雁門關隧道滲漏原因分析及建議

楊光輝

1 工程概況

雁門關隧道建成于2003年9月，位于山西省忻州市代縣境內。隧道為雙向交通隧道，東西兩隧道中心線間距約50m，總體走向為N11.6°W，開挖斷面為馬蹄型，2008年5月初在西隧道樁號YK594+381—YK594+636段發現部分地段隧洞側壁有滲水現象，共15處，并組織進行了滲水處理，處理方法主要是在側壁鑿成“U”型槽埋管引水。在處理過程中又陸續新發現20多處滲水，隨后均進行了處理。2008年5月24日—7月6日，又發現隧道側壁墻面有60余處滲水，洞頂滲水10余處，路面滲水10余處等漏水和滲水現象。東隧道滲漏相對較少，僅局部地段路面、洞底、豎井、斜井等部位有滲漏水現象。

2 隧道滲漏原因分析

2.1 隧道段水文地質條件

2.1.1 地形

從地形上看，隧道主要漏水地段（樁號YK594+381—YK594+636）東、北、西三面地形較高，南面開口且地形較低，本區總體呈一南北向的、向南部傾斜的槽形匯水凹地，具備地下水補給、徑流、排泄的良好條件，有利于地表水和地下水向隧道南部運移、匯集。

2.1.2 氣象

大氣降水入滲是隧道滲漏的唯一補給來源，隧道滲漏范圍、滲漏量與大氣降水密切相關，每年的雨季滲漏范圍和滲漏量增大，旱季滲漏范圍和滲漏量減小，地下水的水位和水量隨季節的變化較為明顯。

2.1.3 地層巖性

隧道漏水范圍、漏水量主要受地層巖性的控制。以F1逆斷層為界，斷層以北隧道從上太古界五臺群胡峪組（Ar3h）黑云斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖中通過，過斷層后隧道從寒武系下統毛莊組（∈1mz）紫紅色泥巖夾薄層細砂巖、泥灰巖，寒武系中統徐莊組（∈2x）紫紅色泥巖中通過。隧道由北向南依次通過上太古界五臺群胡峪組（Ar3h）變質巖、寒武系下統毛莊組（∈1mz）及中統徐莊組（∈2x）泥頁巖、寒武系中統張夏組（∈2z）灰巖。

2.1.4 地質構造

地質構造對隧道滲漏也具有明顯的控制作用。F1逆斷層總體上是一條阻水斷層，斷層以北地段均為變質巖洞段，它與隧道基本正交，如石峽溝qs09-2泉就是因為F1逆斷層將上盤徐莊組（∈2x）紫紅色泥頁巖推至地表，地下水受泥頁巖阻隔后形成該泉，但斷層兩盤灰巖接觸部位還具有一定的導水性。隧道東西兩側灰巖地層節理裂隙較發育，在一定程度上構成地下水進入隧道內的良好通道。

隧道北部、南部出露變質巖，向中部依次為泥頁巖、灰巖，隧道樁號594+500以北巖層產狀大多為N70°～80°E/SE∠10°～20°，隧道樁號 594+500 以南巖層產狀大多為 N20°～30°E/NW∠9°～16°，整個隧道處于一個較大的復式向斜構造中，其核部在樁號594+500附近，正好處于隧道漏水較為嚴重的部位，且該處東、西兩側徐莊組（∈2x）泥頁巖分布較高，隧道東側巖層產狀N30°W/SW∠20°，西側巖層產狀N65°E/SE∠5°，形成一個四周泥頁巖高、中間泥頁巖低的匯水凹地，有利于地下水向該處運移、排泄。

2.1.5 含水層及相對隔水層的空間展布

據鉆探、物探成果并結合地質平面測繪，工程區含水層為寒武系中統張夏組（∈2z）灰巖，寒武系下統毛莊組（∈1mz）紫紅色泥頁巖夾薄層細砂巖、泥灰巖與寒武系中統徐莊組（∈2x）紫紅色泥頁巖可視為相對隔水層。

