麗江至寧蒗高速公路竹林村隧道涌水量預測

陳 偉，郎學領，陳昶均，陳 亮

(云南省有色地質局三一七隊，云南 曲靖，655000)

麗江古城至寧蒗高速公路位于云南麗江市境內，項目起點麗江古城區(qū)，終點寧蒗縣。竹林村隧道是本條高速公路重點控制性工程之一，進口位于寧蒗縣金棉鄉(xiāng)南東部山間溝谷內，出口位于寧蒗縣寧利鄉(xiāng)白草坪村畢摩谷加油站南西部河谷內。隧道為分離式隧道，起點樁號右幅K69+745(左幅ZK69+745)，止點樁號右幅K75+195(左幅ZK75+185)，隧道全長右幅5450m(左幅5440m)，最大埋深580m。

本文通過竹林村隧道建設場地工程地質、水文地質條件調查及隧道涌水量預測，對竹林村隧道項目建設可能誘發(fā)的地質災害和環(huán)境地質問題進行分析、預測，評估其對工程和環(huán)境的影響。為竹林村隧道施工及使用提供可靠的地質資料。

1 地形地貌及氣象

竹林村隧道地處構造侵蝕剝蝕中山地貌區(qū)，地形起伏較大，隧址區(qū)高程2534m～3195m，相對高差約661m。隧道進口地形坡度約20°～25°；出口仰坡地形坡度約30°～50°，進口植被以雜草為主，出口段植被較發(fā)育，以喬木為主。據當地氣象資料，多年平均氣溫12.9℃，降雨量894.6mm～927.4mm，蒸發(fā)量2177.1mm～2399.9mm。

2 地質背景

2.1 地層巖性

根據工程地質調查及鉆探結果，隧址區(qū)地層從新到老簡述如下(圖1)：

圖1 竹林村隧道地質簡圖

(2)三疊系上新安村組上段(T3x2)：褐黃色、灰、灰綠色泥巖，薄層狀構造，泥質結構，局部夾煤線。灰、灰白色砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線。灰、深灰、灰綠色粉砂質泥巖，泥質結構，薄層狀構造，局部夾煤線。下段(T3x1)：灰、灰白色砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線。灰、深灰色頁巖，頁理結構，薄層狀構造，局部夾煤線。褐黃色、灰、灰綠色泥巖，薄層狀構造，泥質結構，局部夾煤線。褐灰、灰白色泥質粉砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線。

(3)三疊系上統松桂組(T3sn)：灰、灰白色砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線。褐黃色、灰色泥巖，薄層狀，泥質結構，局部夾煤線。灰、深灰色頁巖，頁理結構，薄層狀，局部夾煤線。褐灰、灰白色泥質粉砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線。

(4)三疊系上統中窩組(T3z)：灰黑色泥質灰?guī)r，夾黑色煤線，厚度0.1m～0.5m，頂板以頁巖為主；底板以砂巖為主。

(5)三疊系中統北衙組中段(T2b2)：灰、淺灰色白云質灰?guī)r，中-厚層狀構造；北衙組下段(T2b1)：灰、灰白色砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線。

(6)三疊系下統臘美組(T1l)：灰、灰紫、灰綠色砂巖，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾頁巖，底部為礫巖。

2.2 地質構造

斷層呈近南北波狀延伸，斷面傾向西，傾角50°～80°，為逆斷層；西盤向東仰沖，斷裂兩側巖體陡立，并產生牽引，斷距達1.0km左右，斷裂西盤由三疊系松桂組、中窩組、北衙組等組成，東盤由新安組、松桂組等組成，受構造影響，沿斷層砂頁巖中小褶皺發(fā)育。

2.3 新構造運動及地震

該區(qū)新構造運動主要表現在挽近期地殼運動不斷均衡升降與扭動，致使地勢反差強烈和地緣景觀差異，主干斷裂具有多期活動特點，近期構造活動不明顯，屬于相對穩(wěn)定區(qū)。根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，隧址區(qū)地震動峰值加速度值0.20g，地震動反應譜特征周期0.45s，地震基本烈度Ⅷ度，隧道按相應地震動參數抗震設防。

