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雁門關(guān)隧道滲漏原因分析及建議

2011-05-19 07:02:54楊光輝
山西水利 2011年2期
關(guān)鍵詞:石峽寒武漏水

楊光輝

1 工程概況

雁門關(guān)隧道建成于2003年9月,位于山西省忻州市代縣境內(nèi)。隧道為雙向交通隧道,東西兩隧道中心線間距約50m,總體走向為N11.6°W,開挖斷面為馬蹄型,2008年5月初在西隧道樁號YK594+381—YK594+636段發(fā)現(xiàn)部分地段隧洞側(cè)壁有滲水現(xiàn)象,共15處,并組織進(jìn)行了滲水處理,處理方法主要是在側(cè)壁鑿成“U”型槽埋管引水。在處理過程中又陸續(xù)新發(fā)現(xiàn)20多處滲水,隨后均進(jìn)行了處理。2008年5月24日—7月6日,又發(fā)現(xiàn)隧道側(cè)壁墻面有60余處滲水,洞頂滲水10余處,路面滲水10余處等漏水和滲水現(xiàn)象。東隧道滲漏相對較少,僅局部地段路面、洞底、豎井、斜井等部位有滲漏水現(xiàn)象。

2 隧道滲漏原因分析

2.1 隧道段水文地質(zhì)條件

2.1.1 地形

從地形上看,隧道主要漏水地段(樁號YK594+381—YK594+636)東、北、西三面地形較高,南面開口且地形較低,本區(qū)總體呈一南北向的、向南部傾斜的槽形匯水凹地,具備地下水補給、徑流、排泄的良好條件,有利于地表水和地下水向隧道南部運移、匯集。

2.1.2 氣象

大氣降水入滲是隧道滲漏的唯一補給來源,隧道滲漏范圍、滲漏量與大氣降水密切相關(guān),每年的雨季滲漏范圍和滲漏量增大,旱季滲漏范圍和滲漏量減小,地下水的水位和水量隨季節(jié)的變化較為明顯。

2.1.3 地層巖性

隧道漏水范圍、漏水量主要受地層巖性的控制。以F1逆斷層為界,斷層以北隧道從上太古界五臺群胡峪組(Ar3h)黑云斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖中通過,過斷層后隧道從寒武系下統(tǒng)毛莊組(∈1mz)紫紅色泥巖夾薄層細(xì)砂巖、泥灰?guī)r,寒武系中統(tǒng)徐莊組(∈2x)紫紅色泥巖中通過。隧道由北向南依次通過上太古界五臺群胡峪組(Ar3h)變質(zhì)巖、寒武系下統(tǒng)毛莊組(∈1mz)及中統(tǒng)徐莊組(∈2x)泥頁巖、寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2z)灰?guī)r。

2.1.4 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對隧道滲漏也具有明顯的控制作用。F1逆斷層總體上是一條阻水?dāng)鄬?,斷層以北地段均為變質(zhì)巖洞段,它與隧道基本正交,如石峽溝qs09-2泉就是因為F1逆斷層將上盤徐莊組(∈2x)紫紅色泥頁巖推至地表,地下水受泥頁巖阻隔后形成該泉,但斷層兩盤灰?guī)r接觸部位還具有一定的導(dǎo)水性。隧道東西兩側(cè)灰?guī)r地層節(jié)理裂隙較發(fā)育,在一定程度上構(gòu)成地下水進(jìn)入隧道內(nèi)的良好通道。

隧道北部、南部出露變質(zhì)巖,向中部依次為泥頁巖、灰?guī)r,隧道樁號594+500以北巖層產(chǎn)狀大多為N70°~80°E/SE∠10°~20°,隧道樁號 594+500 以南巖層產(chǎn)狀大多為 N20°~30°E/NW∠9°~16°,整個隧道處于一個較大的復(fù)式向斜構(gòu)造中,其核部在樁號594+500附近,正好處于隧道漏水較為嚴(yán)重的部位,且該處東、西兩側(cè)徐莊組(∈2x)泥頁巖分布較高,隧道東側(cè)巖層產(chǎn)狀N30°W/SW∠20°,西側(cè)巖層產(chǎn)狀N65°E/SE∠5°,形成一個四周泥頁巖高、中間泥頁巖低的匯水凹地,有利于地下水向該處運移、排泄。

2.1.5 含水層及相對隔水層的空間展布

據(jù)鉆探、物探成果并結(jié)合地質(zhì)平面測繪,工程區(qū)含水層為寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2z)灰?guī)r,寒武系下統(tǒng)毛莊組(∈1mz)紫紅色泥頁巖夾薄層細(xì)砂巖、泥灰?guī)r與寒武系中統(tǒng)徐莊組(∈2x)紫紅色泥頁巖可視為相對隔水層。

