永壽梁隧道地下水的成因、分布規律及施工措施研究

趙春華（中國中鐵隧道集團有限公司杭州公司，浙江　杭州　310000）

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永壽梁隧道地下水的成因、分布規律及施工措施研究

趙春華
（中國中鐵隧道集團有限公司杭州公司，浙江杭州310000）

摘要：根據勘探資料，分析了永壽梁隧道地下水形成的自然條件、賦存條件與分布規律，確定了地下水的補給、徑流、排泄條件，進行了隧道水文地質條件分析與評價，提出了施工措施建議。

關鍵詞：隧道；地下水成因；分布規律；施工措施

在隧道施工過程中對圍巖中地下水的認識和研究一直被設計和施工技術人員所關注，王鵬研究了烏鞘嶺隧道涌水原因分析及處治措施[1]；汪海濱研究了山嶺隧道地下水規律及防治方法[2]；梁詔斌等進行了礦山法隧道地下水控制分析[3]，研究了采取不同的防水措施時，地下水滲流對周圍環境的影響及作用在隧道襯砌結構上的水壓力的分布規律；王秀英等進行了山嶺隧道堵水限排圍巖力學特性分析[4]；張志強等進行了圓梁山隧道在高水位條件下支護結構體系研究[5]，黃濤等進行了滲流一應力一溫度耦合下裂隙圍巖隧道涌水量的預測[6]；王建宇分析了隧道圍巖滲流和襯砌水壓力荷載[7]。本文結合永壽梁隧道工程實際，研究了地下水的成因、分布規律，同時提出了施工措施建議。

1　區域地下水形成的自然條件

永壽梁隧道位于陜西省永壽縣、彬縣境內，地處渭北黃土南緣，涇（河）渭（河）分水嶺東端。永壽梁隧道穿越永壽縣黃土溝梁區，隧道洞身通過地區為溝谷深切的寬梁地形，屬低中山地貌。嶺脊基本呈東西向，埡口西高東低，由西向東逐漸趨緩，支脈漸增，分水嶺南坡緩、北坡陡，除北側太峪河寬谷較寬外，其它溝谷均強烈下切，如：蔡家山溝、干板溝、冰凌溝、陡坡溝多呈坡陡谷深的黃土“V”型溝，溝谷呈樹枝狀，溝深相對高差100～200m。

永壽梁以北及蒿店梁以東的地表水匯入涇河，永壽梁以南與蒿店梁以西的水匯入渭河，較大沖溝溝底常有小股水流。

永壽梁黃土覆蓋，僅嶺頂及溝底零星出露基巖。分水嶺頂（靠線路附近）標高1390m，嶺兩側黃土塬頂標高約為1240m及1160m。

據永壽縣、彬縣氣象站氣象資料顯示：本區屬于南溫帶大陸性亞濕潤氣候區，夏季炎熱，冬季寒冷，春秋兩季多風，四季分明。降水主要集中在7、8兩個月，年平均降水量571.5（永壽縣）～566.3mm（彬縣）。

永壽梁隧道進口地表水為泔河上游支流，流量較小，由于人工土壩攔截，在進口溝谷處形成積水；出口為太峪河支流，為常年流水，流量較大，泔河為渭河支流，太峪河為涇河支流。隧道通過區沖溝發育，較大沖溝溝底常有小股水流，該水流主要是基巖裂隙滲出水及泉水匯集于地表形成的，多為常年流水，除干板溝、冰棱溝中地表水流量較大，分別為1040m3/d、350m3/d，其余溝谷流量一般40～120m3/d，地表水流以沿途基巖裂隙滲出水為主，其次為泉水。泉流量很小，出露位置大多不太明顯，已發現泉眼數量較少，流量較小，一般小于0.3l/s。

隧道工程涉及的地層主要有第四系、白堊系、侏羅系、三疊系等。

2　地下水的賦存條件與分布規律

永壽梁隧道地區地下水的分布規律和賦存條件，受氣候、構造、巖性及地貌的嚴格控制，呈現出特殊性和復雜性。由于隧道區上部為沖積、風積黏質黃土，厚度10～200m不等，所以黃土層中普遍不含水，局部黃土鈣質結核層中存在上層滯水。所以根據隧道通過區出露的地層巖性及地質構造特征,并結合含水介質的不同,將隧道區地下水分為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。前者分布于隧道進、出口及各溝谷中，賦存于第四系沖積粗、細圓礫土和砂層中，接受大氣降水入滲補給，地下水的水量受含水層的分布、埋深和季節性補給等因素影響差異顯著；后者主要儲存于隧道區白堊系下統（K1）礫巖夾砂巖、侏羅系（J）砂巖夾泥巖、三疊系中統（T2）砂巖夾頁巖中，依據儲水裂隙成因的不同，又分為風化裂隙水和構造裂隙水兩類，隧道洞身通過區地下水主要為后者。

