水文地質(zhì)試驗(yàn)在隧道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用及涌水量預(yù)測(cè)

程小勇

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507)

隧道是公路交通工程中的重要構(gòu)筑物，特別是深埋特長(zhǎng)隧道往往是關(guān)鍵控制性工程，其中水文地質(zhì)勘察及涌水量的預(yù)測(cè)是隧道施工設(shè)計(jì)方案的重要組成部分，但因水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性及涌水理論和公式參數(shù)的制約，通常很難精準(zhǔn)判斷隧道涌水位置并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)涌水量。為此，需在水文地質(zhì)試驗(yàn)工作基礎(chǔ)上，采用合理的水文地質(zhì)概念模型和水文分析方法，最大限度地評(píng)估隧址區(qū)是否存在富水段落，并估算不同水文地質(zhì)條件下隧道洞身的涌水量，提前做好隧道涌水的預(yù)防措施[1-7]。

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔抽水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)是獲取隧道巖體滲透系數(shù)的主要方式。鉆孔抽水試驗(yàn)是通過(guò)鉆孔抽水，采用抽水量與水位降深值的函數(shù)關(guān)系式來(lái)計(jì)算含水層滲透系數(shù)的一種原位滲透試驗(yàn)。鉆孔壓水試驗(yàn)是按照某一指定深度將鉆孔分隔成若干鉆孔段，用不同的壓力對(duì)各試驗(yàn)段進(jìn)行壓水并測(cè)定其相應(yīng)的流量，由此得到巖體透水率滲透系數(shù)，是根據(jù)壓力和流量的關(guān)系來(lái)確定巖體滲透系數(shù)的一種原位滲透試驗(yàn)[8-11]。

根據(jù)抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)獲取的巖土體滲透系數(shù)，并結(jié)合其他綜合勘察成果，對(duì)隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般常選用降水入滲系數(shù)法、裘布依理論式及古德曼經(jīng)驗(yàn)式。有學(xué)者根據(jù)已建成通車(chē)的特長(zhǎng)隧道在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的涌水情況進(jìn)行分析研究[12-14]，認(rèn)為深埋特長(zhǎng)隧道在淋水狀出水時(shí)，多數(shù)為張性節(jié)理裂隙帶的富水所致，可采用降水入滲系數(shù)法、裘布依理論式進(jìn)行預(yù)測(cè)正常涌水量；遇到高壓股狀出水時(shí)，視為較大規(guī)模斷裂構(gòu)造帶導(dǎo)水所致，可采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行預(yù)測(cè)最大涌水量[3,14]。

本文依托擬建的深圳外環(huán)高速三期田頭山隧道工程，結(jié)合勘察鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)抽水試驗(yàn)、水位恢復(fù)試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)，采用降水入滲系數(shù)法、裘布依理論式及古德曼經(jīng)驗(yàn)式對(duì)隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析及評(píng)價(jià)。

1 田頭山隧道地質(zhì)特征

1.1 工程概況

擬建田頭山隧道是深圳外環(huán)高速三期關(guān)鍵控制性工程，為分離式隧道，里程樁號(hào)為K82+660～K87+712，單洞長(zhǎng)5 052 m，進(jìn)口標(biāo)高約61.9 m，出口標(biāo)高約68.5 m，縱坡采用人字坡，最大埋深約430 m，為深埋特長(zhǎng)隧道。隧址區(qū)位于剝蝕低山地貌區(qū)，線路軸線處最高標(biāo)高在K84+460，高約498 m，最低標(biāo)高在隧道出口附近，約69 m，相對(duì)高差約429 m。隧道走向與山脊走向近垂直，隧址區(qū)山體地形坡度總體上陡下緩，下部自然坡度一般30°～40°，中上部自然坡度一般50°～60°，局部為巖質(zhì)陡坎，山體植被發(fā)育。

1.2 工程地質(zhì)

隧道K82+660～K85+000段，為泥盆系上統(tǒng)雙頭群粉砂巖及其風(fēng)化層；K85+000～K86+000段，為泥盆系中統(tǒng)鼎湖山群粉砂巖；K86+000～K87+500段，主要為侏羅系下統(tǒng)橋源組泥質(zhì)粉砂巖；K87+500出口段，主要為侏羅系下統(tǒng)金雞組泥質(zhì)粉砂巖。

