鐵路隧道水文地質(zhì)勘察思考范文

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1水文地質(zhì)勘察中存在的主要問題

從我國(guó)西北地區(qū)已建成和在建的秦嶺、東秦嶺、烏鞘嶺、北天山、中天山、關(guān)角、翠華山、西秦嶺等數(shù)十座工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件都非常復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道施工情況來看，長(zhǎng)大隧道水文地質(zhì)勘察中存在的主要問題如下。

1.1隧道勘探手段有限隧道作為地下線性建筑物，具有很強(qiáng)的隱蔽性，要查明大埋深隧道洞身的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，目前最常用也最有效的方法就是鉆探。物探作為輔助手段，針對(duì)不同的勘察目的，在隧道勘察初期或在鉆探條件受限時(shí)采用。在隧道嶺脊埋深大的地段，受地形條件制約，勘探孔布置難度大而無法實(shí)施的情況較為多見，如秦嶺、烏鞘嶺、北天山、中天山、關(guān)角、西秦嶺等埋深大的越嶺隧道都存在這種限制。詳見表1。電測(cè)剖面法、高密度電法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、地質(zhì)雷達(dá)法及折射波法等多種物探方法，作為隧道工程地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)學(xué)研究不可缺少的一種手段和方法，雖能夠發(fā)揮一定的作用，但大于一定的深度，其準(zhǔn)確性亦受到影響，且目前其探測(cè)精度仍有待提高。表1中隧道埋深超過600m時(shí)，物探方法取得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性往往不佳。目前，長(zhǎng)大隧道地質(zhì)勘察應(yīng)用綜合勘察技術(shù)，即采用遙感、地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、綜合測(cè)井和試驗(yàn)等多種勘察手段密切配合，取得的地質(zhì)資料相互驗(yàn)證，取長(zhǎng)補(bǔ)短，但每一種勘察方法和測(cè)試手段都不可避免存在一些局限性或弊端，特別是隧道埋深大的地段，加上地形陡峻，植被茂密等因素疊加影響時(shí)，難以采用有效的勘察手段，獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料。另外，量測(cè)方法陳舊，準(zhǔn)確性相對(duì)較差，也會(huì)影響相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，如目前水文地質(zhì)勘察階段最常用的浮漂法測(cè)量地表水流量的方法，雖然方便易操作，但測(cè)量精度差，計(jì)算獲得的地下徑流模數(shù)值誤差較大。因而，基礎(chǔ)勘探手段和設(shè)備仍有待提高和改進(jìn)。目前國(guó)際上應(yīng)用的水平定向鉆探對(duì)勘察大埋深隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有很大的優(yōu)勢(shì)，可以沿隧道軸線鉆進(jìn)，是今后大埋深隧道勘察可選的方法，具有一定的應(yīng)用前景。

1.2水文地質(zhì)勘探及試驗(yàn)孔數(shù)量不足考慮經(jīng)濟(jì)因素，隧道工程水文地質(zhì)鉆探和試驗(yàn)往往是綜合利用工程地質(zhì)孔進(jìn)行，由于水文地質(zhì)試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，在工期要求緊的情況下，亦不會(huì)選擇太多的鉆孔進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)。具體表現(xiàn)為:(1)鉆孔的位置大多根據(jù)工程地質(zhì)條件確定，鉆孔的位置不是水文地質(zhì)條件最典型地段或是富水地段，水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果不具代表性;(2)鉆孔數(shù)量不足，由于隧道深埋，鉆孔深、成本高且工期長(zhǎng)，只能布置少量鉆孔，因此不是每個(gè)富水段都有代表性鉆孔，因而缺少水文地質(zhì)參數(shù)，無法采用地下水動(dòng)力學(xué)法等方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道涌水量。我國(guó)在隧道勘察方面普遍存在這樣的問題，西北地區(qū)部分在建和已建成特長(zhǎng)鐵路隧道鉆探和水文地質(zhì)試驗(yàn)工作量初步統(tǒng)計(jì)見表2。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，以及客運(yùn)專線、高速鐵路的建設(shè)要求，近兩年，我國(guó)隧道工程鉆探量及水文地質(zhì)試驗(yàn)孔數(shù)量已明顯提高，有利于控制隧道地質(zhì)、水文地質(zhì)特征的各種因素均能充分展現(xiàn)出來，對(duì)隧道洞身附近構(gòu)造發(fā)育程度及充填情況的判斷也能夠盡可能地接近真實(shí)、準(zhǔn)確。