西隧道漏水部位的地下水主要來自西側石峽溝張夏組（∈2z）灰巖含水層中的巖溶裂隙水，以側向徑流的形式通過泥巖頂板最低部位向西隧道排泄，這使得從西隧道滲漏較東隧道嚴重，西隧道西壁出水點位置普遍高于東壁來講，也說明地下水主要是從西側石峽溝由西北向東南側向補給至西隧道。

隧道主要漏水地段北側為一逆斷層，該斷層具有一定的阻水作用，但其上部斷層兩盤灰巖接觸部位是導水的，斷層以北山頂、山坡石灰巖區接受大氣降水入滲后，一部分向石峽溝方向徑流，并以泉水形式排泄，另一部分順隧道之上山脊由北向南經逆斷層上部灰巖由北向南運移，經隧道漏水部位上方通過節理裂隙滲入隧道。據物探成果，隧道漏水部位頂部巖層中也有地下水位分布，但富水性較差，由于隧道上覆圍巖較厚，故隧道頂部通過節理裂隙垂直下滲進入隧道中的地下水量不大，僅雨季個別部位洞頂有少量漏水，旱季則不漏水。

2.1.6 水文地質條件

隧道范圍內主要接受大氣降水入滲補給，馬場梁山在雁門關隧道樁號K592+420部位構成分水嶺，其北部地下水向北逕流，南部地下水向南逕流。北部地下水在入滲于奧陶系下統冶里組、寒武系上統鳳山組、長山組、崮山組、中統張夏組灰巖、白云質灰巖，在進入下部的寒武系中統徐莊組泥頁巖時受阻，并受巖層產狀及地勢控制，折而流向南東；南部地下水流向南東。

雁門關隧道開挖后，隧洞周圍形成一個較大的巖體松動變形圈，使原來巖體中節理裂隙不同程度張開，并形成一些新的裂隙，增加了巖體的滲透性，這樣隧道就形成巖體中的“集水廊道”，匯集巖體中的地下水，特別是隧道透水性良好的灰巖、白云質灰巖含水層洞段，表現的更為明顯。地下水多由西部石峽溝及隧道頂拱入滲隧道，地下水流經西隧道時大部由西隧道排出，東隧道也有少量地下水漏滲。

隧洞北端口—樁號K593+875段，隧道段圍巖為太古界胡峪組變質巖，地下水位高程1525～1730m，高于隧道頂110～290m，含水層位于張夏組灰巖、白云質灰巖，含水層至隧道頂部有厚105～240m的變質巖、泥頁巖及泥灰巖組成的相對隔水層，且該隔水層富水性差，隧道基本不滲漏。

樁號K593+875—K594+500段，隧道段圍巖為寒武系下統毛莊組、中統徐莊組泥頁巖、泥灰巖，地下水位高程 1415～1505m，高于隧道頂 13～90m，含水層位于張夏組灰巖、白云質灰巖，含水層至隧道頂部有厚2～84m的泥頁巖及泥灰巖組成的相對隔水層，富水性差，僅局部地段存在滲、漏水問題。

樁號K594+500以后段，隧道圍巖為張夏組灰巖、白云質灰巖，節理裂隙發育，具有良好的透水通道，地下水位位于該層，是隧道滲、漏水最為嚴重的地段。

2.1.7 地表水與地下水的水力聯系

據本次實地調查，隧道西側石峽溝上游的兩處泉水，過F1逆斷層后，溝底的泉水流經裸露灰巖區至樁號594+265附近全部漏失，說明石峽溝上游兩處泉水漏失也是西隧道滲漏的補給源之一。

2.2 隧道滲漏原因分析

隧道滲、漏水原因主要與以下幾個方面有關：

第一，該隧道處于張夏組灰巖中，而且節理裂隙及巖溶較為發育，巖溶形態主要以溶隙和溶孔為主，局部有管道狀巖溶，含水層厚度大，滲透性及富水性較強，下部為徐莊組泥頁巖相對隔水層，整個滲、漏水地段的隧道基本處于盆狀蓄水構造內。

第二，地下水流向總體是由西北向東南徑流，且西北側順石峽溝一帶張夏組灰巖含水層富水性較強，地下水主要從石峽溝西側首先進入西隧道，西隧道相當于構成了一個“集水廊道”，截滲了一部分巖溶地下水，從而造成了隧道口處的泉水枯竭，西南方向較遠處的泉水流量減少。

