郴州市獅子山隧道工程水文地質(zhì)特征分析

劉立萍，王自平

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇二大隊(duì)，湖南郴州 423000）

獅子山隧道是資興市新區(qū)唐鯉大道公路段的重要工程之一，位于湖南省資興市新區(qū)唐鯉大道的中段。隧道進(jìn)出口為斜坡，軸線方向呈南北向，隧道設(shè)計(jì)為拱式，寬約15.00 m，最大埋深為66.00 m，左線隧洞長約610 m，右線隧洞長約560 m，縱坡坡度在+1.947%～-2.763%。

本文為查明隧址區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，對相關(guān)隧址區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)勘察，并對場地水文地質(zhì)條件、隧道圍巖巖性及其工程地質(zhì)特征、隧道洞口及洞身的穩(wěn)定性等進(jìn)行了分析，以期為該隧道工程的設(shè)計(jì)、施工提供定量參數(shù)指標(biāo)，并根據(jù)本場地巖溶灰?guī)r及其水文地質(zhì)特征，提出相應(yīng)的整治措施。

1 隧址區(qū)水文、工程地質(zhì)概況

1.1 氣象水文

隧址區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，日照強(qiáng)烈，四季分明。年降雨量為1 085～2 247 mm，多年平均降雨量為1 466.5 mm，日最大降雨量為295.3 mm，最高氣溫為41.3℃，最低氣溫為-9.0℃，年平均氣溫為17.8℃。

1.2 地形地貌

隧址區(qū)所處地貌單元為低山丘陵地貌，地面高程一般在131.0～213.0 m之間，坡角為20°～30°，隧道山體表面多發(fā)育茅草和少量灌木。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高為130.10 m，地表水、徑流水流向?yàn)楸泵嫦颉?/p>

1.3 地層巖性

隧址區(qū)主要出露地層為石炭系地層（C1），進(jìn)出口段表層以第四系松散人工填土（Q4ml）、殘積粉質(zhì)黏土（Q4el）為主，局部地段出露淤積的淤泥質(zhì)土（Q4pl）。基巖巖性主要由石炭系炭質(zhì)頁巖夾砂巖（C1d）、石炭系強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r及中風(fēng)化灰?guī)r（C1y）等組成。

1）粉質(zhì)黏土：呈褐黃色、褐紅色，稍濕至濕，硬可塑狀態(tài)。成分以黏粒為主，含少量強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r或風(fēng)化粉砂巖碎屑；韌性中等，干強(qiáng)度中等，刀切面較光滑，搖振無反應(yīng)。該層厚度為0.70～25.00 m，全場分布。

2）炭質(zhì)頁巖：沉積成因，灰黑色，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石極破碎，巖芯呈薄片狀至土狀，含炭，易污手，力學(xué)強(qiáng)度低，水理性質(zhì)差。

3）石炭系強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r（C1y）：沉積成因，灰色，強(qiáng)風(fēng)化，裂隙較發(fā)育，含炭，裂隙面一般呈灰白色，巖體較破碎，有溶蝕現(xiàn)象，溶蝕面多有鈣華富集，局部發(fā)育有溶洞，厚度為1.80～22.70 m。

4）石炭系中風(fēng)化灰?guī)r（C1y）：沉積成因，灰色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造。裂面含炭，巖芯較完整，巖質(zhì)較硬，裂隙稍發(fā)育，裂隙面一般較新鮮，巖石較完整，厚度大。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的不良地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001）的附件《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》，地震動峰值加速度為0.05 g，不考慮遠(yuǎn)震，隧道區(qū)地震基本烈度Ⅵ度，屬相對穩(wěn)定地塊。

2 隧址區(qū)水文地質(zhì)特征

隧址區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙水、基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水及灰?guī)r巖溶裂隙水，其補(bǔ)給、逕流、排泄條件主要受巖性及地形控制。各含水層富水性分述如下：

