊北部的地層巖性代表，并分別對(duì)上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地下水位上下的地層進(jìn)行鉆孔取樣，鉆孔深度從地表至隧道基底埋深為準(zhǔn)，在鉆孔內(nèi)每隔1 m取原狀樣并在室內(nèi)進(jìn)行土工試驗(yàn)。除含水率外其余參數(shù)最終取平均值進(jìn)行分析，而對(duì)含水率取極大值和極小值進(jìn)行分析。得到董志塬區(qū)黃土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)成果如圖3～圖6所示。從圖中可以看出，物理力學(xué)參數(shù)隨地層巖性、位置和地下水位變化存在一定的差異性。

圖3 董志塬區(qū)黃土含水率變化趨勢(shì)

圖4 董志塬區(qū)黃土孔隙比變化趨勢(shì)

圖5 董志塬區(qū)黃土液性指數(shù)變化趨勢(shì)

圖6 董志塬區(qū)黃土壓縮模量變化趨勢(shì)

從圖3可知，第四系上更新統(tǒng)黃土和中更新統(tǒng)黃土的含水率變化分別為12.8%～22.2%、20.6%～26.1%，含水率從塬邊南部到塬邊北部依次增大，中更新統(tǒng)離石黃土的含水率比上更新統(tǒng)馬蘭黃土含水率略大。從圖4可知，第四系上更新統(tǒng)黃土和中更新統(tǒng)黃土的孔隙比變化分別為0.76～0.86、0.62～0.73，黃土的孔隙比從塬邊北部向塬邊南部依次減小，中更新統(tǒng)黃土孔隙比比上更新統(tǒng)孔隙比略小。從圖5可知，上更新統(tǒng)黃土的液性指數(shù)為0.10～0.17，中更新統(tǒng)黃土在地下水位以上和以下的液性指數(shù)范圍分別為0.36～0.81、0.69～0.81，液性指數(shù)從塬邊北部向塬邊南部依次增大，中更新統(tǒng)黃土的液性指數(shù)受地下水的影響較大，塬邊南部中更新統(tǒng)黃土基本呈軟塑狀，塬心地下水位以下的中更新統(tǒng)黃土基本呈軟塑狀，而塬邊北部中更新統(tǒng)離石黃土主要以可塑狀態(tài)為主。從圖6可知，上更新統(tǒng)黃土的壓縮模量為10.3～11.3 MPa，中更新統(tǒng)黃土在地下水位以上和以下的壓縮模量分別為10.5～13.5 MPa、6.5～8.3 MPa，黃土的壓縮模量在塬邊北部較大，而向塬邊南部逐漸減小，地下水位以上中更新統(tǒng)黃土壓縮模量略比地下水位以下中更新統(tǒng)黃土和上更新統(tǒng)黃土的壓縮模量略大。

總體來看，董志塬區(qū)黃土的含水率和液性指數(shù)在塬邊南部最大，其次為塬心，向塬邊北部依次減小；而孔隙比和壓縮模量在塬邊北部最大，其次為塬心，向塬邊南部依次減小。

2 董志塬區(qū)地下水分布特征

董志塬區(qū)地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，既具有松散層孔隙潛水的一般特征，又具有裂隙水的水力性質(zhì)[1]。含水層主要分布于中更新統(tǒng)黃土層，由于離石黃土顆粒較粗、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率高，因此，中更新統(tǒng)離石黃土層是黃土塬區(qū)主要的含水層，也是地下水的儲(chǔ)存空間和運(yùn)移通道。董志塬區(qū)地下水補(bǔ)給途徑主要為大氣降水的垂直入滲、地表水的側(cè)向、下滲補(bǔ)給等，排泄途徑主要有泉水天然排泄和人為開采兩種類型，董志塬居民生產(chǎn)生活用水的主要來源就是地下水。