隧道經(jīng)過(guò)山體為一復(fù)式褶皺發(fā)育構(gòu)造，背斜位于隧道中部K85+000～K85+500附近，向斜位于K86+050～K86+400附近。背斜核部為泥盆系(D)砂巖，向斜核部為侏羅系(J)砂巖。褶皺軸向近似為東西向，垂直于隧道軸線方向。整個(gè)褶皺受到松坑-惠東北西向構(gòu)造帶影響，局部被石英破碎帶所切割，核部近似平行于北東向蓮花山斷裂，受到復(fù)雜多期地質(zhì)構(gòu)造作用，局部褶皺發(fā)生倒轉(zhuǎn)傾倒，微褶皺也很發(fā)育，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定有影響，也促成了蓄水構(gòu)造。隧道縱向地質(zhì)概況如圖1所示。

圖1 隧道縱剖面Fig.1 Longitudinal profile of tunnel

1.3 水文地質(zhì)

隧道地下水分為松散層孔隙潛水及基巖裂隙水，水量大小受巖體孔隙率、裂隙發(fā)育程度及季節(jié)變化影響，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水下滲補(bǔ)給。

1) 松散層孔隙潛水：分布于隧道洞身段上部斜坡、脊嶺地帶，賦存于第四系殘坡積粘土層孔隙中，含水層分布不連續(xù)，厚度不大，處于斜坡地帶，貯水條件較差，僅季節(jié)性有水。對(duì)隧道工程施工影響小。

2) 基巖裂隙巖溶水：主要賦存于強(qiáng)中風(fēng)化粉砂巖節(jié)理裂隙中，其富水性受大氣降水補(bǔ)給動(dòng)態(tài)變化，在構(gòu)造破碎帶及地層接觸帶富水性強(qiáng)，呈不均勻狀分布。由于洞身以上無(wú)地表水體，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，隧道區(qū)地形較陡，地表徑流途徑短，流速快，入滲補(bǔ)給地下水總體較弱?；鶐r裂隙巖溶水為隧道區(qū)地下水主要類(lèi)型，可能產(chǎn)生突水、突泥等現(xiàn)象。

3) 補(bǔ)、排條件及動(dòng)態(tài)特征：區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水垂直入滲補(bǔ)給；基巖裂隙水賦存于巖體裂隙中，主要受地形地貌控制，通過(guò)導(dǎo)水的裂隙系統(tǒng)補(bǔ)給深部含水層或向坡腳溝谷排泄。由于隧道區(qū)地形坡度較陡，地表徑流排泄條件好，其天然排泄主要為呈線狀、散點(diǎn)狀排泄于地形切割較深的沖溝、地貌突變處。

2 水文地質(zhì)試驗(yàn)

2.1 抽水試驗(yàn)

隧道鉆孔CSZK2位于隧道中前部K83+768埡口附近，孔深208.60 m，鉆探巖芯上部孔段較破碎，裂隙發(fā)育，巖性為中風(fēng)化粉砂巖，具強(qiáng)富水條件，在此孔中開(kāi)展抽水試驗(yàn)具有代表性。

試驗(yàn)過(guò)程中，流量和水位相對(duì)穩(wěn)定，并有一定延續(xù)性，根據(jù)裘布依井流理論，采用穩(wěn)定流完整井來(lái)計(jì)算隧道巖體的滲透系數(shù)，計(jì)算公式如下：

(1)

在隧道鉆孔CSZK2開(kāi)展抽水試驗(yàn)，水位的降深次數(shù)進(jìn)行3次，水位降深的最大值接近過(guò)濾器長(zhǎng)度的1/2深度處，其余2次水位降深值，分別為最大降深值的1/3和2/3。抽水試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)水位和出水量觀測(cè)的時(shí)間，在抽水開(kāi)始后的第5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min各測(cè)1次，以后每隔30 min測(cè)1次。本次抽水試驗(yàn)過(guò)濾器下放最大深度為120 m，水位最大降深為63 m，抽水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由公式(1)計(jì)算出隧道鉆孔CSZK2試驗(yàn)段巖體的滲透系數(shù)K=0.012 4 m/d。

隧道鉆孔CSZK2巖芯顯示，中上部巖體破碎(距孔口100 m左右)，為富水巖體。鉆孔下部巖體為微風(fēng)化粉砂巖，巖體完整，可成為良好的隔水巖體，只有在斷層或其他導(dǎo)水通道聯(lián)通上部富水巖體與隧道時(shí)，才可能發(fā)生隧道涌水。

2.2 水位恢復(fù)試驗(yàn)

在隧道鉆孔CSZK2中開(kāi)展水位恢復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)不同時(shí)刻水位恢復(fù)與時(shí)間的關(guān)系，按下式計(jì)算滲透系數(shù)。

(2)