隧道通過區出露的基巖地層有白堊系下統（K1）、侏羅系（J）、三疊系中統（T2）三個地質時代的地層，這些地層以角度不整合形式接觸。區內主要的構造特點是斷裂少見，褶皺發育，背、向斜構造軸部與隧道走向垂直，核部及兩翼地層巖層產狀平緩。拜家河溝向斜軸部上層為白堊系礫巖夾砂巖，下部為侏羅系砂巖夾泥巖、礫巖夾砂巖，兩翼主要為三疊系砂巖夾頁巖及侏羅系砂巖夾泥巖；太峪背斜軸部為三疊系砂巖夾頁巖，向東逐次見侏羅系地層。

這些地層中，位于向斜兩翼的三疊系砂巖夾頁巖和向斜軸部上層的白堊系下統（K1）礫巖夾砂巖和下部侏羅系礫巖夾砂巖中構造節理、裂隙發育，且張開性較好，為地下水的儲存、運移提供了良好的場所，是隧道區主要基巖裂隙水含水層（體）。同時，向斜核部為儲水構造，富水性相對較好；太峪背斜核部儲水條件及富水性較差。

3　地下水的補給、徑流、排泄條件

永壽梁隧道地處中朝準地臺的三級構造單元陜北臺凹的彬旬凹陷和北緣撓褶帶的結合部。區內主要的構造特點是斷裂少見，褶皺發育，背、向斜構造南北相間成排，褶皺形態以寬緩型-緩波狀背斜及槽狀-平緩狀向斜為特征。

該地區地形坡度大，切割強烈，為明顯的泄水地形。降水為地下水的主要補給來源，但是降水入滲強度隨地形切割起伏程度的增大而減小，并以附近溝谷為排泄基準面。地下水位與地貌形態及含水層埋深密切相關，水位高程一般在950～1150m左右，溝谷內地表水流高程一般在900～1135m，潛水位高于地表水位，從而可以推斷基巖節理、裂隙為地下水的徑流通道，溝谷為地下水排泄區。隧道區溝谷水、泉水的補給、徑流及排泄基本形成了統一的循環體系。

4　隧道水文地質條件分析與評價

4.1隧道富水性分區

越嶺地區地層種類較多，根據含水介質及賦存條件的不同，劃分為兩種含水巖組，對應這兩種含水巖組，根據隧道區地形地貌、構造特征，結合鉆探、抽、提水試驗及水文測井資料，綜合分析越嶺隧道通過區的富水條件，相應劃分了三個富水性分區。

1）孔隙潛水含水巖組（Ⅰ）

主要由下更新統（Q1）沖積粉質粘土、細圓礫土組成。該含水巖組主要分布在隧道進、出口附近，地下水主要為上層滯水，僅含少量或微量地下水。單位正常涌水量小于100m3/d·km。

2）基巖裂隙水含水巖組（Ⅱ）

主要為白堊系下統礫巖夾砂巖、侏羅系礫巖夾砂巖和砂巖夾泥巖，三疊系中統砂巖夾頁巖相互間以不整合形式接觸，根據巖石節理裂隙發育程度和上覆地層富水條件可將該含水巖組劃分為基巖裂隙水中等富水區(Ⅱ1)和基巖裂隙水弱富水區(Ⅱ2)。

（1）基巖裂隙水中等富水區(Ⅱ1)：該含水巖組分布于隧道淺埋地段的溝谷區和拜家河溝向斜軸部附近，由于上覆黃土層厚度小，基巖破碎，且埋藏淺，易接受大氣降水及溝谷中地表水的季節性補給，并通過節理、裂隙垂向滲透補給下部基巖裂隙水。該巖組地層以侏羅系礫巖夾砂巖、砂巖夾泥巖和三疊系砂巖夾頁巖為主，節理、裂隙發育，且連通性較好，主要為構造裂隙水，水量較大，單位正常涌水量約1000～2085m3/d·km。

