華鎣山隧道底板涌水原因探討

李汶洋

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

華鎣山隧道底板涌水原因探討

李汶洋

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

華鎣山隧道埋深較大，開挖后出現(xiàn)底板涌水，且長時(shí)間不衰減，以致影響施工和地下水平衡。通過對地表水和洞口流量的監(jiān)測、隧道開挖地質(zhì)分析和底板地質(zhì)探測，分析華鎣山隧道底板涌水原因，得出如下結(jié)果：隧道埋深較大，存在廣泛的補(bǔ)給源，與地表水有一定的水力聯(lián)系；隧道地質(zhì)差，開挖后，隧道底板的厚度不足以抵擋地下水壓力；圍巖差，存在明顯的裂隙或管涌通道，涌水源通過裂隙通道與其他地方水源貫通。

隧道涌水；破碎帶圍巖；地下水；水文監(jiān)測；超前預(yù)報(bào)；F1斷層

隨著西部經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路進(jìn)入全新的發(fā)展時(shí)期，各種長大隧道層出不窮。由于地質(zhì)復(fù)雜，隧道修建時(shí)常常遇到各種地質(zhì)問題，其中涌水是地質(zhì)災(zāi)害的一種。由于施工過程中地下水排放，地表水受到一定影響。地下水的持續(xù)排放會(huì)帶走管道中的填充物，從而形成連通的地下水管道。隧道建成通車后，地表水的恢復(fù)，連通管道的存在，致使隧道修建過程中地下水未處理好的地方產(chǎn)生隧道病害，通車運(yùn)營后將影響隧道質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致時(shí)常維修，不僅影響交通，而且還帶來安全隱患[1-4]。

隧道涌水會(huì)對2方面造成影響：1) 環(huán)境；2) 工程。環(huán)境影響：由于隧道開挖涌水破壞了地下水平衡，且在短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)，從而導(dǎo)致該地區(qū)地下水流失嚴(yán)重，破壞生態(tài)系統(tǒng)。工程影響：施工過程中隧道無法正常施工，隧道竣工后，因水引起各種隧道病害[1-4]。

國內(nèi)對隧道涌水的研究，秉承“以堵為主，限量排放”的治水原則。王純詳?shù)萚5]利用仿真模擬手段，考慮降雨補(bǔ)給、真實(shí)三維地形、隧道埋深及時(shí)空開挖對隧道涌水及地下水環(huán)境的影響，指出涌水的影響范圍與隧道埋深和該地區(qū)地形地貌、地質(zhì)條件有很大關(guān)系，認(rèn)為前期地勘的準(zhǔn)確性對隧道施工及預(yù)防涌水有很大關(guān)系。韓行端等[6]根據(jù)水質(zhì)及水流特征，將涌水與巖溶之間的關(guān)系分為地下河系統(tǒng)和巖溶泉系統(tǒng)，同時(shí)將巖溶進(jìn)行分帶，且總結(jié)出巖溶隧道涌水及其專家評(píng)判系統(tǒng)，以預(yù)測和判斷涌水情況。劉人泰[7]研究了新型注漿材料——水泥基速凝漿液，并對其堵水的擴(kuò)散機(jī)理及對動(dòng)水的效果進(jìn)行了分析。張成平等[8]研究了高水壓限量排放下注漿圈合理參數(shù)的選取。

總之，隧道涌水產(chǎn)生的環(huán)境及隧道結(jié)構(gòu)影響短時(shí)間內(nèi)無法判斷，因此，本文借鑒以前的研究成果，根據(jù)華鎣山隧道地質(zhì)特征，對該隧道的涌水原因進(jìn)行分析和探討。

1 工程水文地質(zhì)

1.1 工程概況

華鎣山隧道為南充—大竹—梁平(川渝界)高速公路上的一座特長隧道。該隧道穿越華鎣山山脈，長8 159.5 m(平均)。洞身主要穿過華鎣山背斜和大峽口斷裂，隧道內(nèi)存在斷層破碎帶、軟弱圍巖、巖溶及巖溶水等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)。 隧道采用上下臺(tái)階法施工，局部采用預(yù)留核心土法施工。