式中：s1、s2為不同時(shí)刻水位距孔口距離，m；rw為鉆孔半徑，cm；t為水位恢復(fù)時(shí)間，s。

水位恢復(fù)試驗(yàn)待隧道鉆孔CSZK2抽水試驗(yàn)停止后，孔的水位恢復(fù)按第1 min、2 min、3 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min、120 min進(jìn)行觀測(cè)，以后每隔30 min觀測(cè)1次，在連續(xù)4 h內(nèi)水位變化不超過(guò)1 cm/h，停止觀測(cè)。水位恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由公式(2)計(jì)算出巖體的滲透系數(shù)K=0.010 m/d，與抽水試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

2.3 壓水試驗(yàn)

當(dāng)試驗(yàn)段位于地下水位以下，透水率q<10 Lu時(shí)，可根據(jù)不同階段的壓力計(jì)算巖體滲透系數(shù)。P～Q曲線類(lèi)型一般為層流或紊流型。

當(dāng)P～Q曲線為A型(層流)時(shí)，用第3階段的壓力值P3和流量值Q3計(jì)算巖體滲透系數(shù)。計(jì)算公式如下：

(3)

當(dāng)P～Q曲線為B型(紊流)時(shí)，用第1階段的壓力值P1和流量值Q1計(jì)算巖體滲透系數(shù)。計(jì)算公式如下：

(4)

式中：Q1、Q3為第1階段、第3階段壓入流量，m3/d；Hy為試驗(yàn)水頭，m；Ly為試段長(zhǎng)度，m；r0為鉆孔半徑，m。

隧道鉆孔CSZK4，孔深370 m，為隧道區(qū)最深鉆孔，位于隧道中部K86+233，地質(zhì)構(gòu)造上位于向斜核部，在此鉆孔中開(kāi)展壓水試驗(yàn)具有典型代表性。壓水試驗(yàn)位置依據(jù)鉆探巖芯選擇在中風(fēng)化、破碎帶、微風(fēng)化典型深度開(kāi)展，壓水試驗(yàn)采用三級(jí)壓力、5個(gè)階段，即P1-P2-P3-P2-P1，P1、P2、P3三級(jí)壓力分別為0.3 MPa、0.6 MPa和1 MPa。在CSZK4鉆孔中壓水對(duì)應(yīng)不同深度的P～Q曲線類(lèi)型如圖2所示，壓水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由公式(3)、公式(4)計(jì)算出中風(fēng)化、微風(fēng)化帶中巖體的滲透系數(shù)分別為0.017 2 m/d和0.006 3 m/d～0.008 1 m/d，公式(3)計(jì)算出破碎帶的滲透系數(shù)為0.765 0 m/d。

表3 CSZK4中壓水試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of pressure water tests in CSZK4

(a) 71.00 m～76.00 m段層流

3 隧道涌水量評(píng)價(jià)

3.1 降水入滲法

降水入滲法是一種典型的水均衡法，其關(guān)鍵是確定降水入滲系數(shù)及集水面積。降水入滲系數(shù)作為降水補(bǔ)給地下水的數(shù)量指標(biāo)，是降水入滲補(bǔ)給量與降水量之比，是地下水資源估算與大氣水、地表水、地下水三者間相互轉(zhuǎn)化研究中的重要水文參數(shù)，其大小取決于地表土層和包氣帶的巖性、結(jié)構(gòu)、地形、地貌特征，降水量大小及強(qiáng)度、時(shí)間分配以及地下水埋藏深度等因素，是一個(gè)較難準(zhǔn)確測(cè)定的參數(shù)[15]。根據(jù)降水入滲法計(jì)算隧道涌水量，計(jì)算公式如下：

Q雙=2.74αWA

(5)

式中：Q雙為雙洞正常涌水量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)，根據(jù)隧道綜合地質(zhì)特征情況，暫取0.25 m/d；W為年降水量，mm；A為隧道通過(guò)含水體的地下集水面積，km2。

根據(jù)隧址區(qū)地形及隧道范圍含水體地下集水面積范圍劃分原則，以山頂、山脊作為分水嶺或大致與隧道平行且低于隧底的山谷為界，年降水量采用當(dāng)?shù)囟嗄昴昃邓?，?jì)算的隧道涌水量見(jiàn)表4。采用降水入滲法公式(5)計(jì)算得出隧道單洞正常涌水量約4 295 m3/d。

表4 降水入滲法預(yù)估隧道正常涌水量結(jié)果Table 4 Prediction results of tunnel normal water inflow by precipitation infiltration method