1.3鉆孔巖芯鑒定的細(xì)致和準(zhǔn)確程度不夠在西北已建成和在建的多座隧道施工中，普遍存在對(duì)構(gòu)造發(fā)育程度、充填情況、巖脈侵入情況的認(rèn)知有一定差異及局限性的問題。由于鉆孔揭示的范圍和深度有限，在實(shí)際工作當(dāng)中常常難以避免這種問題的產(chǎn)生，因此，加強(qiáng)鉆探巖芯鑒定的細(xì)致和準(zhǔn)確程度就顯得尤為重要。如南疆線中天山隧道2號(hào)斜井在開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)中元古界片巖夾大理巖及閃長(zhǎng)巖，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理、裂隙較發(fā)育—發(fā)育，節(jié)理張開度在斜井內(nèi)量測(cè)大多達(dá)3mm，為地下水的富集創(chuàng)造了良好的條件，最大涌水量達(dá)到14600m3/d，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的4486m3/d。這是由于勘察階段受地面調(diào)查和鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)等多方面信息誤導(dǎo)，對(duì)洞身閃長(zhǎng)巖巖脈及節(jié)理發(fā)育等因素的認(rèn)知不足，在斜井設(shè)計(jì)涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)，對(duì)含水層厚度、影響半徑取值偏小，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的斜井正常涌水量和最大涌水量與實(shí)際涌水量有較大偏差。又如西南線東秦嶺隧道設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)F5斷層帶為構(gòu)造裂隙富水帶，而實(shí)際開挖時(shí)其為貧水帶。出現(xiàn)這種差異的主要原因，是由于F5斷層(平移斷層)為二級(jí)斷層，斷帶地表裂隙發(fā)育，且附近有泉水出露;斷層影響帶位于脆性石英巖中，石英巖節(jié)理裂隙發(fā)育，且多為張性節(jié)理。從工程安全綜合考慮，在設(shè)計(jì)階段，將F5斷層帶劃分為富水帶亦是合理的。但勘察中未能認(rèn)知到洞身位置F5斷帶碎裂角礫間多有泥質(zhì)充填，且裂隙多呈密閉狀，這一方面與鉆孔揭示范圍有限有關(guān)，另一方面也與巖芯鑒定的細(xì)致程度有關(guān)。因而鉆探過程中鉆孔巖芯鑒定的細(xì)致和準(zhǔn)確程度十分重要，及時(shí)鑒定斷層帶及充填物質(zhì)、侵入體裂隙發(fā)育程度、可溶巖含量及溶隙、溶孔發(fā)育程度等地質(zhì)信息十分必要。

