隧道水文地质

1第一讲隧道水文地质勘察一、隧道集中涌水段、点隧道等地下工程长10m区段内大于20L/min的涌水称集中涌水。单位长度最大涌水量q。＝2880m3/d·km，富水程度为中等。长大隧道，特别是反坡施工时若发生集中涌水往往对隧道造成危害，伴随涌水有时还涌砂涌泥，淤塞正洞，有时还造成洞顶塌方，涌水特大时甚至造成机毁人亡等事故。因此，预测或预报隧道施工中集中涌水段、点及其涌水量和对围岩的影响，是极其重要的。集中涌水段、点的预测方法，目前国内外尚无固定模式，主要根据地质、水文地质条件综合分析确定。工程实例1.成昆线涌水严重的13座隧道总长度为35483m，集中涌水段总长度6733m，涌水段的长度占隧道长度的4.03%～40.90%，平均占18.98%。成昆铁路涌水严重隧道如下表：表－1成昆铁路涌水严重隧道序号隧道名称隧道长度(m)地形地质概况涌水地段长度(m)最大涌水量(m3/d)1塔足古1788地表冲沟切割严重，岩层节理发育，地下水丰富47443202新基古2533洞身穿过当地主要排水渠道，因此地下水丰富535240003白果2号1575洞身穿过炭质页岩受断层影响，层理错乱，地下水丰富24048004白石岩1号2319洞身穿过白云质灰岩，岩层错动，节理发育，裂隙水丰富341132005白石岩3号2340洞顶沟谷发育，洞身断层多，地下水丰富325成端9600昆端7200～288006越西1号1678洞身穿过砂页岩、白云质灰岩和玄武岩，地下水丰富215118807越西2号1980洞身穿过炭质页岩、砂页岩、砂岩夹煤层，节理发育，地下水丰富15060008沙木拉打6379洞顶沟谷发育，地下水以脉状裂隙为主，涌水集中在几个地段257成端7550昆端120009两河口2074昆端堆积层松散，孔隙大，大气降水补给条件好，地下水丰富145600010浮漂4273以断层裂隙水为主10651200011前进3524岩层破碎，地下裂隙水丰富7361036812莲地4602隧道通过的地层结构错乱，节理发育，裂隙水丰富167011136213大雀堡1418岩层风化严重，地下水股流及涌水很多5804560合计354836733沙木拉打隧道涌水情况隧道穿越牛日河及孙水河的分水岭，地表沟谷发育，密度5.2km/km2。洞身通过４组主要断层及４组裂隙带。根据岩层透水性和富水程度，自上而下划分为４个水文地质层。全隧道严重涌水地段９处，长度约257m，成都端涌水量约7550m3/d，昆明端12000m3/d，施工时涌水情况见下表－2。2.秦岭特长隧道西安安康线秦岭特长隧道Ⅱ线平行导坑长18446m，于1998年3月10日全线贯通，实际最大涌水量为38233m3/d，正常涌水量为7977m3/d。涌水主要集中在岭南DyK77+490～DyK79+235范围内，最大涌水量为26583m3。集中涌水有８处，累计长度为245m，最大涌水量为24700m3/d，占隧道总涌水量的64.60%。涌水位置均为构造作用活动强烈地段。秦岭隧道集中涌水段(单位长度最大涌水量q。＞1000m3/d·km)共有2段，岭南、岭北各1段。(1)DyK69+070～DyK74+660，段长5.590km该段长度占隧道全长的30.30%，占岭北的54.36%。该段最大涌水量为7291m3/d，占总涌水量的19.1%，占岭北涌水量的85.00%，单位长度最大涌水量q。=1304.29m3/d·km，正常涌水量为391m3/d。(2)DyK77+490～DyK79+235，段长1.745km该段长度占隧道全长的9.46％，占岭南的21.37%。该段最大涌水量为26583m3/d(占隧道总涌水量的69.53%，占岭南最大涌水量的90.18%)，单位长度最大涌水量q。=15233.81m3/d·km，正常涌水量为5790m3/d。地下水涌水形式以股状、片状为主，大多数涌水点以排泄静储量为主，几个集中涌水点开挖初期涌水量一般较大，随即迅速衰减，部分达到相对稳定，部分涌水点枯竭。