渝黔鐵路暴風(fēng)雨埡隧道工程特性研究

新修訂的重慶鐵路風(fēng)景隧道位于四川、貴州南北構(gòu)造帶和北東構(gòu)造帶的交叉口和復(fù)合部分。主要通過云貴高原、貴州省北婁山腳下的風(fēng)景秀麗港（210公里的72公路）。隧道總體走向約167°。隧道全長7628m,為一深長越嶺隧道,是渝黔鐵路的控制性工程,隧道進出口標高分別為874.81m、972.23m,隧道縱斷面為小人字坡,進口端單面坡長達5070m。隧址區(qū)有210國道、渝黔高速公路、川黔鐵路橫貫?zāi)媳薄?項目的地理特征1.1地層巖性隧區(qū)地層眾多,巖性復(fù)雜,與隧道工程有關(guān)的地層主要有:1.2越高橋邊下結(jié)構(gòu)特征斷層:隧址區(qū)地處川黔南北向構(gòu)造帶與北東向構(gòu)造帶交接復(fù)合部位,屬走向北東—南西的擠壓構(gòu)造帶。隧道穿越高橋向斜北翼,受構(gòu)造應(yīng)力作用,巖層產(chǎn)狀混亂,斷裂發(fā)育,主要有13條,局部可能還隱伏有小型(破碎帶寬度約2~5m不等)斷層。隧址區(qū)內(nèi)F涼7、F涼8、F涼9、F涼10、F涼12和F涼13在隧道軸線一帶分布,對線路有影響。節(jié)理:進口段:主要發(fā)育2組節(jié)理;出口段:主要發(fā)育2組節(jié)理。1.3洞的圍巖分類Ⅱ級930m、Ⅲ級1700m、Ⅳ級3610m、Ⅴ級1388m。2特征性2.1地下水上統(tǒng)三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m):為隧址區(qū)的主要含水層之一,巖組巖溶化程度高,地表以巖溶漏斗、落水洞、洼地、暗河等大型巖溶形態(tài)產(chǎn)出,其巖溶化程度僅次于茅口組和棲霞組。夾持于松子坎組與夜郎組五段的泥質(zhì)巖類之間,主要沿構(gòu)造走向徑流、運移,其運移通道以溶隙、地下暗河等巖溶管道為主,但與其他含水層的水力聯(lián)系差,在地形低洼處以泉井、暗河等形式進行排泄。三疊系下統(tǒng)夜郎組二段和四段(T1y2+4):巖性以灰?guī)r為主,二段厚約140m,四段厚約80m,地表以小型巖溶形態(tài)溶槽、溶溝和溶穴等為主。地下水多沿巖層走向進行徑流、運移,在靠近桐梓河的斜坡低洼地帶進行排泄。二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)含水層:巖性為厚層狀、塊狀石灰?guī)r,夾持于夜郎組一段和龍?zhí)督M泥質(zhì)巖體之間。在地形上常形成陡坎、峭壁。地表多以干溶洞、溶槽、溶穴、溶溝等為主。二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組(P1m+q):為隧址區(qū)內(nèi)主要含水層之一,巖性為灰?guī)r,厚度約405m,其中茅口組厚約275m,棲霞組厚約130m。巖溶化程度極高,地表常發(fā)育溶蝕漏斗、溶蝕洼地、落水洞、槽谷及峰林等大型巖溶形態(tài),且常順構(gòu)造跡線分布。地下水接受地表水經(jīng)垂直巖溶管道進行滲入式或注入式補給。經(jīng)構(gòu)造跡線進行運移,在地形低洼處以泉、井、暗河等形式進行排泄。其中,在侵蝕基準面附近表現(xiàn)最為明顯,如桐梓河旁的涼風(fēng)埡車站一帶地下水排泄點就達6個。志留系下統(tǒng)石牛欄組(S1sh):巖性為深灰、灰色灰?guī)r。地表巖溶形態(tài)主要為沿構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育的溶溝、溶縫及溶孔等,局部發(fā)育溶洞,但個數(shù)不多,巖溶發(fā)育中等。地下水主要靠大氣降水補給,埋藏淺,易沿構(gòu)造線在地形低洼處以下降泉的形式進行排泄。奧陶系中上統(tǒng)(O2+3)含水層:夾持于龍馬溪組與湄潭組的頁巖之間,地表以溶洞、溶縫、溶穴、暗河的巖溶形態(tài)為主。地下水多以泉、井、暗河等形式出露于該含水層與下伏非可溶巖和與斷層破碎帶的接觸帶附近,分布規(guī)律性較強,具承壓性。