隧道水文地质.docx
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隧道水文地质
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
474
4320
2
新基古
2533
洞身穿过当地主要排水渠道，因此地下水丰富
535
24000
3
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
240
4800
4
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
341
13200
5
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7200～28800
6
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
215
11880
7
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
150
6000
8
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12000
9
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
145
6000
10
浮漂
4273
以断层裂隙水为主
1065
12000
11
前进
3524
岩层破碎，地下裂隙水丰富
736
10368
12
莲地
4602
隧道通过的地层结构错乱，节理发育，裂隙水丰富
1670
11136
13
大雀堡
1418
岩层风化严重，地下水股流及涌水很多
580
4560
合计
35483
6733
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900m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
F2
F3
F4
F5
F6
DK309+700～+810段
合计
最大涌水量（m3/d）
600
2000
8640
3200
100
3000
17540
正常涌水量（m3/d）
60
300～500
2600
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+530～DK80+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2.5～3.0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～+567.5
DyK77+870～+890
DyK77+966～+976
DyK78+025～+120
DyK78+145～+155
DyK78+387～+397
DyK78+420～+450
DyK78+876～+916
合计
17
20
10
95
10
10
30
40
3900
5000
700
3500
4500
3500
2100
1500
24700
1200
1300
500
1000
400
500
250
20
5170
（二）构造
1.断层
（1）大秦线黑山隧道
隧道长2715m，最大埋深302m，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，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。
DK1994＋655～DK1995＋055，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：
0～1867m（F6上盘）为志留系板岩和千枚岩，1867～1965m为F6断层带，1965～2186m（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1970～2110m（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9050m3/d，正常为7942m3/d。
（4）关角隧道
隧道长4005m，最大埋深525m，年均降水量298.9mm，年最大降水量344.7mm，
①隧道进口段COK4999＋50～COK5001＋60，段长210m，隧道埋深约108m。
约有2.5km2面积的降水沿沟经破碎岩层上部流出沟口。
地层岩性COK4997＋25～COK4999＋52，以片岩为主，COK4999＋52～COK5001＋42，为灰岩，COK5001＋42～COK5011＋91.5，以灰岩为主夹黑色片岩。
地质构造进口至COK5001＋60一带受到断层F1和沿沟方向平移断层F2的影响，岩层极为破碎，1958～1961年施工期间突水8000m3/d。
②隧道出口段，COK5030＋84～COK5031＋64，段长80m，隧道埋深约77m。
为逆断层E1，与线路直交，发生于片岩与石灰岩之间。
地层岩性下盘为破碎灰岩，上盘为软质片岩，其中约三分之一为灰岩夹少量片岩，片岩挤压破碎严重，灰岩性坚脆。
1958～1961年施工期间突水10000m3/d。