3.襄渝线大巴山隧道大巴山隧道全长5332.34m，1972年7月贯通。该隧道施工中最大涌水量为201528m3/d。大巴山隧道在施工中，最大涌水量大于5000m3/d的集中涌水有5段，涌水段长度为1092m，涌水量为188000m3/d，涌水段长度仅占隧道长度5333m的20.48%，涌水量却占隧道总涌水量的91.48%。1999年为病害整治进行了水文地质勘察，系统观测了隧道平行导坑和正洞的涌水量。涌水主要在平导，正洞涌水仅占12%。隧道总涌水量：旱季枯3期涌水量为14105m3/d。雨季丰期涌水量24435～41289m3/d。其中岭北段涌水量为22672～38331m3/d，占总涌水量的92.84%。涌水集中在岭北。集中涌水段点：K442+700～K443+780段，长度1080m，占隧道全长的20.25％。丰期涌水量为33528～37470m3/d。占总涌水量的90.75%，占岭北涌水量的97.75%。涌水集中在５个大的涌水点，其涌水量为16123m3/d，占总涌水量的39.05%，占该段的43.03%。该段地层为下寒武系石龙洞组中厚层状豹皮状石灰岩偶夹白云岩和砂岩、页岩，组成向斜核部，５个较大涌水点为管状溶洞涌水，接受大气降水和沟谷地表水直接补给，涌水量与大气降水强度呈正比，反映敏感。4.衡广复线大瑶山隧道1985年4月19日班古坳竖井工区平导突混水造成竖井被淹，为解救竖井施工迂回导坑，1986年3月10日迂回导坑放水成功，竖井被淹解除。隧道开挖碳酸盐岩类长864m，涌水集中于竖井底平导突水点(DK1994＋213)及F9断层带(DK1994＋601～DK1994＋640)。1987年5月15日，粤北地区暴雨，在DK1994＋636.5处，岩溶涌水，流量达30000m3/d，泥沙含量10%以上。1985年4月和1986年10月两次涌水，由于地下水位大幅度下降，引起地面变形，相继出现地面塌陷，至1988年9月底止，达139处，塌陷面积1699m2，塌陷体积1981m3。二、隧道水文地质勘察的主要内容《铁路工程水文地质勘察规程》TB10049－2004第10.2.2条规定了山岭隧道的水文地质调绘内容，共有7款。(一)查明三带(不同岩性接触带、断裂带和富水带)不同岩性接触带、断裂带和富水带，往往是集中涌水的部位。调查方法可采用地质调查和地面物探相结合的方法。例如西康线秦岭特长隧道在勘察中先后采用了航磁重力、地面磁法、直流电法、地震反射法、地震折射法、音频大地电磁法、放射性γ测量、地温测量、测氡、二次时差法和多参数测井等11种方法。1.不同岩性接触带不同岩性接触带，应查明接触关系，是整合接触还是断层接触。特别是碳酸盐岩与非碳酸盐岩接触带，是地下水溶蚀作用强烈的场所，往往成为地下水的通道，当岩层产状较陡时，与地表水的水力联系密切，隧道开挖时容易出现集中涌水。工程实例(1)大巴山隧道碳酸盐岩与非碳酸盐岩在空间位置的组合关系对岩溶发育具有一定的影响，陡倾或直立产状的灰岩与砂页岩相间排列时，两者的接触带是岩溶水动4力现象最活跃的场所，岩溶作用强烈，常在接触带附近形成一系列的落水洞、漏斗及岩溶泉，岭北地区大量岩溶泉就是沿这些接触带出露的。(2)大秦线大岭沟1号隧道施工中断层以及花岗岩与闪长岩接触带部位涌水。在隧道掘进中发现全隧道花岗岩岩体中断层有4条，其破碎带一般宽2.5～8.0m，最大宽10～15m。对施工影响最大的是在出口端两条断层的交汇处和与F4大致平行的隧道地段，此段长度达210m。这些地段不但出现较大的涌水，而且有的还伴有泥沙冒出。①DK296+567～+600段：设计为无断层构造，有少量裂隙水(1984年7月)；施工中有基岩裂隙水渗流，有构造裂隙水使闪长岩和断层破碎带断层泥软化岩体失稳致使坍方966m3，坍高4～5m。