第三，近幾年來，由于該地區降水量增大，地下水水位抬升，造成隧道圍巖中地下水水頭增大，洞內外水頭壓力提高，石峽溝上游兩處泉水流量增大，流經石峽溝溝底漏失至下部灰巖含水層中的水量亦增大。

第四，隧道雖然作了襯砌，且在施工縫、明洞及二次襯砌接縫、沉降縫、伸縮縫等部位采用橡膠止水帶、填塞瀝青麻絮、土工布進行防水處理，在隧道中線路基下設置了直徑500mm的中心排水管，在圍巖與洞壁混凝土之間設置了豎向排水管并與中心排水管相通，洞內圍巖中的地下水可通過洞底中心排水管排出洞外，但隧道經多年運行，且在隧道圍巖地下水長期高滲壓作用下，原采取的止水、排水、防滲等處理措施失效，造成洞壁滲水、涌水。

第五，從隧道出口洞底路基下中心排水管的排水情況看，東、西隧道洞內原有的排水系統運行比較正常，還具有一定的排水能力，但不能完全將隧道圍巖內的地下水納入該排水系統。

綜上所述，地下水流向主要由西北向東南，順隧道西側石峽溝存在一地下水較強徑流帶，含水層為寒武系中統張夏組（∈2z）灰巖，富水性較強，西隧道漏水主要是由于該含水層側向補給引起的。此外，隧道經多年運行，在隧道圍巖地下水長期高滲壓作用下，原采取的止水、排水、防滲等處理措施失效，造成洞壁滲水、涌水，也是造成滲漏的原因之一。

2.3 隧道滲漏部位側向補給量估算

側向補給量采用斷面法計算，采用達西公式：

式中：Q側補——側向補給量，m3/d；

K——滲透系數，m/d；

I——地下水水力坡度；

W——計算斷面的過水面積，m2；

β——地下水流向與隧道的夾角。

據鉆孔抽水試驗成果，滲透系數取3次降深計算結果的平均值，取K=17.23m/d；漏水范圍長度取85m（本次西隧道調查的最大漏水寬度），據洞壁出水點高度，含水層厚度平均按4m考慮，則計算斷面的過水面積W=340m2；地下水流向與隧道的夾角取β=50°；據石峽溝鉆孔地下水位、孔與孔之間的水平距離，求得地下水水力坡度平均值為0.15。按式（1）計算得隧道側向補給量為403L/min。

據隧道口排水點流量實測成果可知，隧道排水量為400L/min，與計算的隧道側向補給量基本相當，說明隧道排水主要來自西側石峽溝的側向補給。

3 結論及建議

第一，根據雁門關水文地質資料和隧洞漏水量統計及研究區降雨統計，建立了雁門關隧洞區水動力場和滲流場反演模型，得到了各巖層入滲率和入滲強度：入滲率灰巖為0.3，變質巖為0.04。

第二，在豐水年，西洞滲漏量為7.9L/s，東洞滲漏量為3.17L/s，泉qs09-1滲漏量為5.2L/s，泉qs09-2滲漏量為4.8L/s，泉qs09-3滲漏量為11.2L/s。

第三，隧洞滲漏水主要來自灰巖裂隙水，即大氣降水補給，由于泥巖和變質巖透水性較小，入滲地下水無法補給變質巖，而在灰巖形成了較高地下水位，在斷層F1東南部隧道（K594+500—K594+826段）內，由于裂隙發育，灰巖內地下水沿裂隙滲漏到隧道內。在斷層F1西北部隧道內，由于泥巖和灰巖阻水作用，灰巖發育較好，灰巖內地下水無法流入隧道內，因此隧道內沒有滲漏點。

針對隧洞滲漏問題提出以下建議：由于隧洞滲漏水主要來自灰巖裂隙水，要查明滲漏通道，采用封堵的方法封堵來自隧洞附近的滲漏通道，同時將滲漏通道封堵段前方的水通過排不溝等設施導引到其他位置，以降低水壓力因季節性波動帶來的脈動影響；或者順隧道滲漏地下水的來水方向設置排水設施，排泄地下水，防止或減弱滲入隧道內的水量。