北武夷山隧道嵐谷斜井涌水預報技術(shù)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

涌突水是隧道工程常見的病害之一，不但影響施工進度，增加建設(shè)費用，影響隧道穩(wěn)定和安全，也會引起地下水位的下降。在隧道涌水的所有可能來源(地表水、圍巖中的地下水以及降水)中，地下水無疑是誘發(fā)事故的主要因素。地下水的變化加劇了隧道水害的形成，影響隧道的正常施工和運營。因此，隧道地下水涌水的預測及其引起地下水位下降的預測已成為隧道設(shè)計、施工和建設(shè)的重要部分。

1　隧道工程及區(qū)域水文地質(zhì)概況

1.1　隧道工程概況

合福鐵路客運專線是京福鐵路客運專線的重要組成部分，是溝通華中與華南地區(qū)的一條大能力客運通道，途徑安徽省、江西省及福建省三省。該斜井工程位于江西省與福建省交界處的武夷山脈北側(cè)，隸屬江西省上饒縣五府山鎮(zhèn)甘溪村，是合福鐵路最長隧道北武夷山隧道的第二個輔助坑道。

斜井位于線路里程DK524+500～DK526+300右側(cè)，與正線夾角約8°，在斜井里程X2DK0+113.392～+041.907處設(shè)半徑50 m的彎道，后與正線正交于DK526+300處，全長1 839.484 m。

1.2　水文地質(zhì)條件概況

武夷山脈屬于中亞熱帶季風氣候，四季分明。歷年平均氣溫18.8 ℃，極端最高氣溫41.2 ℃、極端最低氣溫-6.8 ℃；歷年平均相對濕度76%。年平均降水量1 923.2 mm、年最大降水量2 731.6 mm、年最小降水量1 366.5 mm、年平均降水日數(shù)153 d，降水主要集中在4～6月，占年降雨量的50.5%，其中雨季(5～6月)降雨量占全年的38.1%；日最大降水量218.3 mm；雨季多集中于5～6月，7～9月多雷陣雨。多年平均降水量1 780 mm，雨量豐富。

斜井緊臨禹溪河，兩節(jié)理密集帶穿越斜井與禹溪河相連，且X2DK0+900左500 m處有一攔水壩，為一小型發(fā)電站(天益電站)，攔水壩蓄水與X2DK0+009～+210節(jié)理密集帶相通。

斜井XJ2DK0+009～+210、XJ2DK0+630～+915兩節(jié)理密集帶處路面高程分別為500～530 m、570～590 m，而兩節(jié)理密集帶與禹溪河交匯處的溝底高程分別約為800 m、750 m。斜井開挖后改變了該處地下水的排泄方向，地下水沿XJ2DK0+009～+210、XJ2DK0+630～+915兩節(jié)理密集帶排入斜井，斜井成為該段地下水的排泄區(qū)。

故地下水類型主要為構(gòu)造裂隙水和基巖裂隙水，受禹溪河及基巖裂隙水補給。由于山體切割強烈，溝谷縱橫，地下水徑流途徑較短，水量受禹溪河水豐枯情況影響較大。

2　地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容

2.1　地層巖性

區(qū)內(nèi)出露為侏羅系上統(tǒng)南園組(J3n)流紋質(zhì)凝灰熔巖，巖性單一，主要為灰色、青灰色，巨厚層—塊狀構(gòu)造，凝灰熔巖結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整。受巖體節(jié)理影響，局部地段巖體較破碎。

2.2　地質(zhì)構(gòu)造

通過三維遙感解譯、地表調(diào)查測繪、附近的物探分析及洞內(nèi)工作面情況調(diào)查，經(jīng)綜合分析認為斜井范圍內(nèi)并無主要的斷層構(gòu)造，主要發(fā)育有兩條節(jié)理密集帶分別與斜井小角度相交。兩節(jié)理密集帶特征如下。

①XJ2DK0+009～+210節(jié)理密集帶：產(chǎn)狀為226°∠80°，長約1.3 km，寬約200 m，始端(左上方)與天益電站水庫相連，中間與斜井軸線呈約37°相交于XJ2DK0+009～+210間，帶內(nèi)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙充填方解石晶體，巖體破碎，地下水沿密集帶噴出。

②XJ2DK0+630～+915節(jié)理密集帶：產(chǎn)狀為226°∠73°，長約1.1 km，寬約280 m，始端(左上方)與禹溪河相連，中間與斜井軸線呈約38°相交于XJ2DK0+630～+915間，帶內(nèi)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水沿密集帶流出。

構(gòu)造地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖2　節(jié)理密集帶構(gòu)造地質(zhì)縱斷面