西隧道漏水部位的地下水主要來自西側(cè)石峽溝張夏組(∈2z)灰?guī)r含水層中的巖溶裂隙水,以側(cè)向徑流的形式通過泥巖頂板最低部位向西隧道排泄,這使得從西隧道滲漏較東隧道嚴(yán)重,西隧道西壁出水點位置普遍高于東壁來講,也說明地下水主要是從西側(cè)石峽溝由西北向東南側(cè)向補給至西隧道。

隧道主要漏水地段北側(cè)為一逆斷層,該斷層具有一定的阻水作用,但其上部斷層兩盤灰?guī)r接觸部位是導(dǎo)水的,斷層以北山頂、山坡石灰?guī)r區(qū)接受大氣降水入滲后,一部分向石峽溝方向徑流,并以泉水形式排泄,另一部分順?biāo)淼乐仙郊褂杀毕蚰辖?jīng)逆斷層上部灰?guī)r由北向南運移,經(jīng)隧道漏水部位上方通過節(jié)理裂隙滲入隧道。據(jù)物探成果,隧道漏水部位頂部巖層中也有地下水位分布,但富水性較差,由于隧道上覆圍巖較厚,故隧道頂部通過節(jié)理裂隙垂直下滲進(jìn)入隧道中的地下水量不大,僅雨季個別部位洞頂有少量漏水,旱季則不漏水。

2.1.6 水文地質(zhì)條件

隧道范圍內(nèi)主要接受大氣降水入滲補給,馬場梁山在雁門關(guān)隧道樁號K592+420部位構(gòu)成分水嶺,其北部地下水向北逕流,南部地下水向南逕流。北部地下水在入滲于奧陶系下統(tǒng)冶里組、寒武系上統(tǒng)鳳山組、長山組、崮山組、中統(tǒng)張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,在進(jìn)入下部的寒武系中統(tǒng)徐莊組泥頁巖時受阻,并受巖層產(chǎn)狀及地勢控制,折而流向南東;南部地下水流向南東。

雁門關(guān)隧道開挖后,隧洞周圍形成一個較大的巖體松動變形圈,使原來巖體中節(jié)理裂隙不同程度張開,并形成一些新的裂隙,增加了巖體的滲透性,這樣隧道就形成巖體中的“集水廊道”,匯集巖體中的地下水,特別是隧道透水性良好的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r含水層洞段,表現(xiàn)的更為明顯。地下水多由西部石峽溝及隧道頂拱入滲隧道,地下水流經(jīng)西隧道時大部由西隧道排出,東隧道也有少量地下水漏滲。

隧洞北端口—樁號K593+875段,隧道段圍巖為太古界胡峪組變質(zhì)巖,地下水位高程1525~1730m,高于隧道頂110~290m,含水層位于張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,含水層至隧道頂部有厚105~240m的變質(zhì)巖、泥頁巖及泥灰?guī)r組成的相對隔水層,且該隔水層富水性差,隧道基本不滲漏。

樁號K593+875—K594+500段,隧道段圍巖為寒武系下統(tǒng)毛莊組、中統(tǒng)徐莊組泥頁巖、泥灰?guī)r,地下水位高程 1415~1505m,高于隧道頂 13~90m,含水層位于張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,含水層至隧道頂部有厚2~84m的泥頁巖及泥灰?guī)r組成的相對隔水層,富水性差,僅局部地段存在滲、漏水問題。

樁號K594+500以后段,隧道圍巖為張夏組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,節(jié)理裂隙發(fā)育,具有良好的透水通道,地下水位位于該層,是隧道滲、漏水最為嚴(yán)重的地段。

2.1.7 地表水與地下水的水力聯(lián)系

據(jù)本次實地調(diào)查,隧道西側(cè)石峽溝上游的兩處泉水,過F1逆斷層后,溝底的泉水流經(jīng)裸露灰?guī)r區(qū)至樁號594+265附近全部漏失,說明石峽溝上游兩處泉水漏失也是西隧道滲漏的補給源之一。

2.2 隧道滲漏原因分析

隧道滲、漏水原因主要與以下幾個方面有關(guān):

第一,該隧道處于張夏組灰?guī)r中,而且節(jié)理裂隙及巖溶較為發(fā)育,巖溶形態(tài)主要以溶隙和溶孔為主,局部有管道狀巖溶,含水層厚度大,滲透性及富水性較強,下部為徐莊組泥頁巖相對隔水層,整個滲、漏水地段的隧道基本處于盆狀蓄水構(gòu)造內(nèi)。

第二,地下水流向總體是由西北向東南徑流,且西北側(cè)順石峽溝一帶張夏組灰?guī)r含水層富水性較強,地下水主要從石峽溝西側(cè)首先進(jìn)入西隧道,西隧道相當(dāng)于構(gòu)成了一個“集水廊道”,截滲了一部分巖溶地下水,從而造成了隧道口處的泉水枯竭,西南方向較遠(yuǎn)處的泉水流量減少。

