奧陶系碳酸巖地層隧道水文地質(zhì)特征及其影響分析

鄒福林，許崇幫，楊香英，周幸宇

(1. 中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037；2. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；)

0 引言

奧陶系碳酸鹽巖地層在我國北方分布十分廣泛，是我國煤炭[1-5]、石油、石膏[6-9]等礦產(chǎn)能源的主要賦存地層，如山西的煤礦、陜西的石油礦等；同時，由于奧陶系碳酸巖地層賦存于地殼淺層，該地層成為了我國隧道工程及地下工程設施建設的主戰(zhàn)場之一。奧陶系地層沉積成巖時間短，地層巖性多變，易受地質(zhì)活動影響，該套地層常呈現(xiàn)出較為復雜的地質(zhì)環(huán)境，致使隧道工程在穿越該層時常面臨隧道軟巖大變形[10-14]、巖溶塌方[15-16]、突泥涌水[17-18]、瓦斯突出等重大安全問題。

地下水的存在是導致此類工程問題的主要原因，如富水環(huán)境下松散巖體常導致隧道發(fā)生突泥涌水、地下水匯集溶洞時易發(fā)生突水、膨脹巖層在地下水作用下易誘發(fā)膨脹變形和襯砌失穩(wěn)、軟巖在地下水作用下易發(fā)生軟化造成圍巖失穩(wěn)等。此次依托工程所處的南呂梁山為該套地層的典型代表，南呂梁山中廣泛分布煤礦及采空區(qū)[19]，并且該區(qū)域內(nèi)形成了面積2 250 km2的龍子祠泉域[20]，且石炭紀地層與奧陶紀地層夾多層泥質(zhì)頁巖的碳酸鹽巖形成了非可溶巖和可溶巖(碳酸鹽巖)穿插型接觸的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[21]，而該類型穿插接觸帶的工程特性的認識還有待深入[22]。因此，在該奧陶系地層修建隧道時需要高度重視地下水的發(fā)育狀況，判斷該地段在地下水作用下對隧道的潛在的工程風險。

本研究依托某特長奧陶系碳酸鹽地層隧道工程，從區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)繪、隧址區(qū)地表水調(diào)查、地下水補給關(guān)系測試、隧道地下水出露情況調(diào)查及隧道病害統(tǒng)計分析等角度，綜合分析了該類地層中隧道的工程水文地質(zhì)特征，及其對隧道結(jié)構(gòu)設施長期安全性的影響。

1 依托工程概況

依托工程某山嶺隧道位于山西境內(nèi)呂梁山域內(nèi)，隧道長約10.3 km，最大埋深約550 m。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕-剝蝕基巖山區(qū)地貌區(qū)，地表總體以一定的坡度向東西兩側(cè)傾斜，沖溝發(fā)育；隧道穿越奧陶系碳酸巖地層，地下水較豐富，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，使得隧道建造過程中圍巖誘發(fā)了軟化、膨脹等工程問題，導致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了襯砌開裂、邊墻內(nèi)擠、滲漏水等現(xiàn)象。

1.1 地層巖性

隧道上覆巖層自上而下依次是第四系、二疊系和石炭系及奧陶系地層，隧道洞身位于奧陶系中統(tǒng)地層中。隧道縱向洞身交替穿越奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f1)和上馬家溝組(O2s3)巖層，各組巖層呈近水平狀，向出口方向傾斜。其中K97+300～K100+250和K104+200～K106+500為峰峰組(O2f1)，K100+250～K104+200和K106+500～K108+000為上馬家溝組(O2s3)。在K102+952、K102+184發(fā)育有F34與F8斷層，兩區(qū)段間隧道線位基本位于峰峰組(O2f1)和上馬家溝組(O2s3)的地層分界線上。其中，上馬家溝3段(O2s3)為中厚層狀灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖為主(在隧道K100+396.5～K104+184揭露)，局部地區(qū)存在角礫狀泥灰?guī)r夾層。峰峰1段(O2f1)整體呈現(xiàn)以兩層灰黃色薄層泥灰?guī)r夾一層灰?guī)r特征，下層泥灰?guī)r厚11～59 m，上層泥灰?guī)r厚22～52 m，中間灰?guī)r夾層厚5～10 m(分布于K98+000～K100+396.5)，且兩層泥灰?guī)r均為含石膏層位，如圖1所示。

