隧道水到文地质.doc
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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20 L/min的涌水称集中涌水。单位长度最大涌水量q。2880m3/dkm,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
2、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 720
3、0288006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16701113613大雀堡1418岩层风化严重,地
4、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。洞身通过组主要断层及组裂隙带。根据岩层透水性和富水程度,自上而下划分为个水文地质层。全隧道严重涌水地段处,长度约257m,成都端涌水量约7550 m3/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+490DyK79+235范围内,最大涌水量为2658
5、3m3。集中涌水有处, 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。1000 m3/d km)共有2段,岭南、岭北各1段。 (1) DyK69+070DyK74+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7291 m3/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。=1304.29 m3/dkm,正常涌水量为391 m3/d。 (2) DyK77+490DyK79+235,段长1.745km
6、 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。=15233.81 m3/dkm,正常涌水量为5790 m3/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1
7、092m,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:旱季枯期涌水量为14105m3/d。雨季丰期涌水量2443541289 m3/d。其中岭北段涌水量为2267238331 m3/d,占总涌水量的92.84%。涌水集中在岭北。 集中涌水段点:K442+700K443+780段,长度1080m,占隧道全长的20.25。丰期涌水量为3352837470 m3/d。占总涌水量的90.75%,占岭北涌
8、水量的97.75%。涌水集中在个大的涌水点,其涌水量为16123 m3/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,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(DK1994213)及F9断层带(DK1994601DK1994640
9、)。 1987年5月15日,粤北地区暴雨,在DK1994636.5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TB 100492004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
10、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力现象最活跃的场所,岩溶作用强烈,常在接触带
11、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2.58.0m,最大宽1015m。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。 DK296+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45m。 DK296+
12、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。 平导DK297+687DK298+115段:设计有少量裂隙水;施工中DK297+687,Q=2400 m3/d,1986年3月14日稳定Q400 m3/d 。 导297+792,Q=10320 m3/d(1985.10.18),花岗岩裂隙水大量泥砂冲出将平导淤厚0.30.5m,1985年10月21日4时稳定Q=
13、2458m3/d,稳定时间55小时30分,水深1m,为此被迫停工;导297+805Q=400 m3/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=608 m3。 DK297+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=100 m3/d,稳定Q=50m3/d;DK297+963,Q=3000 m3/d,稳定Q=100 m3/d;DK297+973Q=400 m3/d,稳定Q=50100 m3/d。花岗岩断层破碎带及节理裂隙水致使DK297+7
14、66+945两次坍方1640 m3。 DK297+973DK298+175段:设计有少量裂隙水;施工1985年10月左侧平导Q=20002500 m3/d,截流使正洞地下水减少。花岗岩断层构造水致使DK298062160洞顶地表开裂坍方800 m3/d;DK297+985+990坍方1580 m3,冒顶。 隧道共发生9次大的坍方,总数量达7991 m3,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1
