北武夷山隧道岚谷斜井涌水预报技术

2013-04-16

铁道勘察 2013年2期

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

涌突水是隧道工程常见的病害之一，不但影响施工进度，增加建设费用，影响隧道稳定和安全，也会引起地下水位的下降。在隧道涌水的所有可能来源(地表水、围岩中的地下水以及降水)中，地下水无疑是诱发事故的主要因素。地下水的变化加剧了隧道水害的形成，影响隧道的正常施工和运营。因此，隧道地下水涌水的预测及其引起地下水位下降的预测已成为隧道设计、施工和建设的重要部分。

1　隧道工程及区域水文地质概况

1.1　隧道工程概况

合福铁路客运专线是京福铁路客运专线的重要组成部分，是沟通华中与华南地区的一条大能力客运通道，途径安徽省、江西省及福建省三省。该斜井工程位于江西省与福建省交界处的武夷山脉北侧，隶属江西省上饶县五府山镇甘溪村，是合福铁路最长隧道北武夷山隧道的第二个辅助坑道。

斜井位于线路里程DK524+500～DK526+300右侧，与正线夹角约8°，在斜井里程X2DK0+113.392～+041.907处设半径50 m的弯道，后与正线正交于DK526+300处，全长1 839.484 m。

1.2　水文地质条件概况

武夷山脉属于中亚热带季风气候，四季分明。历年平均气温18.8 ℃，极端最高气温41.2 ℃、极端最低气温-6.8 ℃；历年平均相对湿度76%。年平均降水量1 923.2 mm、年最大降水量2 731.6 mm、年最小降水量1 366.5 mm、年平均降水日数153 d，降水主要集中在4～6月，占年降雨量的50.5%，其中雨季(5～6月)降雨量占全年的38.1%；日最大降水量218.3 mm；雨季多集中于5～6月，7～9月多雷阵雨。多年平均降水量1 780 mm，雨量丰富。

斜井紧临禹溪河，两节理密集带穿越斜井与禹溪河相连，且X2DK0+900左500 m处有一拦水坝，为一小型发电站(天益电站)，拦水坝蓄水与X2DK0+009～+210节理密集带相通。

斜井XJ2DK0+009～+210、XJ2DK0+630～+915两节理密集带处路面高程分别为500～530 m、570～590 m，而两节理密集带与禹溪河交汇处的沟底高程分别约为800 m、750 m。斜井开挖后改变了该处地下水的排泄方向，地下水沿XJ2DK0+009～+210、XJ2DK0+630～+915两节理密集带排入斜井，斜井成为该段地下水的排泄区。

故地下水类型主要为构造裂隙水和基岩裂隙水，受禹溪河及基岩裂隙水补给。由于山体切割强烈，沟谷纵横，地下水径流途径较短，水量受禹溪河水丰枯情况影响较大。

2　地质调查内容

2.1　地层岩性

区内出露为侏罗系上统南园组(J3n)流纹质凝灰熔岩，岩性单一，主要为灰色、青灰色，巨厚层—块状构造，凝灰熔岩结构，岩质坚硬，岩体较完整。受岩体节理影响，局部地段岩体较破碎。

2.2　地质构造

通过三维遥感解译、地表调查测绘、附近的物探分析及洞内工作面情况调查，经综合分析认为斜井范围内并无主要的断层构造，主要发育有两条节理密集带分别与斜井小角度相交。两节理密集带特征如下。

①XJ2DK0+009～+210节理密集带：产状为226°∠80°，长约1.3 km，宽约200 m，始端(左上方)与天益电站水库相连，中间与斜井轴线呈约37°相交于XJ2DK0+009～+210间，带内岩石节理裂隙发育，裂隙充填方解石晶体，岩体破碎，地下水沿密集带喷出。

②XJ2DK0+630～+915节理密集带：产状为226°∠73°，长约1.1 km，宽约280 m，始端(左上方)与禹溪河相连，中间与斜井轴线呈约38°相交于XJ2DK0+630～+915间，带内岩石节理裂隙发育，岩体破碎，地下水沿密集带流出。

构造地质纵断面见图1。

图2　节理密集带构造地质纵断面

2.3　涌水概况

2011年2月至12月,随着斜井开挖不断深入，涌水量也随之不断增加，进入枯水期(11、12月份)后，涌水量有所回落。最小涌水量出现在2月下旬，涌水量约为4 500 m3/d(隧道工作面里程约为X2DK0+900)；3、4、5月,份随着工作面的推进，涌水量逐渐增加，6、7、8、9四个月份涌水量最大，约为15 000～16 000 m3/d；10月份后进入枯水期，涌水量逐渐减少。12月份下旬斜井贯通，通过现场实测，全斜井涌水量约为11 150 m3/d，其中X2DK0+009～+210节理密集带涌水量约为6 420 m3/d，X2DK0+630～+915节理密集带涌水量约为3 140 m3/d。

3　涌水预报

根据以上对地质构造及地下水给排关系的分析，可以确定地下水的补给来源主要为大气降水，其补给量的多少受降水强度、降水持续时间、地形及地表节理裂隙的发育程度控制。根据以上研究成果，采用降水入渗法和水动力学法等手段对工作区涌突水量进行了预测。

降水入渗法公式为

Q=2.74×a×W×A

(1)

式中：Q为隧道通过含水体地段的涌水量/(m3/d)；a为降水入渗系数；W为年降水量，计算正常涌水量为Qs时取1 923.2 mm，计算最大涌水量Q0时取2 731.6 mm；A为隧道通过含水体地段的汇水面积/km3；其中XJ2DK0+009～+210节理密集带A取3.77 km2，XJ2DK0+630～+915节理密集带A取2.30 km2。

最大单位涌水量公式为

q0=Q0/L

(2)

式中L为隧道通过含水体的长度/m。XJ2DK0+009～+210节理密集带L取200 m，其中XJ2DK0+630～+915节理密集带A取275 m。

经验算，XJ2DK0+009～+210节理密集带正常涌水量为5 960 m3/d，实际涌水量6 420 mm3/d，标准误差为7.17%。

XJ2DK0+630～+915节理密集带正常涌水量为3 030 m3/d，实际涌水量3 140 m3/d，标准误差为3.50%。

古德曼经验公式

(3)

式中Q0为隧道通过含水体地段的最大涌水量/(m3/d)；K为含水体渗透系数/(m/d)；H静止水位至洞身横断面等价圆(面积等价)中心的距离/m；d为洞身横断面等价圆直径/m；L为隧道通过含水体的长度/m。

经验算，XJ2DK0+009～+210节理密集带正常涌水量为7 520 m3/d，实际涌水量6 420 m3/d，误差17.13%。

XJ2DK0+630～+915节理密集带正常涌水量为3 030 m3/d，实际涌水量3 224 m3/d，误差2.67%。

对比两种公式与实际涌水量的误差，降水入渗法的预报结果在该地区的准确性相对较高。