（2）基巖裂隙水弱富水區(Ⅱ2)：該含水巖組主要分布于太峪背斜附近和隧道嶺脊及緩坡地帶，埋深大，上覆黃土層厚度相對較大，降水入滲補給條件較差，雖然下部侏羅系礫巖夾砂巖、砂巖夾泥巖和三疊系砂巖夾頁巖地層中節理、裂隙較發育，但水量卻相對較小，單位正常涌水量約466～810m3/d· km，主要為構造裂隙水。

4.2隧道水文地質條件評價

永壽梁隧道地區的地址和水文條件較為復雜，大部分地區覆蓋有厚層黃土。第四系上更新統馬蘭黃土，風積成因為主，孔隙發育，壁立性強，具濕陷性；第四系中更新統離石黃土，風積成因為主，頂部局部具濕陷性。根據土工試驗報告計算，隧道進口段黏質黃土具Ⅱ級自重濕陷性，總濕陷量35～54cm，濕陷土層厚度約13m。出口段黏質黃土具Ⅲ級自重濕陷性，總濕陷量44～55cm，濕陷土層厚度9～14m。本區范圍屬于黃土溝梁區，有滑坡、錯落數十處，主要為黃土沖溝滑坡（錯落），這與地層分布、巖性產狀、溝谷切割及地下水有密切關系。線路以隧道形式通過，且進、出口均已繞避，所以，對隧道工程影響不大，但在崔家溝、干板溝、冰凌溝等溝兩側坡面，多為陡坡淺層高角度小型滑坡、錯落及溜坍、坍塌，坡面凌亂，滑體、錯落及溜坍、坍塌堆積物主要為黏質黃土，堆積物前緣堆積于溝底，無明顯的規律，由于洞身埋深較大，地表滑坡、錯落對隧道基本無影響。

第四系中、下更新統黏質黃土中夾有灰黃色、棕紅色古土壤，呈層狀，厚度0.2～1m，從巖芯外觀看具有膨脹巖土的基本特征，在隧道進出口及各斜井井口處均有分布，自由膨脹率一般在50%～60%，陽離子交換量196～211mmoL/kg，蒙脫石含量15.9%～18.5%，具有弱膨脹性。侏羅系泥質砂巖、泥巖自由膨脹率37%～51%，陽離子交換量175～257mmoL/kg，蒙脫石含量8.1%～12%，具有弱膨脹性。

隧道區溝谷發育，除隧道進出口兩側的蔡家山溝、陡坡溝外，還發育有富家溝、崔家溝、干板溝和冰棱溝等多條較大的溝谷，溝谷地段上覆黃土層厚度小，基巖埋藏淺，局部地段基巖甚至出露，基巖裂隙水易接受大氣降水及溝谷中地表水的入滲補給，富水性中等；拜家河溝向斜軸部附近有利的儲水條件，使其賦水性較好；太峪背斜附近和隧道嶺脊及緩坡地帶，富水性相對較弱。

永壽梁隧道區較大溝谷中多有泉水出露，雖然流量較小，但多為常年流水，可見隧道區基巖裂隙水補給較穩定，節理、裂隙較發育，且連通性較好。隧道區溝谷地表水、泉水是當地居民唯一的生活飲用水源，施工中，應密切注意施工排水對地表水、泉水的影響，做好相應的監測工作，以免疏干水源；地下水對隧道圍巖及施工有一定的影響，隧道通過基巖裂隙水中等富水區時，預計洞身及1、2、3號斜井開挖時，可能發生集中涌水、滲漏水、圍巖失穩坍塌等危害，施工中應注意做好地質超前預報工作，并及時做好相應的防護措施，對滲漏水處應采取注漿堵水等措施；隧道穿越基巖裂隙水弱富水區時，施工中可能發生滲漏水、滴滲水及圍巖失穩坍塌等危害，局部段落也不排除有涌水的可能性，應注意做好基礎的防水設計；進入松散層孔隙水貧水區時，涌水量較小，對隧道影響不大，局部段落可能會發生輕微的滴滲水。

若雨季施工干板溝、冰凌溝隧道淺埋段，由于上、下游溝谷不暢，溝內積水，地表水沿黃土和基巖節理裂隙下滲，使隧道洞身成為富水區，施工中有可能產生突然涌水現象，應加強監測。