第三,近幾年來,由于該地區(qū)降水量增大,地下水水位抬升,造成隧道圍巖中地下水水頭增大,洞內(nèi)外水頭壓力提高,石峽溝上游兩處泉水流量增大,流經(jīng)石峽溝溝底漏失至下部灰?guī)r含水層中的水量亦增大。

第四,隧道雖然作了襯砌,且在施工縫、明洞及二次襯砌接縫、沉降縫、伸縮縫等部位采用橡膠止水帶、填塞瀝青麻絮、土工布進(jìn)行防水處理,在隧道中線路基下設(shè)置了直徑500mm的中心排水管,在圍巖與洞壁混凝土之間設(shè)置了豎向排水管并與中心排水管相通,洞內(nèi)圍巖中的地下水可通過洞底中心排水管排出洞外,但隧道經(jīng)多年運行,且在隧道圍巖地下水長期高滲壓作用下,原采取的止水、排水、防滲等處理措施失效,造成洞壁滲水、涌水。

第五,從隧道出口洞底路基下中心排水管的排水情況看,東、西隧道洞內(nèi)原有的排水系統(tǒng)運行比較正常,還具有一定的排水能力,但不能完全將隧道圍巖內(nèi)的地下水納入該排水系統(tǒng)。

綜上所述,地下水流向主要由西北向東南,順?biāo)淼牢鱾?cè)石峽溝存在一地下水較強徑流帶,含水層為寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2z)灰?guī)r,富水性較強,西隧道漏水主要是由于該含水層側(cè)向補給引起的。此外,隧道經(jīng)多年運行,在隧道圍巖地下水長期高滲壓作用下,原采取的止水、排水、防滲等處理措施失效,造成洞壁滲水、涌水,也是造成滲漏的原因之一。

2.3 隧道滲漏部位側(cè)向補給量估算

側(cè)向補給量采用斷面法計算,采用達(dá)西公式:

式中:Q側(cè)補——側(cè)向補給量,m3/d;

K——滲透系數(shù),m/d;

I——地下水水力坡度;

W——計算斷面的過水面積,m2;

β——地下水流向與隧道的夾角。

據(jù)鉆孔抽水試驗成果,滲透系數(shù)取3次降深計算結(jié)果的平均值,取K=17.23m/d;漏水范圍長度取85m(本次西隧道調(diào)查的最大漏水寬度),據(jù)洞壁出水點高度,含水層厚度平均按4m考慮,則計算斷面的過水面積W=340m2;地下水流向與隧道的夾角取β=50°;據(jù)石峽溝鉆孔地下水位、孔與孔之間的水平距離,求得地下水水力坡度平均值為0.15。按式(1)計算得隧道側(cè)向補給量為403L/min。

據(jù)隧道口排水點流量實測成果可知,隧道排水量為400L/min,與計算的隧道側(cè)向補給量基本相當(dāng),說明隧道排水主要來自西側(cè)石峽溝的側(cè)向補給。

3 結(jié)論及建議

第一,根據(jù)雁門關(guān)水文地質(zhì)資料和隧洞漏水量統(tǒng)計及研究區(qū)降雨統(tǒng)計,建立了雁門關(guān)隧洞區(qū)水動力場和滲流場反演模型,得到了各巖層入滲率和入滲強度:入滲率灰?guī)r為0.3,變質(zhì)巖為0.04。

第二,在豐水年,西洞滲漏量為7.9L/s,東洞滲漏量為3.17L/s,泉qs09-1滲漏量為5.2L/s,泉qs09-2滲漏量為4.8L/s,泉qs09-3滲漏量為11.2L/s。

第三,隧洞滲漏水主要來自灰?guī)r裂隙水,即大氣降水補給,由于泥巖和變質(zhì)巖透水性較小,入滲地下水無法補給變質(zhì)巖,而在灰?guī)r形成了較高地下水位,在斷層F1東南部隧道(K594+500—K594+826段)內(nèi),由于裂隙發(fā)育,灰?guī)r內(nèi)地下水沿裂隙滲漏到隧道內(nèi)。在斷層F1西北部隧道內(nèi),由于泥巖和灰?guī)r阻水作用,灰?guī)r發(fā)育較好,灰?guī)r內(nèi)地下水無法流入隧道內(nèi),因此隧道內(nèi)沒有滲漏點。

針對隧洞滲漏問題提出以下建議:由于隧洞滲漏水主要來自灰?guī)r裂隙水,要查明滲漏通道,采用封堵的方法封堵來自隧洞附近的滲漏通道,同時將滲漏通道封堵段前方的水通過排不溝等設(shè)施導(dǎo)引到其他位置,以降低水壓力因季節(jié)性波動帶來的脈動影響;或者順?biāo)淼罎B漏地下水的來水方向設(shè)置排水設(shè)施,排泄地下水,防止或減弱滲入隧道內(nèi)的水量。

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