龍南隧道施工涌水量計算及分析

任增增

(貴州大學 國土資源部喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 550081)

1 工程概況

擬建龍南隧道位于江西省贛州市全南縣和龍南縣境內，線路近正北、北西走向。場區以剝蝕構造低山為主，地形起伏，局部陡峭，溝谷狹長，多呈V字型。隧道穿越變質砂巖、花崗巖、砂巖、石英砂巖等地層，隧道起訖里程為DK91+531～DK101+775.27，全長10 244.27 m。隧道穿越低山區，沿線地面標高210～860 m，隧道地質構造及水文地質條件較復雜，屬控制性重點隧道工程。隧道進口內軌設計標高236.272 m，出口內軌設計標高261.153 m，隧道最大埋深約580 m。

2 地質條件概述

2.1 地層巖性

隧道區出露的地層有第四系全新統(Q4)覆蓋層及泥盆系老虎坳組(D2l)、寒武系高灘組(∈2gt)、燕山期(γ52)巖層。沿線出露的地層巖性由新至老分述如下：

2.1.1 第四系全新統(Q4)

區內分布的第四系全新統地層主要為溝谷底部的沖洪積層(Q4al+pl)以及山坡地帶的殘坡積層(Q4el+dl)。

沖洪積層(Q4al+pl)，粉質黏土，黃褐色，可塑，厚度0～5 m，局部為圓礫土，稍密，厚約5 m，分布于進出口谷底附近及沿線溝谷地段。

殘坡積層(Q4el+dl)，分布于進出口緩坡處及低山山坡表層，為粉質黏土，黃褐色，硬塑，厚度為0～3 m。

2.1.2 燕山期(γ52)

主要分布于DK91+910～DK98+290附近，巖性主要為黑云母花崗巖，全～弱風化。花崗巖全風化層厚0～10 m，呈砂土狀，結構松散，強風化層厚3～15 m，巖體破碎，弱風化節理裂隙較發育，巖體較破碎～較完整。

2.1.3 泥盆系老虎坳組(D2l)

主要分布于DK98+290～DK101+775.27(隧道出口)附近，巖性主要為砂巖、石英砂巖，由鉆孔揭示局部夾灰巖，隱晶質結構，薄層狀構造。地表全～強風化層厚3～25 m，其下為弱風化。弱風化呈青灰色，節理、裂隙較發育，巖體較完整，巖層產狀227°∠40°、66°∠40°、45°∠50°。

2.1.4 寒武系高灘組(∈2gt)

主要分布于DK91+533(隧道進口)～ DK91+900附近，巖性主要為高灘組(∈2gt)變質砂巖，地表全～強風化層厚10～25 m，其下為弱風化。弱風化呈青灰色，巖體較完整，巖層產狀41°∠60°。

2.2 地質構造

隧址區處于我國大地構造單元華南褶皺系的九連山隆起區，區域內受燕山期(γ52)花崗巖侵入以及區域中寨(全南)～江頭圩(安遠)大斷裂影響，隧址區構造發育。根據區域地質資料及沿線實際調查，結合震探、EH-4等綜合分析，線路DK91+900以及DK98+290附近分別為燕山期(γ52)侵入花崗巖與寒武系(∈2gt)及泥盆系(D2l)砂巖侵入接觸帶，DK91+900～DK98+290段為燕山期(γ52)侵入花崗巖地層，進口及大里程側為泥盆系(D2l)地層，受到斷層切割，巖層產狀多有變化，主要產狀有327°∠40°、66°∠40°、45°∠50°。隧址區發育10處斷裂帶。

3 水文地質特征

3.1 地表水特征

隧道區地表水系較發育，主要為山間溪溝水，一般呈V型沖溝，屬山區型羽狀溝網匯集而成，主要接受大氣降水補給，具有山區季節性河流特征，其中DK92+120～DK92+160淺埋段地表水發育，山間溝溪水匯集于該處東側750 m處小水庫中，庫水流徑線位，水量大，該段隧道洞身圍巖為花崗巖，埋深約30 m，易發生坍塌冒頂，設計及施工中需加強該段巖體的支護及防排水措施。

3.2 地下水類型

地下水類型為基巖裂隙水，按其賦存空間及區內地層巖性及構造可分：松散巖層孔隙水、風化裂隙水、構造裂隙水及巖溶水。

3.3 地下水的補徑排特征

3.3.1 補給特征

測區地形切割較為強烈，相對高差較大，風化裂隙十分發育，地面植被層較發育，強風化層厚度較厚，大氣降水為地下水主要補給來源。

3.3.2 徑流及排泄特征

部分大氣降水通過裂隙、斷層帶下滲后，通過包氣帶后由垂向徑流轉向水平徑流，其中大部分賦存于淺部的風化裂隙和構造裂隙中，通過短途徑的地下徑流后在溝谷中或懸崖部位以下降泉或散流形式排泄，一般徑流途經短，徑流強度較大，徑流深度較小，地下水水位動態變化大，部分沿著大的構造裂隙和斷層破碎帶向深部徑流，成為深部地下水靜儲量的一部分。

3.3.3 巖溶水補給特征

洞身DK99+000～DK100+500段可能賦存巖溶水，補給途徑主要有3個方面，大氣降水補給、地表水通過溪溝流經區內由裂隙滲漏補給及相鄰地下水系統補給，大氣降水為主要補給途徑。