3 水工環(huán)地質條件

3.1 水文地質條件

(1)地表水：隧址區(qū)地表水主要為降雨形成的面流、片流，局部地段分布有沖溝。

(2)地下水：場地內地下水類型主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。孔隙水主要賦存于第四系沖洪積、殘坡積層中，接受大氣降水補給，順地形向低凹地段排泄，該含水層沿斜坡呈不規(guī)則帶狀分布，厚度較小，富水性弱，排泄快；基巖裂隙水賦存于巖層裂隙發(fā)育地帶及強風化帶中；巖溶水賦存在白云質灰?guī)r中，場地內巖溶較發(fā)育，地下水具有良好的儲存、運移空間；地下水埋深較大，隧址區(qū)地下水富水性一般。

推薦方案竹林村隧道全長5450m，線路里程K69+745～K75+195。剝蝕構造長恒狀中山地形區(qū)，整體地形主要向南東傾斜。金棉河中游南岸支流竹林河右岸入口處隧道底板高程約2550m，該段溝谷河床高程大致2480m，西側金棉河河床高程大致1860m；拉鹿河上游右岸白草坪一帶隧道出口高程約2653m，該段土庫河溝床高程大致2650m；隧道途徑地面最高點約3190m，位于K72+765上方。隧道處于寧蒗縣寧利鄉(xiāng)南西側山脈部位，以區(qū)段最高點為界，分屬兩大流域，南西側為金棉河支流，北東側為拉鹿河支流。隧道所穿越含水巖組、斷層等構造分布范圍圖2，工程水文地質特征分4段概述如下：

圖2 竹林村隧道工程地質縱斷圖

K69+745～K70+786段：出露T2b2中厚層-塊狀白云質灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r、結晶灰?guī)r。區(qū)段東側被F95斷層錯切。主要賦存層型巖溶裂隙水。進口段里程K69+893～K69+929位于溝谷北側，堆積有坡殘積物，巖土體松散，圍巖等級Ⅴ，穩(wěn)定性差，開挖易冒頂、側壁易垮塌，易發(fā)生涌水。隧道區(qū)地段未有泉點出露，區(qū)域上該地層最大泉水流量240.80L/s，最小泉水流量0.03L/s，地下徑流模數常見值4.74L/s·km2～12.21L/s·km2，巖組總體富水性強。

K70+786～K72+514段：出露T3x2上部頁巖、泥巖夾長石石英砂巖及煤線，下部長石石英砂巖夾砂巖、砂質頁巖、頁巖。區(qū)段東側被F95斷層錯切，西側與T3x1相接。主要賦存碎屑巖層間裂隙水，圍巖等級Ⅳ，巖性為泥巖、頁巖、砂巖夾煤層，巖質較軟，受水浸泡易軟化，失水風干后易崩解，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂狀結構，穩(wěn)定性較差。開挖易冒頂、側壁易垮塌，易發(fā)生涌水。該地段調查泉水點4個，最大泉水流量1.519L/s，最小泉水流量0.071L/s，地下徑流模數常見值1.34L/s·km2～4.87L/s·km2，富水性中等。

K72+514～K73+506段：出露T3x1上部頁巖、泥巖夾長石石英砂巖及煤線，下部長石石英砂巖夾砂巖、砂質頁巖、頁巖。區(qū)段東側與T3x2相接，西側與T3sn相接。主要賦存碎屑巖層間裂隙水，圍巖等級IV，圍巖巖性為泥巖、頁巖、砂巖夾煤層，巖質較軟，受水浸泡易軟化，失水風干后易崩解，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂狀結構，穩(wěn)定性較差。開挖易冒頂、側壁易垮塌，易發(fā)生涌水。該地段調查泉水點1個，泉水流量0.513L/s，地下徑流模數3.72L/s·km2，富水性中等。

K73+506～K75+195段：出露T3sn長石石英砂巖、頁巖夾煤層或煤線、底部礫巖。區(qū)段西側與T3x1相接。主要賦存碎屑巖層間裂隙水。出口段里程K75+040～K75+116位于溝谷北側，堆積有坡殘積物，下伏頁巖夾砂巖；巖質較軟，受水浸泡易軟化，失水風干后易崩解，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，碎裂狀結構，穩(wěn)定性較差，巖體軟弱、破碎，富水。隧道進出口巖土體松散，強風化，節(jié)理裂隙發(fā)育。圍巖等級IV-Ⅴ，巖性為泥巖、頁巖、砂巖夾煤層，巖質較軟，受水浸泡易軟化，失水風干易崩解，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性較差。開挖易冒頂、側壁易垮塌，易發(fā)生涌水。該地段調查泉水點1個，泉水流量0.26L/s，地下徑流模數4.48L/s·km2。區(qū)域上該地層最大泉水流量3.33L/s，最小泉水流量0.01 L/s，地下徑流模數常見值0.55L/s·km2～5.96L/s·km2，總體富水性中等。