1.2 涌水概況

華鎣山隧道進(jìn)口右洞上臺(tái)階開挖至樁號(hào)K107+556時(shí)，上臺(tái)階底板未出現(xiàn)明顯涌水。隨著掌子面推進(jìn)，到樁號(hào)K107+558時(shí)，施工放炮擾動(dòng)，在K107+556上臺(tái)階底板靠左側(cè)樁號(hào)開始涌水。經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，存在明顯的管道涌水，且隨著時(shí)間增加，涌水變清澈，水量逐步變大，最終涌水量約4萬m3/d。從隧道開挖、掌子面圍巖及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果分析，隧道正在穿越角礫巖破碎層(含石膏)。

隧道繼續(xù)開挖至K107+556～K107+610段時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)了多個(gè)涌水點(diǎn)，最終涌水量約8萬m3/d。華鎣山隧道底板典型涌水點(diǎn)如圖1所示。

圖1 華鎣山隧道典型底板涌水

1.3 工程地質(zhì)

華鎣山隧道線路穿越底層分別為侏羅系中下統(tǒng)自流井J1-2、珍珠沖組J1Z泥巖、頁巖夾砂巖；三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖、泥巖夾煤層；三疊系中下統(tǒng)的雷口坡組和嘉陵江組灰?guī)r、白云灰?guī)r等，局部夾鹽溶角礫巖和石膏層。洞身主要穿過華鎣山背斜和大峽口斷裂，隧道內(nèi)存在斷層破碎帶、軟弱圍巖、巖溶及巖溶水等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)。原施工圖中，該段地質(zhì)為鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾白云巖等，局部含石膏及鹽溶角礫巖，地表巖層產(chǎn)狀為N47°E/44°NW。鉆探揭示斷層及附近巖芯破碎，擠壓揉皺現(xiàn)象嚴(yán)重，褶皺帶內(nèi)巖石擠壓強(qiáng)烈，次級(jí)背向斜發(fā)育。發(fā)生底板涌水段，隧道的平均埋深超過200 m。華鎣山隧道的特殊地質(zhì)斷層與隧道的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 華鎣山隧道與F1斷層關(guān)系

華鎣山隧道地下水主要由南往北流，巖溶及巖溶水發(fā)育，K106+840～K108+000段最大涌水量約為8.7萬m3/d，隧道施工對背斜西翼巖溶地下水影響范圍為5.14 km。隧道水域分布直接影響隧道開挖地下水排放的影響范圍。華鎣山隧道隧址區(qū)域水系如圖3所示。

圖3 華鎣山隧道隧址區(qū)域水系

2 底板探測

為探明地下水的分布情況，對華鎣山隧道底板進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測，其目的是探測底板下方地下水賦存范圍、裂隙通道分布范圍以及底板下方圍巖、空洞等地質(zhì)情況，為隧道下一步施工提供地質(zhì)依據(jù)，確保地下水能夠在短時(shí)間內(nèi)被封堵，減少施工對地下水平衡的影響，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。采用縱橫交錯(cuò)方式布設(shè)底板雷達(dá)探線。

探測結(jié)果表明，華鎣山隧道K107+600～K107+605、K107+615～K107+625、K107+632～K107+640段上臺(tái)階底部5～15 m范圍，節(jié)理、溶蝕裂隙較發(fā)育且富水，K107+615～K107+645間上臺(tái)階下部10～15 m推測有一不整合巖性接觸面，與水平面交角約30°，接觸面下推測為泥灰?guī)r、石膏。本次探測未發(fā)現(xiàn)明顯溶洞和大溶腔發(fā)育(即未發(fā)現(xiàn)有因涌水造成的大溶腔形成)。華鎣山隧道K107+598～+645段底板雷達(dá)探測典型的波形圖如圖4所示。

3 涌水補(bǔ)給源分析

3.1 隧道涌水后地表水監(jiān)測情況

華鎣山隧道地處喀斯特巖溶地區(qū)，且涌水前方存在一個(gè)F1斷層，在隧道底板范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯涌水管道，因此只能簡單判斷為裂隙水。水文監(jiān)控表明，該處涌水排量已經(jīng)影響到地表水位，隧道涌水前后隧址區(qū)域地表水文監(jiān)測情況如圖5所示。