4 隧道涌水量的計算與評價

根據對地質條件的認識和綜合分析，龍南隧道涌水量計算主要用3種方法：①降水入滲法；②地下徑流模數法；③地下水動力學法，以便綜合對比分析，為隧道設計施工提供指導。

4.1 涌水量計算方法及分析

4.1.1 降水入滲法[1]

1) 計算隧道正常涌水量(Qs)。公式如下：

Qs=2.74α·W·A

式中：Qs為隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；α為降水入滲系數；W為多年平均降水量；A為隧道通過含水體地段的集水面積。

2) 計算隧道最大涌水量(Qmax)。公式如下：

Qmax=2.74α·Wmax·A

式中：Qmax為隧道通過含水體地段的最大涌水量，m3/d，約等于隧道正常涌水量的1.5倍；Wmax為多年最大降水量。

若計算隧道雨季涌水量或設計頻率暴雨涌水量時，降雨量值必須分別采用不同的設計頻率降雨量。計算雨季涌水量(Qs)，設計頻率降雨量的取值選用隧址區多年月最大降雨量的日平均降雨量值。見表1。

表1 隧道分段及降水入滲系數

綜合考慮地質構造與地層巖性，選取合理的降雨入滲參數，結合圈定的集水面積區段(F8斷層帶附近采用地下水動力學法計算)收集的降雨量參數，利用公式進行計算。采用降雨入滲法，龍南隧道洞身可能發生涌水地段(F8斷層除外)正常涌水量為1 922 m3/d，最大涌水量為3 051 m3/d；其余地段均為弱富水區，發生涌水的可能較小，預測最大涌水量為0.5 m3/d·m，即4 113 m3/d；合計降雨入滲法計算的龍南隧道(F8斷層除外)正常涌水量為6 082 m3/d，最大涌水量為7 239 m3/d。

4.1.2 地下徑流模數法[2]

1) 計算隧道正常涌水量(Qs)。公式如下：

Qs=M年·A

式中：Qs為隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；M年為年平均地下徑流模數，m3/(d·km2)；A為隧道通過含水體地段的集水面積，km2。

2) 計算隧道最大涌水量(Qmax)。公式如下：

Qmax=λ·M年·A

經計算，采用地下徑流模數法，龍南隧道洞身可能發生涌水地段(F8斷層帶附近采用地下水動力學法計算)正常涌水量為3 320 m3/d，最大涌水量為4 980 m3/d。見表2。

表2 地下徑流模數法計算表

4.1.3 地下水動力學法[3]

隧道位于有限厚的含水層中，承壓水從富水斷裂帶一側補給，采用下列公式計算山區地下水補給一側的涌水量。

式中：Q為隧道的涌水量，m3/d；B為隧道通過含水體的長度，m；K為含水體的滲透系數，m/d；H為含水層厚度，m；h為水位下降曲線在隧道邊墻上的高度，m；R為隧道涌水量影響半徑，m；M為承壓含水層厚度，m。

隧道洞身在DK99+500～DK99+620段穿過F8斷層，與線路60°斜交，線路穿過斷層的長度在120 m左右，斷層帶巖體破碎，導水及富水性極好；采用地下水動力學法計算隧道本段的涌水量，計算結果見表3。

表3 地下水動力學法計算表

4.2 涌水量分析評價

計算結果表明，DK92+120～DK92+370段(F1斷層破碎帶、淺埋段)、DK92+990～DK93+120段(F2斷層破碎帶)、DK95+190～DK95+330段(F3斷層破碎帶)、DK96+750～DK96+880段(F4斷層破碎帶)、DK97+670～DK98+480段(F5、F6斷層破碎帶)、DK99+160～DK99+250段(F7斷層破碎帶)、DK100+140～DK100+220段(F9、F10斷層破碎帶)及DK101+140～DK101+220段(F11斷層破碎帶)所在隧道洞身區域屬中等富水區，DK99+500～DK99+620段(F8斷層破碎帶)為強富水區，其他段皆為弱富水區，發生突水的可能性較小，但設計及施工中應加強超前地質預報。隧道主要可能涌水部位分布在構造發育區、地表溝谷發育區、花崗巖侵入接觸帶及鉆探揭示可溶巖地段。隧道可溶巖分布段鉆探揭示灰巖巖芯表面局部見較強溶蝕現象，基于巖溶發育的復雜性，推測該段巖溶水及構造富水呈帶狀儲集，多具靜態儲量性質，當隧道開挖至富水帶后易產生靜態水的突水釋放，對施工造成一定程度的影響[4]。尤其是DK99+500～DK99+620段極易發生突水、突泥。

5 結 語

在隧道開挖后，由于卸荷、偏壓等效應使地應力重新分配及爆破擾動等，可能導致淺部裂隙張開，其導水能力增強，易使地表水溪水漏失、流量減少，可能對當地居民生活造成影響[6]。

綜合分析，該隧道地質構造發育，局部巖體較破碎，局部灰巖溶蝕裂隙發育，為地下水的富集提供了有利條件。根據隧道區的地層巖性、地質構造、圍巖富水性分區程度、預測涌水量等判定，該隧道水文地質條件較差[7]。