3.2 工程地質條件

(1)粉質黏土：褐黃色，硬塑狀，韌性、干強度中等。硬塑狀，fao=220kPa，Qik=70kPa。

(2)碎石土：黃褐色，稍密，稍濕，碎石以強風化砂巖、粉砂質泥巖、頁巖為主，粒徑0.6cm～18cm，含量50%～60%，次棱角狀，黏性土充填。稍密，fao=250kPa，Qik=80kPa。

(3)白云質灰?guī)r：灰、淺灰色，隱晶質結構，中-厚層狀構造，巖體較完整，以大塊狀為主，錘擊聲清脆，不易擊碎，強風化層fao=600kPa，Qik=160kPa；中風化層fao=1500kPa。

(4)砂巖：灰、灰白色，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較硬。強風化fao=550kPa，Qik=150kPa；中風化fao=1000kPa。

(5)泥質粉砂巖：褐灰、灰白色，砂質結構，薄-中層狀構造，局部夾煤線，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較硬。強風化fao=450kPa，Qik=120kPa；中風化fao=800kPa，Qik=180kPa。

(6)泥巖：褐黃色、灰、灰綠色，薄層狀構造，泥質結構，局部夾煤線，巖石軟，錘擊聲沉悶，節(jié)理裂隙極發(fā)育。強風化fao=350kPa，qik=120kPa；中風化fao=600kPa，qik=160kPa。

(7)頁巖：灰、深灰色，頁理結構，薄層狀構造，局部夾煤線，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖質軟。強風化fao=350kPa，qik=120kPa；中風化fao=600kPa，qik=160kPa。

(8)煤線：黑色，厚度0.1m～0.5m，頂板以頁巖為主；底板以砂巖為主。

3.3 環(huán)境地質條件

(1)洞口削坡對坡體植被破壞：隧道兩端洞口山體主要為塊石土，坡體生長雜樹及灌木，洞口削坡后對周圍環(huán)境存在一定影響。

(2)隧道棄渣堆放不當可能產生人為泥石流、滑坡等災害：在隧道施工過程中產生的棄渣，如堆放不當，對周圍環(huán)境會造成一定的影響。同時，雨季降雨量較大，隧道棄渣不能隨意堆放在沖溝內，以免人為的造成泥石流等地質災害。

(3)隧道成洞后破壞山體地下水平衡：隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，開挖后破壞地下水平衡。

3 隧道涌水量預測

(1)徑流模數法預測：結合本隧道水文地質條件的差異性，分段對隧道涌水量進行徑流模數法預測，計算公式：Qs=M·A式中：Qs-預測隧道正常涌水量(m3/d)；M-地下徑流模數(m3/d·km2)；A-隧道通過含水體地段集水面積(km2)。

隧道通過區(qū)匯水面積(A)：根據各隧道段水文地質結構特征、地形條件及地下水補、徑、排規(guī)律，在1：5萬地形圖上按各含水巖組段長度和其對兩側的影響寬度進行圈定量取。

地下徑流模數(M)：主要根據本次水文地質調查資料統計，結合水文地質結構條件分析，同時與1：20萬《區(qū)域水文地質普查報告》(麗江幅、永寧幅)劃分含水巖組水文地質參數比較綜合選取。

因無地下水動態(tài)觀測資料，隧道雨季最大涌水量按正常涌水量1.5倍估算，結果見表1。竹林村隧道正常涌水量約12287m3/d，雨季最大涌水量為18431m3/d。

表1 特長隧道徑流模數法涌水量結果表

(2)降水入滲法預測：計算正常涌水量Qs，按正常涌水量1.5倍估算最大涌水量，計算公式：Qs=2.74αWAA=BL，式中Qs-正常涌水量(m3/d)；α-降水入滲系數；W-年降雨量(mm)；A-隧道通過含水體地段的積水面積(km2)；L-隧道通過含水體地段在地面長度(km)；B-隧道涌水地段L長度內對兩側的影響寬度。