3.2 裘布依理論式

裘布依理論式是地下水流向井內(nèi)的平面流穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)公式，是法國(guó)水力學(xué)家裘布依(Jules Dupuit，1 804～1 866)在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而出，它的假定條件為：1) 含水層是均質(zhì)、各向同性、等厚、水平的；2) 地下水為層流，符合達(dá)西定律，地下水運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；3) 靜水位是水平的，抽水井具有圓柱形定水頭補(bǔ)給邊界；4) 對(duì)于承壓水，頂?shù)装迨峭耆羲?，?duì)于潛水，井邊水力坡度不大于1/4，底板完全隔水[9]。選用的公式如下：

(6)

根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)獲取得隧道圍巖巖體滲透性系數(shù)，結(jié)合隧道圍巖特征，合理確定不同級(jí)別圍巖巖體的滲透系數(shù)，對(duì)隧道進(jìn)行分段預(yù)測(cè)涌水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，根據(jù)裘布依理論式(6)估算隧道左線正常涌水量為9 795 m3/d，隧道右線正常涌水量為9 943 m3/d。

表5 裘布依理論式預(yù)估隧道正常涌水量結(jié)果Table 5 Prediction results of tunnel normal water inflow by Jubey theory

3.3 古德曼經(jīng)驗(yàn)式

古德曼經(jīng)驗(yàn)式是以地下水動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行了較大程度的簡(jiǎn)化，遇到高壓股狀出水時(shí)，視為較大規(guī)模斷裂構(gòu)造帶導(dǎo)水所致，可采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行預(yù)測(cè)最大涌水量[3，14]，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Q0為隧道通過(guò)含水體地段的最大涌水量，m3/d；H0為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m；d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m。

結(jié)合隧道圍巖特征，采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式分段預(yù)測(cè)最大涌水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6；并由式(7)估算隧道左線最大涌水量為211 163 m3/d，隧道右線最大涌水量為201 522 m3/d。古德曼經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測(cè)涌水量時(shí)，重點(diǎn)突出了較大規(guī)模斷裂構(gòu)造帶導(dǎo)水通道形成后出現(xiàn)的最大涌水量，是一種上限值，其涌水預(yù)測(cè)往往高于裘布依理論式和降水入滲法一個(gè)數(shù)量級(jí)，這也在大豐華高速公路鴻圖特長(zhǎng)隧道中得到佐證，在遇到大規(guī)模導(dǎo)水通道高壓涌水時(shí)，古德曼經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測(cè)的最大水量與實(shí)際出水量較為吻合[14]。

表6 古德曼經(jīng)驗(yàn)式預(yù)估隧道最大涌水量結(jié)果Table 6 Results of prediction of maximum tunnel water inflow by Goodman Empirical Model

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 田頭山隧道深埋段圍巖多為微風(fēng)化粉砂巖，完整性較好，為相對(duì)隔水層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為地下水對(duì)隧道施工影響將不會(huì)太大，但實(shí)際由于受節(jié)理裂隙發(fā)育帶、褶皺構(gòu)造、強(qiáng)烈風(fēng)化的影響，局部路段形成導(dǎo)水通道，在隧道施工時(shí)可能產(chǎn)生涌水；同時(shí)向斜軸部常是地下水富集之處，成為良好的儲(chǔ)水構(gòu)造，開(kāi)挖后會(huì)造成大量地下水涌出，必須注意巖層的坍落、漏水及涌水問(wèn)題。

2) 采用降水入滲法計(jì)算得出隧道單洞正常涌水量約為4 295 m3/d；采用裘布依理論式估算隧道左線正常涌水量為9 795 m3/d，隧道右線正常涌水量為9 943 m3/d；采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式估算隧道左線最大涌水量為211 163 m3/d，隧道右線最大涌水量為201 522 m3/d。這是在極端情況下，大規(guī)模斷裂構(gòu)造帶導(dǎo)水通道形成后，涌水量的上限值。

3) 由于復(fù)式向斜蓄水構(gòu)造的存在，應(yīng)密切注意隧道開(kāi)挖過(guò)程中的水文地質(zhì)問(wèn)題。隧洞開(kāi)挖時(shí)，洞壁將會(huì)有基巖裂隙水滲出，呈滴水或滲流狀，特別接近富水段落邊緣時(shí)，建議采用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探等手段，及時(shí)開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。遇到導(dǎo)水通道發(fā)生涌水時(shí)，應(yīng)遵照“排堵結(jié)合，限量排放”的原則，建議對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行超前注漿措施，避免疏干方式的排水對(duì)隧址區(qū)環(huán)境造成不利影響。