2.褶皱
参见后述的岩溶与褶皱的关系部分。
（三）岩溶隧道
1.岩溶的垂直分带以及隧道的位置
根据《铁路工程不良地质勘察规程》（TB10027）岩溶垂直方向分带划分为垂直渗流带、水平径流带和深部缓流带。
（1）调查确定岩溶基准面
岩溶基准面是指岩溶作用向地下深处所能达到的下限。
一般为当地的河水面、湖水面、岩溶泉或暗河的最低水面。
基准面的高程与可溶岩的底板高程和可溶岩中非可溶岩夹层有关。
①岩溶区内的河谷有一定的排水能力，河谷水面即为岩溶基准面。
②岩溶区内的河谷已失去其排水能力，平时无水，雨季时才产生暂时性水流，或者虽有经常性水流，但其水量很小，此时岩溶基准面已远离本区，而为较远及较大的河流水面所代替。
③当碳酸盐岩之下埋藏有非可溶性的不透水岩层，且两者的接触面高于邻近河谷的水面时，则接触面即为岩溶基准面。
此面与地壳升降运动无直接关系，称之为排泄基准面，以区别之。
随着地壳的不断上升，岩溶即以悬河或悬挂形式的岩溶泉，出露在河谷斜坡之上。
（2）确定岩溶垂直分带以及隧道在垂直分带中的位置
垂直渗流带：
丰水期地下水位以上，大气降水或地表水受重力作用沿可溶岩的裂隙、孔洞作垂向运动的地带。
水平径流带：
岩溶含水层最低水位以下，受当地岩溶排水基准面控制，具有连续水位的地带。
浅饱水带岩溶发育强烈，深饱水带岩溶发育渐弱，逐渐过渡为深部缓流带。
岩溶的垂直分带确定以后，便可确定隧道在垂直分带中的位置，先定性评价隧道是否有地下水，若有水再进一步定量评价。
轿顶山、虾子河、艾家坪、沙坡、天生桥等隧道位于垂直渗流带中，在隧道路基高程附近虽然有岩溶大厅，路基以下也有暗河，但隧道却无水害，而位于水平径流带的娄山关、胜境关、梅子关、岩脚寨、燕子岩等隧道，施工中特别是雨季都发生大量涌水或突水。
位于深部缓流带的大巴山、中梁山、大寨、贵定、梅花山、南岭等隧道，虽无岩溶大厅、暗河，但地下水危害却不小。
2.岩溶的空间分布
（1）岩溶调查方法
铁二院总结的预测岩溶洞穴区域分布的方法有①水文网法、②阶地、剥夷面对比法、③洼地分析法、④岩溶洞穴分析法等。
（2）综合勘察方法
地下岩溶洞穴的勘探，目前仍是未能很好解决的难题。
实践证明，充分利用遥感和物探方法，与钻探相配合，是一种可行的技术方法。
大比例尺航空像片解译和地面物探方法，如电阻率法、地质雷达、频率测深法，可以在钻探之前先进行面积性勘察，发现岩溶发育带、溶洞群、地下暗河、单个大型洞室的异常位置，然后针对可疑之处进行钻探。
例如贵昆铁路甘海子、小哨至秧田段，为整治地面塌陷铁二院在勘察中利用卫片解译进行地质测绘，搞清了地质构造格局和地下水富集带分布规律。
利用铁路建设前后两个时期的航片对比解译，配合地面调查，对岩溶发育形态、程度进行分段，特别是对铁路掩埋之前岩溶发育情况有所了解。
在地质调查基础上，利用物探分段探查，共发现电探异常448处，施钻验证151孔，其中113孔遇溶洞，准确率75%。
另有21孔溶蚀严重，有17孔把低阻岩层误判为溶洞。
再如铁四院在浙赣铁路分宜车站，也采取类似方法，发现异常154处，验证24孔，结果12孔在性质上、深度上相符，9孔性质推断符合，深度偏浅，有3孔不符合，综合评价验证准确率69%。
地面物探目前采用的几种方法，在探查岩溶发育带、地下河及有一定规模体积的地下洞穴可取得效果。
但要确定单个岩溶洞穴、管道和较大洞穴位置，则以采用地下物探与钻探相结合的电磁波孔透方法更为直观有效。
铁四院在广东浮硫铁矿支线龙盘围岩溶路基地段的工作中，先利用电阻率和频率电磁法找出了岩溶发育带的平面位置，然后利用布置在铁路两侧的钻孔，采用电磁波孔透方法在20多个钻孔之间交叉进行网状探测，确定了路基下发育的单个溶洞位置和规模，为准确判定岩溶位置提供确切资料。
（3）隧道施工中洞内勘查方法
铁三院采用施工中补充勘探方法查明隧道下部溶洞的分布情况。
工程实例
①京通线黑山寺岩溶隧道
隧道总长679m，穿过小山脊，山势陡峻。
进、出口端沟谷切割较深，地层为单一的石灰岩，致密，质坚，性脆，中至厚层夹薄层矽质条带。
在进口722+90附近有一小背斜构造。
1957年定测时因地层裸露，岩性单一，未注意到岩溶地貌各种迹象。
施工时先在进口处发现断层角砾岩，进洞后陆续发现溶洞、溶缝及溶洞坍塌堆积体多处，总长约150m。
待隧道贯通后，在洞内进行了详细的勘探，查明溶洞的分布状况。
洞内勘察及溶洞分布
首先用物探方法在洞内进行普查，于1975年6月完成现场测试工作，采用微波法和电测剖面，测试深度15m，在异常反应区段进行钻探和小风钻验证，共钻探41孔计510m，最深孔为19m，最浅孔为7.28m，在隧道底4m范围内（可疑地段）又用小风钻打了137孔计578m。
通过洞内综合勘探，基本掌握了隧道内道床下一定深度内溶洞分布的位置和段落。
②大秦线郑重庄三线隧道
隧道位于北京市顺义县茶坞乡以东，系茶坞站至双怀线高各庄联络线和大秦复线并行的三线隧道，里程DK340+035～DK340+180，总长145m，最大埋深40m。
郑重庄为一离堆山丘，南北狭长，覆盖层厚0～5m，下为寒武系下统府君山组中厚层石灰岩夹泥质石灰岩，呈单斜构造。
勘测时在进口处进行了挖探及物探工作，地表未发现岩溶现象。
该隧道于1988年1
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