②DK296+700～+900段：1984年7月设计有少量裂隙水，1986年5月20日补测两处泉水(同上)；施工中1987年12月17日正洞DK296+730、+750、+823.5三处总涌水量Q=2136m3/d，花岗岩闪长岩侵入接触带裂隙水导致DK296+764～+770接触破碎带坍方300m3。③平导DK297+687～DK298+115段：设计有少量裂隙水；施工中DK297+687，Q=2400m3/d，1986年3月14日稳定Q＝400m3/d。导297+792，Q=10320m3/d(1985.10.18)，花岗岩裂隙水大量泥砂冲出将平导淤厚0.3～0.5m，1985年10月21日4时稳定Q=2458m3/d，稳定时间55小时30分，水深1m，为此被迫停工；导297+805Q=400m3/d(1985.10.11)。因花岗岩断层及裂隙水造成三次坍方1680m3，DK297+990坍高33m至地面A=608m3。④DK297+745～+973段：设计有少量裂隙水；施工DK297+745涌水量Q=2400m3/d，稳定Q=100m3/d；DK297+940，Q=100m3/d，稳定Q=50m3/d；DK297+963，Q=3000m3/d，稳定Q=100m3/d；DK297+973Q=400m3/d，稳定Q=50～100m3/d。花岗岩断层破碎带及节理裂隙水致使DK297+766～+945两次坍方1640m3。⑤DK297+973～DK298+175段：设计有少量裂隙水；施工1985年10月左侧平导Q=2000～2500m3/d，截流使正洞地下水减少。花岗岩断层构造水致使DK298＋062～＋160洞顶地表开裂坍方800m3/d；DK297+985～+990坍方1580m3，冒顶。隧道共发生9次大的坍方，总数量达7991m3，其中DK298+115处坍塌高度约70m，山坡地表可见坍陷坑。2.断裂带断层带有时也是集中涌水的部位。工程实例：(1)大秦线黑山隧道施工中共有7处掌子面涌水，其中6处属构造裂隙水，即沿断层F2、F3、F4、F5和F6涌出。涌水量一般为100～600m3/d，最大为8640m3/d。进口端5900m长的地段内无地下水；出口端有地下水，Q=100～3000m3/d，但缺少具体位置和涌水量预报。花岗岩岩体断层水和裂隙水的一般规律是，初期涌水量大而猛，随着时间的延续水量趋于稳定而且变小。隧道贯通后1987年9月在隧道出口处稳定涌水量仅为Q=1200m3/d。①DK307+825～+921段：设计有少量裂隙水；施工中最大涌水量Q=600m3/d(1986.5.15)，稳定后Q=60m3/d，花岗岩，F2断层构造裂隙水。②DK308+515～+685段：设计有少量裂隙水；施工中最大涌水量Q=2000m3/d(1987.7)，花岗岩，F3断层构造裂隙水(由于严重涌水原设计新奥法施工改矿山法施工)。③DK308+700～+850段：设计节理裂隙及断层破碎带有少量裂隙水；施工中最大涌水量Q=8640m3/d(1986.4.18)，几天后逐渐变为300～500m3/d，花岗岩，F4断层破碎带裂隙水及节理裂隙构造水。④DK309+010～+075段：设计同第3段；施工中1986年3月最大涌水量Q=3200m3/d，7天后稳定在Q=2600m3/d，花岗岩，F5断层构造裂隙水，涌水严重改为矿山法施工。⑤DK309+200～+250段：1984年4月设计DK309+182.5右42m钻孔地下水埋深17.9m，Q=10.2m3/d，K=0.47m/d；施工中最大涌水量Q=100m3/d(1986.3)，花岗岩，F6断层破碎带裂隙水。⑥DK309+700～+810段：1984年3月设计DK309+763右42m钻孔水位埋深20.7m，Q=8.64m3/d，K=0.005m/d；施工中最大涌水量Q=3000m3/d(1986.3)，花岗岩，裂隙构造水。表－3涌水量汇总断层F2F3F4F5F6DK309+700～+810段合计最大涌水量(m3/d)600200086403200100300017540正常涌水量