2.3　涌水概況

2011年2月至12月,隨著斜井開挖不斷深入，涌水量也隨之不斷增加，進入枯水期(11、12月份)后，涌水量有所回落。最小涌水量出現(xiàn)在2月下旬，涌水量約為4 500 m3/d(隧道工作面里程約為X2DK0+900)；3、4、5月,份隨著工作面的推進，涌水量逐漸增加，6、7、8、9四個月份涌水量最大，約為15 000～16 000 m3/d；10月份后進入枯水期，涌水量逐漸減少。12月份下旬斜井貫通，通過現(xiàn)場實測，全斜井涌水量約為11 150 m3/d，其中X2DK0+009～+210節(jié)理密集帶涌水量約為6 420 m3/d，X2DK0+630～+915節(jié)理密集帶涌水量約為3 140 m3/d。

3　涌水預報

根據(jù)以上對地質(zhì)構(gòu)造及地下水給排關(guān)系的分析，可以確定地下水的補給來源主要為大氣降水，其補給量的多少受降水強度、降水持續(xù)時間、地形及地表節(jié)理裂隙的發(fā)育程度控制。根據(jù)以上研究成果，采用降水入滲法和水動力學法等手段對工作區(qū)涌突水量進行了預測。

降水入滲法公式為

Q=2.74×a×W×A

(1)

式中：Q為隧道通過含水體地段的涌水量/(m3/d)；a為降水入滲系數(shù)；W為年降水量，計算正常涌水量為Qs時取1 923.2 mm，計算最大涌水量Q0時取2 731.6 mm；A為隧道通過含水體地段的匯水面積/km3；其中XJ2DK0+009～+210節(jié)理密集帶A取3.77 km2，XJ2DK0+630～+915節(jié)理密集帶A取2.30 km2。

最大單位涌水量公式為

q0=Q0/L

(2)

式中L為隧道通過含水體的長度/m。XJ2DK0+009～+210節(jié)理密集帶L取200 m，其中XJ2DK0+630～+915節(jié)理密集帶A取275 m。

經(jīng)驗算，XJ2DK0+009～+210節(jié)理密集帶正常涌水量為5 960 m3/d，實際涌水量6 420 mm3/d，標準誤差為7.17%。

XJ2DK0+630～+915節(jié)理密集帶正常涌水量為3 030 m3/d，實際涌水量3 140 m3/d，標準誤差為3.50%。

古德曼經(jīng)驗公式

(3)

式中Q0為隧道通過含水體地段的最大涌水量/(m3/d)；K為含水體滲透系數(shù)/(m/d)；H靜止水位至洞身橫斷面等價圓(面積等價)中心的距離/m；d為洞身橫斷面等價圓直徑/m；L為隧道通過含水體的長度/m。

經(jīng)驗算，XJ2DK0+009～+210節(jié)理密集帶正常涌水量為7 520 m3/d，實際涌水量6 420 m3/d，誤差17.13%。

XJ2DK0+630～+915節(jié)理密集帶正常涌水量為3 030 m3/d，實際涌水量3 224 m3/d，誤差2.67%。

對比兩種公式與實際涌水量的誤差，降水入滲法的預報結(jié)果在該地區(qū)的準確性相對較高。

4　結(jié)論

(1)閩贛山區(qū)山的直線型深溝有可能是斷層或節(jié)理密集帶，應(yīng)該做為勘察重點。

(2)如果地質(zhì)構(gòu)造與常年有水的河道或水庫連通，降水入滲系數(shù)、含水體滲透系數(shù)等取最大允許值，同時，匯水面積應(yīng)乘以2～3的系數(shù)。

(3)隧道輔助坑道的選線應(yīng)重視地質(zhì)選線，盡量繞避地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，特別是地下水發(fā)育的斷面或節(jié)理密集帶。

[1]地質(zhì)技術(shù)方法研究隊.水文地質(zhì)手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，1983

[2]鐵道部第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：人民交通出版社，1975

[3]TB 10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[4]TB 10204—2002鐵路隧道施工規(guī)范[S]

[5]于書翰，杜漠運.隧道施工[M].北京:人民交通出版社，1999

[6]易萍麗.現(xiàn)代隧道設(shè)計與施工[M].北京:中國鐵路出版社，1997

[7]高山，馮光勝.三維遙感鐵路工程地質(zhì)勘察技術(shù)應(yīng)用研究[J].鐵道勘察，2009(1):36-39

[8]李建偉.某鐵路隧道水文地質(zhì)分析及涌水量預測[J].鐵道勘察，2011(6):72-75

[9]許志強，賀艷麗.內(nèi)蒙古高原地區(qū)鐵路水文分析研究[J].鐵道勘察，2012(6):36-38

[10] 劉建，劉丹.巖溶隧道建設(shè)引起的地下水環(huán)境負效應(yīng)研究—以銅鑼山隧道為例[J].水土保持研究，2009，16(3):268-271