董志塬區(qū)地下水埋深隨塬區(qū)位置和地形地貌有一定差異。塬心地下水水位埋深40～75 m，塬邊南部地下水水位埋深約50～85 m，塬邊北部地下水水位埋深80～146 m，沖溝地下水埋深1～20 m。總體上，董志塬區(qū)地下水埋深呈塬心淺而塬邊深，北塬地下水埋深略比南塬深。而含水層厚度則在塬心比較厚，可達(dá)30～60 m，向塬邊逐漸減小。塬心為中等富水性，逐步向塬邊轉(zhuǎn)化為弱富水性-貧富水性。在上塬和下塬時(shí)銀西高鐵隧道洞身大部分位于地下水位以下，含水層內(nèi)黃土基本呈軟塑狀，施工時(shí)存在突、涌水的可能性。

經(jīng)估算，位于塬心的驛馬1號(hào)隧道正常涌水量為2 563 m3/d，最大涌水量為5 127 m3/d，塬邊南部的南惠隧道正常涌水量為9 042 m3/d，最大涌水量達(dá)20 461 m3/d?？傮w看來，隧道涌水量與地下水位分布具有一定的關(guān)聯(lián)性，塬邊隧道受地下水的影響較大，尤其是位于地下水位以下的洞身在軟弱夾層等薄弱面處容易產(chǎn)生涌水現(xiàn)象，在施工中需要引起高度重視。

3 地下水對(duì)塬區(qū)黃土隧道工程性質(zhì)影響

董志塬區(qū)地下水的分布及其埋深變化對(duì)黃土隧道工程性質(zhì)的不良影響主要有：引起隧道圍巖及基底黃土的濕陷性；含水量過大使圍巖易形成軟塑狀黃土；地下水滲流排泄不通暢而引發(fā)隧道管涌、涌水、塌方、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

3.1 濕陷性

董志塬區(qū)黃土的濕陷等級(jí)、濕陷特性隨塬區(qū)南北位置存在一定的差異，塬邊北部的黃土濕陷性等級(jí)較高，一般為Ⅳ～Ⅲ級(jí)，而向塬邊南部黃土濕陷性等級(jí)逐漸減弱，一般為Ⅲ～Ⅱ級(jí)。塬邊沖溝、斜坡體的黃土濕陷性等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。塬邊北部濕陷土層厚度一般大于20 m，塬邊南部濕陷土層厚度減小至10 m。

地下水向隧道圍巖的滲透會(huì)降低圍巖黃土的力學(xué)強(qiáng)度，黃土結(jié)構(gòu)性迅速改變，隧道內(nèi)排水不暢或圍巖含水較高條件下，隧道基底部位黃土因浸泡而發(fā)生濕陷變形，如果基底處理不及時(shí)或處置不當(dāng)，會(huì)引發(fā)基底發(fā)生嚴(yán)重沉降或地面出現(xiàn)裂縫、不均勻變形等病害，對(duì)隧道安全施工和運(yùn)營(yíng)造成一定威脅。

3.2 軟塑狀黃土

從董志塬區(qū)地下水埋深及分布可知，經(jīng)過塬邊的隧道洞身大部分在地下水位以下，局部洞身處于含水層中。因此，軟塑狀黃土圍巖是董志塬塬邊隧道的典型特征，地下水的存在給軟塑黃土圍巖的開挖、出渣、初期支護(hù)、仰拱施作帶來了諸多困難。如何有效控制軟塑黃土隧道圍巖變形、安全快速進(jìn)行初期支護(hù)和二次襯砌，是塬邊軟塑狀黃土隧道施工中面臨的重大難題。以驛馬隧道為例，DK255+550～DK257+650段地下水位高出洞身約35 m，根據(jù)鉆探資料，含水層高程在1 312～1 351.7 m、1 352.4～1 369.2 m，約1.6 km長(zhǎng)度洞身處于含水層中，含水層厚度20～40 m，隧道拱頂、基底等長(zhǎng)段落穿越高富水軟塑黃土，施工階段可能出現(xiàn)突、涌水，圍巖失穩(wěn)等病害，給隧道施工造成極大風(fēng)險(xiǎn)。此外，基底厚層狀軟塑黃土給隧道基底處理引來難題，常規(guī)的基底處理措施難以適應(yīng)巨厚層軟塑黃土地基處理，也難以達(dá)到基底承載力和變形控制要求，在施工效率和施工進(jìn)度等方面也存在諸多困擾。因此，對(duì)軟塑黃土隧道基底處治措施的適應(yīng)性及有效性有待深入研究。