圖1 地層巖性

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)發(fā)育3處褶皺構(gòu)造、2處斷層構(gòu)造，其中，S1向斜在地表與線路相交于K95+819附近，走向約為N10°E。兩翼傾角8°～26°，核部地層為二疊系上石盒子組灰?guī)r，區(qū)內(nèi)延伸約22 km，是隧道區(qū)的主體向斜構(gòu)造。S2背斜在地表與線路相交于K100+169附近，走向N10°～25°E，兩翼傾角為5°～18°，核部地層出露二疊系下石盒子組地層，區(qū)內(nèi)延伸約10 km。S3向斜在地表與線路相交于K105+444 附近，走向N25°E，兩翼傾角約15°；F8正斷層在地表與隧道線位約呈60°相交于K102+184，斷層走向N15°～20°W，傾角約65°，區(qū)內(nèi)長度約3.5 km；F34斷層與隧道線位直交于K102+952，傾角約80°，斷層破碎帶寬約35～50 m。

1.3 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)屬呂梁山南段水文地質(zhì)單元，呈現(xiàn)低中山區(qū)水文地質(zhì)特征，地下水區(qū)域流向為南偏東向；地表徑流條件較好，大氣降水多沿裂隙下滲，為下伏的淺表基巖裂隙水補給。隧道洞身處地下水類型主要為裂隙-巖溶水，地下水賦存于各類基巖的風化帶及構(gòu)造裂隙中，地下水位及水量隨季節(jié)變化顯著。

此外，項目區(qū)域經(jīng)歷過多次構(gòu)造運動，形成系列復式褶皺、斷裂，彼此互相交錯，互相重疊，從而形成極其復雜的構(gòu)造體系，其中，隧道區(qū)即位于由紫荊山斷裂和羅云斷裂所控制的復式向斜構(gòu)造帶內(nèi)，自身構(gòu)成了本區(qū)獨立的水文地質(zhì)單元。

1.4 氣象條件

隧址區(qū)屬暖溫帶半干旱季風氣候，四季分明，晝夜溫差大。春季少雨多風，冷暖多變；夏季暖熱多雨，氣溫穩(wěn)定；秋季天高氣爽，降溫急促；冬季氣候寒冷，降雪稀少，氣溫變化緩慢。隧址區(qū)多雨年降水量550～600 mm，少雨年300～400 mm，徑流深25～50 mm。年平均氣溫在6～19 ℃。

1.5 隧道滲漏水情況

經(jīng)對隧道內(nèi)滲漏情況調(diào)查，隧道內(nèi)部滲漏水點共計53處。根據(jù)流速將滲漏水狀態(tài)分為4類[12]，分別為滴水、滲潤、流水、噴水，統(tǒng)計分析如圖2所示，典型滲漏水點的特征如表1所示。

圖2 滲漏水狀態(tài)統(tǒng)計

由圖2和表1可知，隧道內(nèi)滲漏水狀態(tài)以滲潤為主，1個測點為噴水，其最大流速為1 374 mL/min。

表1 滲漏水特征統(tǒng)計

2 地下水流通補給路徑分析

2.1 宏觀補給路徑

根據(jù)地勘資料可知，隧道洞身段埋深較大，其中奧陶系地層第四系、二疊系和石炭系地層，且奧陶系地層頂部鋁質(zhì)泥頁巖、粉砂巖、泥巖和石英砂巖等致密巖層，厚度約40 m，具有良好的隔水性能。因此，奧陶系碳酸巖地層裂隙-巖溶水在上覆基巖裂隙水補給時，受上覆隔水地層中構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度所控制。在構(gòu)造裂隙發(fā)育處基巖裂隙水可直接對裂隙-巖溶水進行補給；若構(gòu)造裂隙不發(fā)育時，地下水則沿隔水層進行流動，并流至地質(zhì)斷裂帶處再向下補給裂隙-巖溶水。

2.2 地表水補給關(guān)系測試

隧址區(qū)沿線地表有多處地表水徑流或水體，為查清地表水對隧道地下水的補給路徑，采用無污染的熒光素鈉和RQT增白劑作為示蹤劑，對兩者的補給關(guān)系進行了調(diào)查測試。

(1)示蹤劑投放點確定

在對地下水補給關(guān)系測試前，對示蹤劑投放點進行現(xiàn)場踏勘篩選，綜合地表水源點勘察成果與地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的分布規(guī)律，確定示蹤劑投放點如表2所示。