15、00600m3/d,最大为8640 m3/d。进口端900m长的地段内无地下水;出口端有地下水,Q=1003000 m3/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=1200 m3/d。 DK307+825+921段:设计有少量裂隙水; 施工中最大涌水量Q=600 m3/d(1986.5.15),稳定后Q=60 m3/d,花岗岩,F2断层构造裂隙水。 DK308+515+685段:设计有少量裂隙水; 施工中最大涌水量Q=2000 m3/d(1987.7),花岗
16、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)。 DK308+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=8640 m3/d(1986.4.18),几天后逐渐变为300500 m3/d,花岗岩,F4断层破碎带裂隙水及节理裂隙构造水。 DK309+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=2600 m3/d,花岗岩,F5断层构造裂隙水,涌水严重改为矿山法施工。 DK309+200+250段:1984年4月设计DK309+182.5右42m 钻孔地下水埋深17.9m,Q=10.2 m3
17、/d,K=0.47m/d;施工中最大涌水量Q=100 m3/d(1986.3),花岗岩,F6断层破碎带裂隙水。 DK309+700+810段:1984年3月设计DK309+763右42m 钻孔水位埋深20.7m,Q=8.64 m3/d,K=0.005m/d;施工中最大涌水量Q=3000 m3/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(m3/d)603005002600 3. 富水带 富水带,除不同岩性接触带和断裂带外,主要是节理、裂隙密集
18、带和岩溶发育带。勘察中应查明裂隙的性质和类型,是脉状还是网络状,网络状裂隙施工时有可能大量涌水,主要是容积储存量,经一定的时间稳定下来,正常涌水量视补给条件而定。判定裂隙的性质和类型,应测定结构面(节理裂隙)的几何参数,即倾向、倾角、裂隙宽度、间距和迹长,进行聚类分析确定。例如西康线秦岭特长隧道DK77+530DK80+724段,测定8组结构面,经数理统计和聚类分析,并对运用蒙特卡洛方法计算机生成裂隙岩体的结构面网络模拟图和相应连通图及方向RQD图的研究,该段裂隙岩体结构特征类型属碎裂状结构,可视为力学及水力学性质上的似连续介质。(1) 大巴山隧道构造节理与层间裂隙的交接处岩溶作用强烈,在构造
19、作用下,由于岩层层面之间的相对位移而产生层间裂隙,与构造节理易形成网络状,有利于岩溶水的流动。 花萼山向斜轴部岩层总厚度为翼部岩层总厚度的2.53.0倍,此种增厚在脆性岩层中常表现为层间裂隙的扩大,为岩溶的发育提供了良好的条件, 很多岩溶现象就是沿节理与层面裂隙发育的。 (2) 西康线秦岭特长隧道 除断层外,其余地段岩体节理裂隙及节理密集带亦很发育,地下水活动强烈,主要涌水位置均为构造作用强烈地段,并出现集中性涌水,主要段落及涌水量如下:表4 各段涌水量汇总表段 落 里 程长 度(m)最大涌水量(m3/d)正常涌水量(m3/d)DyK77+550.5+567.5DyK77+870+890DyK
20、77+966+976DyK78+025+120DyK78+145+155DyK78+387+397DyK78+420+450DyK78+876+916合计1720109510103040390050007003500450035002100150024700120013005001000400500250205170 (二) 构造 1. 断层(1) 大秦线黑山隧道隧道长2715m,最大埋深302 m,在施工过程中共有7处掌子面涌水,其中6处均属构造裂隙水,基岩断层F2、F3 、F4、F5和F6涌出,涌水量最大为8640m3/d。(2) 大瑶山隧道 班古坳地区,地层除泥盆系白云质灰岩、泥灰岩外,
21、其余均为寒武系、震旦系砂岩、板岩、板状页岩。F8、F9断层均有断层泥,具阻水作用,降断层上、下盘不同含水层阻隔开。F8断层产出于向斜近中部,下盘岩层受构造影响相对较轻微,上盘岩层受强烈挤压,倾角陡立。主要断层的主断层带岩体破碎或次级叠瓦式冲断层密集,构成条带状富水带。DK1994655DK1995055,F9断层的上下盘地下水位不一致,上盘水位(高程709m)高于下盘(高程612m),说明由于断层泥的阻隔将上下盘的地下水阻隔分割成两个含水体系。施工通过F9断层时,于断层上盘强烈挤压破碎带,发生了最大涌水量达48000m3/d的裂隙涌水、突水及碎屑流灾害,于下盘影响带灰岩地段揭穿了岩溶洞穴、溶隙
22、等充水管道,施工中发生了3000m3/d左右的含大量泥砂的突水,雨季最大涌水量达12000m3/d。 (3) 乌鞘岭特长隧道 兰新线兰武段二线乌鞘岭特长隧道7号斜井,全长3292.67m,2004年4月施工揭示的地层:01867m(F6上盘)为志留系板岩和千枚岩,18671965m为F6断层带,19652186m(F6下盘)为三叠系上统中厚层砂岩夹少量页岩。F6逆断层,毛毛山岭中断层,延伸长度约48km,走向近东西,倾向北,倾角80。断层带主要由断层泥砾、碎裂岩组成。斜井施工至19702110m(F6下盘长140m)段涌水严重,边墙多呈股状涌水,涌水量达4000m3/d。斜井总涌水量最大为90
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