3.3 地下水滲流

由于黃土中存在較多節(jié)理面，隧道開挖也會(huì)形成一定的卸荷裂隙，節(jié)理面和裂隙往往會(huì)成為地下水滲流的通道，古土壤層在黃土層中具有相對(duì)隔水作用，通過節(jié)理面滲流的地下水則在古土壤層面匯集，容易在古土壤層上表面形成軟弱夾層，在地下水的長(zhǎng)期浸泡和溶解作用下，軟弱夾層及其附近土體強(qiáng)度逐漸下降，土體結(jié)構(gòu)松散，顆粒間膠結(jié)程度下降，數(shù)層古土壤層與軟弱夾層、天然黃土層交錯(cuò)互層的存在，會(huì)導(dǎo)致隧道開挖時(shí)在軟弱夾層處出現(xiàn)管涌、滲漏等現(xiàn)象。在雨季降大暴雨或鄰近水庫(kù)庫(kù)水排泄不及時(shí)情況下，隧道的開挖會(huì)間接改變地下水的排泄途徑，地下水可能會(huì)在隧道內(nèi)匯集，尤其是在存在于軟弱面處的地下水容易造成涌水，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成隧道塌方、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

地下水的存在對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工帶來諸多麻煩，為了消除安全隱患，建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理：(1)“勤監(jiān)測(cè)、早預(yù)測(cè)”，即加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖含水率、沉降及收斂變形的監(jiān)測(cè)頻率，預(yù)測(cè)掌子面圍巖可能遇到的地層類型及其含水狀態(tài)，在出現(xiàn)含水率突增或變形加劇的情況下，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和施工質(zhì)量，由專業(yè)人員及時(shí)分析原因，采取必要措施控制變形。(2)“早襯砌、勤支護(hù)”，在軟塑黃土隧道中應(yīng)做到隧道掌子面開挖后盡早襯砌，施作防水層，把握好二次襯砌最佳時(shí)機(jī)。(3)“速排水、防積水”，在地下水富余或受地下水影響較大的隧道內(nèi)，及時(shí)采用排水盲管將隧道內(nèi)的地下水排除洞外，杜絕在隧道內(nèi)出現(xiàn)積水或防排水措施失效，以避免由于地下水因素而引發(fā)的隧道病害或事故。(4)“防意外，保安全”，在地表出現(xiàn)裂縫、地表或圍巖出現(xiàn)較大變形、隧道出現(xiàn)涌水等突發(fā)情況時(shí)，應(yīng)立即暫停施工，啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序，組織專家分析原因并采取安全保障措施，待解除安全隱患后方可進(jìn)行后續(xù)施工。

4 結(jié)語

本文基于對(duì)董志塬區(qū)黃土地層工程性質(zhì)和地下水分布特征的總結(jié)，分析了董志塬區(qū)地下水對(duì)銀西高鐵隧道工程的影響，主要結(jié)論如下。

(1)董志塬區(qū)黃土物理力學(xué)性質(zhì)隨地層巖性、位置和地下水位變化存在一定的差異性，含水率和液性指數(shù)從塬邊南部向塬邊北部依次減小，孔隙比和壓縮模量從塬邊南部向塬邊北部依次增大。

(2)董志塬區(qū)主要的含水層位于第四系中更新統(tǒng)黃土層中，地下水埋深呈塬心淺而塬邊深，北塬地下水埋深略比南塬深；含水層厚度則在塬心比較厚，而向塬邊逐漸減小。

(3)董志塬區(qū)地下水對(duì)黃土隧道工程性質(zhì)的影響主要有：引起隧道圍巖及基底黃土的濕陷性；使圍巖易形成軟塑狀黃土；地下水滲流排泄不通暢而易引發(fā)隧道管涌、涌水、塌方、冒頂?shù)仁鹿省?/p>