1）第四系孔隙水，主要賦存于殘坡積層中，分布范圍較廣，含水層厚度變化大，富水性弱，主要受大氣降水直接滲入補(bǔ)給。水位埋深為3.50～12.60 m，隨季節(jié)變化明顯。隧址區(qū)范圍內(nèi)未見地下水露頭，地下水一般向溝谷鄰區(qū)逕流排泄。

2）炭質(zhì)頁巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水，主要賦存于炭質(zhì)頁巖風(fēng)化帶中，含水介質(zhì)為基巖風(fēng)化裂隙、層間裂隙及構(gòu)造裂隙，含水性不均一，富水性受風(fēng)化裂隙與構(gòu)造裂隙控制，主要接受大氣降水及上部松散層孔隙水補(bǔ)給，順層間裂隙、構(gòu)造裂隙向地勢相對較低處以間歇性下降泉的形式排泄，水位埋深在11.30～30.60 m，透水性較差。

3）灰?guī)r巖溶裂隙水，主要賦存于炭質(zhì)頁巖與灰?guī)r的不整合接觸面、灰?guī)r巖溶裂隙及溶洞中，富水性不均一，主要受地形、巖溶裂隙發(fā)育程度等控制，其水位埋深在16.1～42.60 m，屬中等—強(qiáng)富水性。隧道施工時(shí)，局部溶洞發(fā)育部位可能存在透水或涌水現(xiàn)象。

隧道進(jìn)口段為斜向坡，據(jù)鉆孔揭露，仰坡表部為殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，裂隙較發(fā)育，巖體極破碎，穩(wěn)定性極差，仰坡進(jìn)口段需進(jìn)行加固后方可進(jìn)洞。洞身段在ZK29～ZK44鉆孔揭露顯示以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r為主，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，弱透水層，頂部若無支護(hù)易產(chǎn)生坍塌，可采用導(dǎo)洞或臺階分步開挖，二次復(fù)合支護(hù)。隧道出口段為斜向坡，仰坡表部為殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為中風(fēng)化灰?guī)r，風(fēng)化巖體厚度較小，穩(wěn)定性較差，需加固處理后方可進(jìn)洞，見圖1、圖2。

圖1 左線隧道工程地質(zhì)縱剖面

圖2 右線隧道工程地質(zhì)縱剖面

在隧道左線ZK29和ZK36及右線LK1+540～LK1+610地段均有揭露灰?guī)r溶洞。這些溶洞主要發(fā)育在炭質(zhì)頁巖與灰?guī)r的不整合接觸面上，富水性較強(qiáng)。為了對隧道涌水量進(jìn)行合理地評價(jià)，需要求取水文地質(zhì)參數(shù)含水層滲透系數(shù)K、影響半徑R。在勘察過程中，ZK29、ZK36鉆孔揭露巖溶裂隙較發(fā)育，鉆孔見水量大，故選擇對兩個(gè)孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 抽水試驗(yàn)成果

3 隧道涌水量預(yù)測與評價(jià)

3.1 隧道涌水量預(yù)測

根據(jù)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件，綜合考慮各種因素，采用大氣降水法和集水廊道法對隧道日平均涌水量進(jìn)行分析預(yù)測。

1）大氣降水法。其計(jì)算公式為：

式中：α為大氣降水入滲系數(shù)，采用勘察報(bào)告中的取值0.2；F為集雨面積，按照隧道兩側(cè)各400 m計(jì)；P為降雨量，按當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅縼碛?jì)。

按α＝0.2，F(xiàn)=497 150 m2，P＝1.47 m計(jì)算，可得Q0=400.44 m3/d。

2）集水廊道法。集水廊道滲流量示意見圖3。

圖3 集水廊道滲流量計(jì)算方法

單寬滲流量計(jì)算公式見式（2）：

式中：k為滲透系數(shù)，根據(jù)抽水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)平均值，k=0.123 m/d；H為含水層厚度，根據(jù)報(bào)告中地下水靜止水位平均值與隧道平均高程差值得到。h為隧道內(nèi)水深，假設(shè)隧道內(nèi)是干的，取h=0。L為橫向的影響半徑，根據(jù)計(jì)算得到。