華鎣山隧道進(jìn)口地表溪溝監(jiān)測情況如下：

1) 洞外發(fā)生強(qiáng)降雨，各監(jiān)測點(diǎn)水量增幅較大。隧道發(fā)生涌水后，未發(fā)現(xiàn)有落水漏斗和泉井干枯現(xiàn)象。不能判定因洞內(nèi)涌水導(dǎo)致的地表水量下降，但不排除隧道長期排放地下水造成此種現(xiàn)象。

2) 右洞掌子面涌水點(diǎn)距離斷層較近，且?guī)r層較為破碎。斷層輸水造成本次涌水可能性較大。若為斷層輸水，從斷層延伸情況看，聯(lián)通隧道左右兩側(cè)地下水的可能性較大。如果隧道長期排水，則會(huì)導(dǎo)致斷層連接區(qū)域地下水水位線下降，且隧道軸線兩側(cè)地表灰?guī)r段的泉井極有可能出現(xiàn)水量減少甚至干枯。華鎣山隧道地表某處監(jiān)測水流量變化趨勢如圖6所示。

圖5 華鎣山隧道底板涌水前后地表水量變化

圖6 華鎣山隧道地表某處地表水流量監(jiān)控變化

華鎣山隧道地下水的排放過程：1) 開始打破地下水的平衡過程，地表水在短時(shí)間內(nèi)未受到隧道地下水排放的影響；2) 隨著地下水的排放，灰?guī)r地區(qū)中的裂隙通道逐步貫通，地表水受到明顯影響；3) 地下水與地表水存在明顯的通道，致使地表水監(jiān)控范圍內(nèi)地表水明顯下降，但未出現(xiàn)大面積缺水現(xiàn)象。

3.2 涌水與地表水關(guān)系

對地表水的觀測發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)地下水的排放致使地表水明顯變化；但隨著地表水的變化，隧道內(nèi)地下水有略微變化，且隨著隧道的開挖，地下水逐漸增加。對隧道洞口水流量的監(jiān)測表明，隧道開挖使隧道內(nèi)地下水明顯增加，即使地表水存在明顯下降時(shí)，隧道內(nèi)的地下水也未明顯減小，且降雨后隧道內(nèi)地下水也未明顯增加。華鎣山隧道洞口地下水水量監(jiān)控變化趨勢如圖7所示。

圖7 華鎣山隧道洞口地下水流量變化

3.3 地下水補(bǔ)給源

隧道內(nèi)地下水補(bǔ)給源的判斷，有利于隧道實(shí)施堵水，減少地下水排放對地表水的影響。對華鎣山隧道地表水的監(jiān)測和洞口水量的監(jiān)測表明，隧道地下水會(huì)影響地表水，其存在一定的連通性，但地下水的補(bǔ)給源廣泛不僅是地表水；地下水排放量長期不衰減，涌水點(diǎn)與地下水補(bǔ)給源存在明顯裂隙通道。

4 涌水原因

通過對華鎣山隧道地面的水位監(jiān)測，以及對K107+540～K107+700段地質(zhì)開挖現(xiàn)場的分析，并綜合隧道洞口排水量的變化，得出該隧道底板涌水原因如下：

1) 區(qū)域性F1 逆沖斷裂及其影響帶是橫穿隧道的良好過水通道，地表巖溶地貌特征明顯。進(jìn)口右線涌水段位于F1 斷裂下盤的強(qiáng)烈褶皺帶，該范圍內(nèi)巖體破碎、裂隙發(fā)育。隧道開挖揭示了聯(lián)通賦存于斷裂影響帶內(nèi)的裂隙(溶隙、溶縫)巖溶水的管道導(dǎo)致涌水發(fā)生，水文監(jiān)測資料推測洞內(nèi)涌水與隧道南側(cè)沿F1 斷裂分布的地表水體可能有水力聯(lián)系，因此洞內(nèi)涌水可能主要來源于隧道南側(cè)，巖溶地下水補(bǔ)給范圍廣。