1.4洗孔不徹底《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》規(guī)定基巖中宜采用清水鉆進(jìn)，實(shí)際情況是幾乎所有的鉆探均采用泥漿鉆進(jìn)，深孔歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，一般情況超過7d孔壁泥皮就開始硬化，時(shí)間越長(zhǎng)洗孔越困難。如東秦嶺特長(zhǎng)隧道4號(hào)鉆孔，孔深348.73m，泥漿鉆進(jìn)，歷時(shí)206d。每個(gè)階段只做一次二氧化碳洗孔。第一階段抽水試驗(yàn)(0～200m)降深S=72m，出水量Q=22.20m3/d;第二階段抽水試驗(yàn)(200～348.73m)降深S=144.2m，出水量Q=15.90m3/d。從抽水試驗(yàn)結(jié)果看，由于該孔洗孔不徹底，出現(xiàn)水位降深越大，出水量卻減小的現(xiàn)象，從而引起計(jì)算的滲透系數(shù)K值比實(shí)際值偏小，造成巖體富水性的劃分不準(zhǔn)確，從而對(duì)隧道的涌水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生了一定的影響。相反，如果采用一種或多種方法聯(lián)合洗井，徹底洗孔，就能夠獲得接近實(shí)際的水文地質(zhì)參數(shù)值。如西安至平?jīng)鲨F路的太峪隧道為一典型土質(zhì)隧道，隧道出口端約2.5km范圍內(nèi)，洞身均位于下更新統(tǒng)粗圓礫土含水層中，粗圓礫土層下部為含有瓦斯氣體的煤層或頁巖夾砂巖地層，隧道施工掘進(jìn)中風(fēng)險(xiǎn)較大，既存在地下水涌水的可能性，又面臨長(zhǎng)約2.3km段落的瓦斯氣體突出的危險(xiǎn)。因而在該隧道的勘察中，查明地下水的富水性分區(qū)及瓦斯氣體的濃度是至關(guān)重要的。結(jié)合隧道含水層的埋藏條件，加強(qiáng)了對(duì)該段落內(nèi)各鉆孔的鉆探和試驗(yàn)工作，尤其是洗孔質(zhì)量。各孔均采用六偏磷酸鈉化學(xué)洗井和活塞機(jī)械洗井相結(jié)合的聯(lián)合洗井法，注入六偏磷酸鈉溶液，充分浸泡16h后下入活塞機(jī)械洗井10h，徹底清洗，直至達(dá)到水清沙凈，最終進(jìn)行了兩個(gè)落程的抽水試驗(yàn)，取得了較為準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)該段落內(nèi)2號(hào)斜井正常涌水量為2633m3/d，與施工開挖后正常涌水量2480m3/d的結(jié)果基本相符。由此可見，水文地質(zhì)試驗(yàn)前的洗孔質(zhì)量是影響隧道涌水量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的又一關(guān)鍵因素，在以后的工作中應(yīng)引起重視。