積水廊道兩側(cè)的總流量計(jì)算公式見式（3）：

式中：q為單寬滲流量；L0為垂直于紙面的廊道縱向長度。

按L0=530 m，K=0.123 m/d，H=25.2 m，h=0，L＝88.73 m計(jì)算，可得Q=933.3 m3/d。

3.2 水文地質(zhì)評價(jià)

隧址區(qū)地下水賦存于巖石節(jié)理裂隙中，主要靠大氣降水補(bǔ)給。由于裂隙多被充填，且向下漸閉合，淺層巖體透水性一般較強(qiáng)，深部巖體透水性一般較弱。淺埋地段洞身圍巖透水性較強(qiáng)，地下水易呈股狀或涌流狀流出。

場地內(nèi)巖溶形態(tài)主要以溶洞為主，場地內(nèi)ZK39發(fā)現(xiàn)鉆孔溶洞1處，發(fā)育深度在15.2～19.8 m，溶洞高4.6 m，溶洞內(nèi)全部充填黏土，黏土呈軟塑狀；場地內(nèi)ZK40發(fā)現(xiàn)鉆孔溶洞1處，發(fā)育深度在34.5～37.0 m，溶洞高2.5 m，溶洞內(nèi)全部充填黏土，黏土呈軟塑狀。

根據(jù)鉆孔在進(jìn)口段、洞身段、出口段的探查結(jié)果可知：LK1+540～LK1+610地段揭露有灰?guī)r溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，該區(qū)域灰?guī)r富水性較強(qiáng)，施工過程中可能存在透水現(xiàn)象，根據(jù)抽水試驗(yàn)成果預(yù)測的隧道地下水涌水量達(dá)到878.71 m3/d，是本區(qū)應(yīng)重點(diǎn)防范透水地段。

3.3 地下水效應(yīng)評價(jià)

場地基巖地下水主要賦存于基巖裂隙和巖溶溶洞中。根據(jù)本隧址區(qū)鉆孔揭露的基巖情況可以看到，基巖主要為灰?guī)r和炭質(zhì)頁巖，強(qiáng)風(fēng)化頁巖一般節(jié)理裂隙發(fā)育，故一般為強(qiáng)透水層；中風(fēng)化巖節(jié)理裂隙較發(fā)育或不發(fā)育，且多為閉合，一般為弱—微透水層。由于地形利于地下水排泄，故大氣降水后，滲入補(bǔ)給的地下水在幾天內(nèi)會自然疏干。

隧道地層中炭質(zhì)頁巖主要以大氣降水補(bǔ)給為主，水量較貧乏，弱富水，受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、大氣降水周期及降水量控制顯著；灰?guī)r裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)。場地內(nèi)隧洞底板標(biāo)高在141.50～155.60 m，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高為130.10 m，隧道底板標(biāo)高高于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，有利于隧道開挖后的自然排水，只要做好隧道排水溝等設(shè)施，可以有效降低隧址區(qū)的地下水水位，不會對隧道底板起到頂托作用。

4 隧道施工建議

1）根據(jù)本隧道進(jìn)口段的圍巖地質(zhì)情況，建議進(jìn)出洞口段加強(qiáng)洞頂?shù)姆雷o(hù)措施，防止冒頂片幫事故發(fā)生；施工時(shí)應(yīng)注意及時(shí)排水，防止軟弱圍巖因浸泡時(shí)間過長而軟化，預(yù)防坍塌事故發(fā)生。

2）炭質(zhì)頁巖與灰?guī)r不整合接觸面部位巖石極破碎、巖溶較發(fā)育，可能存在坍塌、透水等事故隱患，尤其在LK1+540～LK1+610揭露有灰?guī)r溶洞的地段。建議在加強(qiáng)鉆孔地下水水位動態(tài)觀測的同時(shí)，密切監(jiān)測隧道內(nèi)的地下水水壓和涌水量，采用超前探水、預(yù)疏干等預(yù)防措施，盡可能防止透水事故的發(fā)生。