2) 隧道圍巖揭露表明，涌水部位為破碎鹽溶角礫巖與完整石膏夾層接觸帶，破碎鹽溶角礫巖具有良好的透水條件。隧道開挖改變了地下水的原有運(yùn)移途徑，地下水因重力牽引作用向隧道最薄弱環(huán)節(jié)(隧底部分的接觸帶)集中遷移，當(dāng)其上石膏夾層不足以克服地下水壓力時(shí)便會(huì)發(fā)生涌水現(xiàn)象。

3) 進(jìn)口右線涌水初期為褐黃色帶乳白色，而后水質(zhì)逐漸變清。分析初期顏色渾濁主要是疏導(dǎo)溶隙水時(shí)帶出了溶隙內(nèi)的黃泥、砂、過飽和碳酸鈣沉淀和破碎帶巖屑所致，據(jù)此初步排除洞內(nèi)涌水來自于地下巖溶管道。

4) 華鎣山隧道K107+540～K107+700段地層巖性組成較雜，可溶性不一，因此涌水點(diǎn)分布也表現(xiàn)出間斷出露的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文對華鎣山隧道的底板涌水原因進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1) 道路線路規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中需做好前期地質(zhì)勘測工作，隧道設(shè)計(jì)之初盡量避免可能出現(xiàn)的地下水涌水或富水段。因?yàn)榈叵滤x存段對隧道施工及隧道運(yùn)營安全會(huì)帶來嚴(yán)重隱患，同時(shí)影響地下水的生態(tài)平衡。

2) 通常，由于隧道部分段落埋深較大，地表水對隧道的影響存在一定的時(shí)間性，因此須及時(shí)對涌水進(jìn)行處理或提早發(fā)現(xiàn)涌水并進(jìn)行前期處理，避免長時(shí)間涌水形成漏斗形地下水，避免地下水范圍影響擴(kuò)大。

3) 地下水長時(shí)間的排放會(huì)導(dǎo)致隧道底板下面存在明顯的管涌或裂隙通道，故地下水處治須考慮如何截?cái)嗤ǖ?，恢?fù)地下水平衡循環(huán)帶。

[1]林傳年，李利平，韓行瑞，等.復(fù)雜巖溶地區(qū)隧道涌水預(yù)測方法研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(7)：2469-2476.

[2]趙存明，沈斐敏，唐曉莉.公路隧道施工特大涌水的防治技術(shù)探討[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2008，4(5)：151-154.

[3]趙克東.隧道巖溶及特大涌水治理與施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2009(12)：49-52.

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[5]王純詳，蔣宇靜，江崎哲郎，等，復(fù)雜條件下長大隧道涌水預(yù)測及其對環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(12)：2411-2417.

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[8]張成平，張頂立，王夢恕，等.高水壓富水區(qū)隧道限排襯砌注漿圈合理參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，27(11)：2270-2276.

Discussion on the Causes of Floor Water Gushing in Huayingshan Tunnel

LI Wenyang

Huayingshan tunnel has a large buried depth,and the bottom water gushing occurs after excavation,and it is not decayed for a long time,which affects the construction and groundwater balance. By monitoring the surface water and tunnel flow,geological analysis of tunnel excavation and geological survey,the author explores the causes of floor water gushing in Huayingshan Tunnel. Results re as followed. Firstly,the buried depth of the tunnel is large and there are abundant recharge water sources,which have certain hydraulic connection with the surface water. Secondly,the tunnel is poor in geology,and the thickness of the tunnel floor is not enough to resist the pressure of groundwater after excavation. Lastly,the surrounding rock is poor,there are obvious cracks or piping channel,gushing water connects with other water sources via cracks and piping channels.

tunnel water gushing; fractured zone surrounding rock; ground water; hydrological monitoring; advance forecast; F1 fault

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.023

四川省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(110109066)

2016-08-29

李汶洋(1987-)，男，四川省遂寧市人，碩士研究生，工程師。

1009-6477(2016)06-0106-04

U459.2

A