1.5水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果受人為因素的影響大水文地質(zhì)試驗(yàn)是取得必要水文地質(zhì)參數(shù)和了解地下水運(yùn)移規(guī)律的重要手段，是以鉆孔或水井為平臺(tái)，評(píng)價(jià)含水層的水文地質(zhì)特征、富水程度和透水性。隧道勘察中常用的水文地質(zhì)試驗(yàn)包括抽水、注水、壓水、提水和連通試驗(yàn)等，其中，抽水試驗(yàn)是最主要、最常用的手段，抽水、注水、壓水均有較成熟的方法和計(jì)算公式;而提水試驗(yàn)人工操作動(dòng)水位難以控制，不易達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)水位較深時(shí)，測(cè)定動(dòng)水位時(shí)間長(zhǎng)，精度差。結(jié)合多年水文地質(zhì)勘察實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道工程水文地質(zhì)試驗(yàn)有以下幾點(diǎn)建議。(1)水文地質(zhì)試驗(yàn)應(yīng)以抽水試驗(yàn)為主，當(dāng)沒有抽水條件時(shí)，可采用注水或壓水試驗(yàn)，盡量不做或少做提水試驗(yàn)。在下發(fā)鉆探任務(wù)書時(shí)就應(yīng)明確規(guī)定。個(gè)別鉆機(jī)組有時(shí)為圖省事不帶抽水試驗(yàn)設(shè)備，總想以簡(jiǎn)單的提水試驗(yàn)代替抽水試驗(yàn)，配合人員應(yīng)堅(jiān)持原則。(2)當(dāng)水位很深并且水量很小時(shí)，可進(jìn)行提水試驗(yàn)，但宜采用《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》條文說明中介紹的定降深法，否則動(dòng)水位難以穩(wěn)定，會(huì)給水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算帶來困難。(3)水文地質(zhì)試驗(yàn)中，應(yīng)進(jìn)行必要的觀測(cè)和測(cè)試工作，取得更多的基礎(chǔ)資料信息。如襄渝線新麒麟隧道麒Z－2號(hào)孔，地層主要以寒武系及志留系下統(tǒng)云母石英片巖為主。該孔地下水類型為構(gòu)造裂隙水，孔內(nèi)水呈自流狀態(tài)，當(dāng)水位高出地面a=1.58m時(shí)，觀測(cè)自流量Q=442.54m3/d;當(dāng)水位高出地面b=4.15m時(shí)，自流量Q=228.00m3/d。經(jīng)計(jì)算，推測(cè)靜止水位ΔH=6.881m，滲透系數(shù)K=5.631m/d，影響半徑R=223m。從這些數(shù)據(jù)可以看出，該孔自流量和滲透系數(shù)之大，在基巖中是很少見的。但是，該孔未進(jìn)行水文測(cè)井，無法判斷出水的具體位置，難以分析含水巖體與隧道的關(guān)系。同時(shí)，該孔也未測(cè)定水溫，如果測(cè)定了水溫，可根據(jù)增溫率推測(cè)構(gòu)造裂隙水運(yùn)移和補(bǔ)給的深度。因而，初見水位、穩(wěn)定水位、水溫、水量測(cè)量及水文測(cè)井等觀測(cè)和測(cè)試工作在隧道水文地質(zhì)試驗(yàn)中均需認(rèn)真對(duì)待，缺一不可。(4)正確選擇抽水試驗(yàn)類型。由于泥巖等相對(duì)隔水的基巖地層中地下水出水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上部第四系松散層含水層，所以混合抽水會(huì)大幅度抵消上部松散層的滲透系數(shù)值，因而應(yīng)根據(jù)分層抽水試驗(yàn)取得的不同類型含水層的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)，來進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果才會(huì)符合實(shí)際情況。如寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道采用“V”形坡通過約3.3km籍河河谷區(qū)強(qiáng)富水粗圓礫土、卵石土含水層，補(bǔ)充定測(cè)階段專門采用了分層抽水試驗(yàn)，查明了松散層中的滲透系數(shù)K值范圍在38.60～68.06m/d，而不是定測(cè)階段混合抽水取得的5.48～30.35m/d，合理地預(yù)測(cè)了隧道涌水量，優(yōu)化了隧道“V”形坡和輔助坑道方案，降低了施工階段隧道發(fā)生突涌水災(zāi)害的可能性。

2結(jié)語

隧道圍巖涌水現(xiàn)象本身的復(fù)雜性和人們研究能力的局限性，使得地面調(diào)查及勘探資料與地下深處的巖體特征有所差異，因而隧道涌水量預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確也是難以避免的。但對(duì)于隧道工程水文地質(zhì)勘察工作，目前能夠做到并且需要完善如下幾點(diǎn):(1)認(rèn)真全面做好隧道地面地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查、測(cè)量和分析工作，保證基礎(chǔ)勘察資料真實(shí)、可靠;(2)勘探孔的布置要合理，勘探量能夠達(dá)到最大可能地揭示隧道重要的構(gòu)造特征、不同巖性接觸帶和富水帶位置的需要為宜;(3)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)，洗孔質(zhì)量是保證巖體富水性劃分準(zhǔn)確性的基礎(chǔ);(4)積累經(jīng)驗(yàn)，不斷學(xué)習(xí)交流，掌握不同隧道突涌水原因，綜合分析隧道區(qū)各種因素，合理選擇適合隧道情況的參數(shù)進(jìn)行涌水量計(jì)算，并在以后的工作中強(qiáng)化隧道水文地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和實(shí)際涌水量的統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，并修正模型參數(shù)，以提高涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性;(5)結(jié)合隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，及時(shí)跟蹤，不斷完善隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果。

作者：李顯偉單位：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司