表2 示蹤劑地表投放點

(2)示蹤劑接收點

示蹤劑接收點采用單點投放多點接收的方式，對隧道內(nèi)滲漏水點位進行定期采集和檢測，通過示蹤劑熒光信號標定補給關(guān)系，其中采集到示蹤劑熒光信號的漏水點如表3所列。

表3 明顯檢測到示蹤劑的接收點

示蹤劑投放點與接收點如圖3所示。

圖3 示蹤劑投放點與接收點

(3)示蹤劑測試結(jié)果

選用FluoroQuik便攜式示蹤熒光儀對水樣的熒光度進行檢測，經(jīng)多次檢測對比，確定示蹤劑投放點與隧道內(nèi)滲漏點補給關(guān)系如表4所列。

表4 示蹤劑投放點與隧道內(nèi)滲漏點補給關(guān)系

綜合繪制地表水源對隧道內(nèi)滲漏水的補給路徑如圖4所示。

圖4 地表水對滲漏水的補給關(guān)系縱斷面

由圖3和圖4可見:

(1) 地表水對地下水的補給關(guān)系受地質(zhì)構(gòu)造控制與制約。其中褶皺構(gòu)造的影響尤為顯著，如水源T12點對Z1，Z2，Y1，Y2的補給，其次是斷層構(gòu)造，如水源T3，T8，T9對Y5，Y6，Y7點的補給。

(2)根據(jù)示蹤劑投放點與接收點的平面關(guān)系，隧址區(qū)地下水整體流向為自北向南流通，與區(qū)域地下水流通主體方向基本一致。

3 地下水對隧道長期穩(wěn)定性影響

3.1 隧道滲漏水與襯砌病害關(guān)聯(lián)性

根據(jù)隧道病害段落和隧道滲漏水點的統(tǒng)計如圖5所示，81.13%的滲漏水點分布在隧道病害段落。

圖5 滲漏水點與隧道病害處治段的關(guān)系

3.2 軟巖段地下水的影響

隧道軟巖區(qū)段主要為泥灰?guī)r和膏溶角礫巖，這兩類巖具有明顯的遇水膨脹軟化如表5所示，其中，在水作用初期存在一定膨脹力，膨脹力可達為800 kPa和350 kPa。

表5 隧道軟巖力學參數(shù)

因此，此類區(qū)段隧道圍巖在無地下水作用時，能夠保持較好的完整性，且具有一定的自承載能力；而在地下水作用下圍巖發(fā)生膨脹軟化，圍巖對支護結(jié)構(gòu)額外施加了0.35～0.8 MPa的膨脹荷載。同時，受圍巖軟化作用其強度降低、承載能力降低，造成隧道承擔荷載增加大幅增加，從而導致隧道仰拱隆起、襯砌開裂。

3.3 石膏巖段地下水影響

隧道石膏質(zhì)巖段除圍巖自身的軟化膨脹特性外，在地下水作用下還釋放出硫酸根離子如表6所示，經(jīng)測試滲漏水中硫酸根離子濃度最大可達1 692 mg/L。這些硫酸根離子滲入到混凝土中和水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應，生成具有膨脹性的侵蝕產(chǎn)物，在低溫條件(小于15 ℃)時，容易產(chǎn)生碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕，造成混凝土泥化喪失承載能力，襯砌混凝土出現(xiàn)開裂、剝落，并且由于混凝土腐蝕一般最初發(fā)生于混凝土與圍巖交界面處，具有較強的隱蔽性。

表6 滲漏水水質(zhì)檢測成果

綜上可見，地下水對隧道支護結(jié)構(gòu)的影響與隧道圍巖巖性密切相關(guān)，在軟巖條件下地下水易導致圍巖軟化隧道襯砌荷載增加，致使隧道襯砌發(fā)生開裂、隧道底部隆起等；石膏質(zhì)巖段隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地下水作用下容易誘發(fā)混凝土腐蝕，該類病害具有隱蔽性強、危害性大的特點。

4 結(jié)論

(1)奧陶系碳酸巖地層隧道地下水總體上以地表降水補給、沿地質(zhì)構(gòu)造流通匯集為主，地下水發(fā)育狀況是受區(qū)域水文地質(zhì)主導和局部地質(zhì)構(gòu)造控制。

(2)地下水對隧道支護結(jié)構(gòu)的影響，受隧道圍巖巖性控制，軟巖條件下易導致圍巖軟化隧道襯砌荷載增加，致使隧道襯砌裂損。

(3)在石膏質(zhì)巖段隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地下水作用容易誘發(fā)混凝土腐蝕，該類病害具有隱蔽性強、危害性大的特點。