5　結論及工程措施建議

1)永壽梁隧道的水文地質條件受區域水文地質特征的控制和影響。地下水的形成主要是水地表水通過基巖構造裂隙、溶蝕裂隙、風化裂隙滲流到基巖層的儲水構造中，形成相對穩定的地下水水動力循環帶。

2)2#斜井進口位于干板溝右側一支溝溝口，與線路呈40°相交于DK103+950，平面長度1018m，該支溝溝谷較窄，溝心及兩側岸坡樹木茂密，雜草叢生，溝心有常年流水，水量較小。斜井洞身穿過白堊系礫巖夾砂巖及侏羅系砂巖夾泥巖、礫巖，巖體節理較發育，Ⅳ級軟石。井口處第四系地層覆蓋，進口右側分布一大型錯落，工程地質條件一般。

3)隧道進出口部分段落隧道走行于土石界面附近，洞身圍巖以沉積巖為主，圍巖產狀變化較大，層間結合差，軟硬不均，極可能產生圍巖失穩、坍塌、突然涌水等工程地質問題，設計和施工時對軟弱段應加強措施，施工時應加強超前地質預報工作，并根據超前預報的地質情況，提出工程措施意見，以保證隧道施工工程安全。

4)進出口段黏質黃土中古土壤層具弱膨脹性，洞身處泥質砂巖、泥巖具弱膨脹性，施工時應注意。

5)隧道設置雙側水溝排水，道床底部預埋鍍鋅鋼管連接左右側水溝，為隧道側溝內的水盡量均勻分配，利用橫通道側溝連接I、II線水溝。

6)拱墻背后設置厚度不小于1.5mm的EVA防水板，板后鋪設無紡布緩沖層（＞300g/m2）；

7)防水板背后拱墻環向設Φ50mmHPDE單層打孔波紋管盲溝，墻腳縱向設Φ75mmHPDE單層打孔波紋管盲溝。環向盲溝與縱向盲溝均直接與隧道側溝連通。環向盲溝縱向間距按中等富水區6～8m、弱富水區8～10m、貧水區10～12m一道設置，并分段引入隧道側溝內，引排防水層背后的積水。

8)施工縫防水構造為外貼止水帶+中埋橡膠止水帶，橫通道及其它非機電綜合洞室的襯砌施工縫采用單一防水構造：即中埋橡膠止水帶。變形縫采用外貼止水帶+中埋橡膠止水帶+嵌縫材料。

9)施工中，一方面對水文地質及地表水文環境進行監測與跟蹤，采用地質超前預報技術探明前方水文地質情況，提前疏排或注漿止水；另一方面，要做好應急準備，一旦發生涌水，要盡快安裝抽水設施，迅速排出，應按最大涌水量配備排水設備，確保安全。對可能發生涌水的部位及時采取措施，避免突發性、災害性涌水的事故。超前帷幕注漿法的設計注漿參數為：漿液水灰比（W/C）為1：1，水玻璃濃度為35波美度，模數2.4，水泥水玻璃體積比（C/S）為1：0.6，單孔有效擴散半徑R取3m，初始壓力控制在0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa，一次注漿長度為15m，每次開挖12m，留3m作為下一循環注漿止漿盤，注漿設計范圍為隧道開挖輪廓線外5m，開挖斷面內均布注漿孔三環，從外向內每一環的外插角依次為：20°～23°、10°～13°、2°～5°，采用分段前進式全孔一次壓入式兩種注漿方式。

10)施工排水工作方式

（1）進口端排水：正洞掌子面積水采用移動潛水泵抽至設在洞內一側的泵站，由工作泵將水倉積水經管路抽排至下一級泵站，如此接力抽排至洞外，沉淀過濾后排放。

（2）斜井工區：在自掘的過程中可不設水倉，工作面的積水由移動潛水泵抽排至臨時水倉內，由臨時水倉抽排至洞外；斜井施工正洞時，斜井井底、井身設水倉及泵站，正洞滲水和斜井自身滲水以及施工用水均由斜井排出洞外。斜井擔負正洞反坡施工段較短，采用移動潛水泵將水抽至斜井底，再通過斜井泵站抽至洞外，水量較大時，在正洞中設置水倉。

（3）水倉尺寸按15min設計涌水量設計，并考慮施工和清淤方便綜合確定。工作水泵按使用一臺、備用一臺、檢修一臺配備，排水管采用承壓鑄鐵管。

參考文獻：

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[8]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

中圖分類號：U45