計算參數取值原則：降雨入滲系數(α)：參照《供水水文地質手冊》經驗值(表2)選取，區(qū)內斷裂、褶皺構造發(fā)育、巖體破碎，一般取大值，結合隧道地表地形、植被發(fā)育情況適當調整；年降雨量(W)：本次工程區(qū)主要位于寧蒗縣境內，據寧蒗氣象資料，全縣多年平均降雨量894.6mm，其余隧道沿線降雨按895mm計；隧道通過含水體地段地面長度(L)：在1：10000地質剖面圖上量取；隧道涌水影響寬度(B)：先采用滲透系數經驗值，按公式R=215.5+510.5K估算隧道一側涌水影響寬度，再根據地質構造影響程度、含水體空間展布和巖性組合特征、地形等因素與工程組合形式適當調整。

表2 降水入滲系數經驗值表

涌水量計算成果見表3。從預測計算方法適宜性分析，隧道工程區(qū)斷裂、褶皺構造密集，構造破碎帶發(fā)育深度大，淺表層地下水、地表水與洞身部位含水巖體溝通條件好，淺埋隧道采用此方法評價較為適宜。

表3 特長隧道涌水量降水入滲系數法計算成果表

(3)地下水動力學法：根據隧道水文地質勘察所確定的參數，利用理論解析模型或經驗解析模型計算而得。

3)經驗公式法：根據多個工程實例經驗，對理論解析法模型進行修正，經驗公式如下：

Qs=L·K·H(0.676-0.06K)Qo=L(0.0255+1.9224K·H)

式中：Qs-正常涌水量(m3/d)；其它符號標識同上。

地下水動力學法預測結果見表4。竹林村隧道正常涌水量Qs約43114.79m3/d，雨季最大涌水量Qo為69517.91m3/d。

表4 隧道涌水量地下水動力學法計算結果表

(4)地下徑流模數法、降雨入滲法和地下水動力學法三種方法對各隧道進行正常涌水量Qs和最大涌水量Qo預測結果統計見表5：

表5 隧道涌水量預測成果統計表

4 隧道涌水量預測方法對比

預測隧道涌水量計算方法有很多種，不同的計算方法都有其適用條件和各自優(yōu)缺點，根據隧道所處地形地貌、地質環(huán)境，水文地質條件，隧道結構及埋深等條件下合理選擇評價方法，對隧道正常施工和降低隧道施工風險具有十分重要的意義。

(1)地下徑流模數法是一種用于隧道涌水量預測簡化的水均衡法，其使用條件較多，導致計算結果有時產生較大偏差，該方法在理論上并不嚴謹，但適用于淺埋隧道涌水量預測。

(2)降水入滲法是先確定隧道通過含水體地段集水面積，在隧道通過的地形圖上并結合地形地貌、含水巖性、巖體滲透結構類型、隧道位置、埋藏深度等有關因素圈定出隧道集水面積；再根據區(qū)域水文地質資料和工程實際情況合理確定降水入滲系數；根據當地平均年降水量，對隧道涌水量預測預報，對隧道安全有危害的大雨或暴雨預報，提前采取預防措施為隧道正常施工，提供技術支撐，采用本方法在雨季對隧道涌水量預測是科學合理的。

(3)地下水動力學法主要運用解析法和數值模擬法進行問題研究。解析法是指用解析方法求解由地下水動力學問題轉化成的數學表達式。較為清晰明了，實施較為簡便。但只能解決簡單的滲流問題，較為復雜的地下水動力學問題采用數值模擬法，以求得解析法一般不能或不易求解的方程的解，一般需要借助于計算機，求得的是精度可變的近似解。

5 結 論

隧道工程區(qū)斷裂、褶皺構造密集，構造破碎帶發(fā)育深度大，淺表層地下水、地表水與洞身部位含水巖體溝通條件好，隧道整體處于深埋，水均衡法主要適用于淺埋隧道涌水量預測，其計算結果建議僅作對比參考值使用。以地下水動力學經驗公示法計算：竹林村隧道正常涌水量Qs約43114m3/d，雨季最大涌水量Qo69518m3/d。根據物探成果，隧道富水性較強，巖體破碎，局部段落可能存在涌水、突泥等現象，應加強襯砌結構，及時支護，加強地下水疏導排水，加強超前地質預報。