2.2泉點分布特征涼風(fēng)埡隧址區(qū)各支溝及河流均屬長江水系。以涼風(fēng)埡山脊為界,隧址區(qū)北部屬松坎河水系,松坎河由南西向北東流經(jīng)隧道進口(隧道位于河流右岸),以松坎河為主體,發(fā)育樹枝狀支溝。隧址區(qū)南部屬天門河水系,隧址區(qū)屬為天門河一支流流域,該支流順楚米鎮(zhèn)槽谷由北向南流,隧道穿過數(shù)條NNE向次級支溝。涼風(fēng)埡隧道研究區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)有59個泉點(暗河),經(jīng)分析,研究區(qū)泉點分布具有以下特征:泉點流量差異較大,其中屬天門河水系的各泉點流量相對較大。這可能與天門河流域可溶巖分布面積和垂向深度較大有關(guān),而松坎河流域可溶巖(棲霞、茅口組)面積雖然較大,但由于其分布較高,且其下伏韓家店組隔水層,地下水儲水層厚度相對較小,故泉點流量較小。隧道進口北側(cè)松坎河兩側(cè)泉點多低于同里程隧道高程;隧道進口-涼風(fēng)埡山脊間,部分泉點高于隧道高程,部分泉點小于隧道高程;涼風(fēng)埡山脊以南,泉點高程多高于隧道高程。其原因可能與巖溶含水層和相對隔水層的空間分布有關(guān)。據(jù)訪問,隧址區(qū)大多泉點流量季節(jié)性變化較大。顯然,泉點的上述分布現(xiàn)象與隧址區(qū)各地下水系統(tǒng)補徑排特征和各區(qū)地下水位的高低有密切聯(lián)系,是劃分隧址區(qū)巖溶水水文地質(zhì)單元和確定其地下水流向的重要依據(jù)。2.3循環(huán)徑流分布隧址區(qū)地下水主要靠大氣降水補給,由于巖組的特殊組合關(guān)系(含水層與隔水層相間,即含水層受上、下隔水層夾持),導(dǎo)致各地層分屬不同的水力系統(tǒng),層、組間水力聯(lián)系差。地下水沿構(gòu)造線順層分布。隧址區(qū)以涼風(fēng)埡山嶺為界,分為兩個較大水文地質(zhì)單元,涼風(fēng)埡山嶺以北,主要向北排泄至松坎河;而涼風(fēng)埡山嶺以南,主要向南西排泄至天門河。隧區(qū)內(nèi)碳酸鹽類巖體,因地表溶洞、漏斗、溶蝕裂隙等豎直巖溶管道發(fā)育,大氣降水入滲后沿巖溶管道向深部———在垂直方向徑流,而在深部則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕c巖層層面近于一致延展的巖溶網(wǎng)絡(luò)管道系統(tǒng)進行運移徑流,且多在侵蝕基準面附近以泉、暗河等形式排泄。而以泥質(zhì)巖類的相對隔水層,具有短途徑流、就近排泄的特點,無一定的方向性。2.4地下水單元劃分確定依據(jù)一個一個基巖溶地區(qū)地下水在能量、流態(tài)、空間分布等許多方面具備地表河水的特征,具有支流、干流、流域和排泄口等地表水系的構(gòu)成要素,根據(jù)其補徑排狀況可以劃分出不同的地下水系,即巖溶地下水文地質(zhì)單元。根據(jù)涼風(fēng)埡隧址區(qū)不同水文地質(zhì)巖組的組合及其空間分布特征、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和地下水補徑排條件等可將隧址區(qū)巖溶地下水分為兩個一級單元(Ⅰ和Ⅱ)和七個次級單元(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4和Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3)。各水文地質(zhì)單元主要特征如表1所示。2.5雨期涌水量q大氣降雨入滲法:正常涌水量Q=24542m3/d,雨季較大涌水量Q大=73626m3/d。地下徑流模數(shù)法:正常涌水量Q=15752m3/d,雨期最大涌水量Q大=47256m3/d。通過上述三種計算方法對隧道各段涌水量的計算預(yù)測,可見三個結(jié)果存在一定差異?？紤]到大氣降水是其地下水的主要補給來源,地下徑流模數(shù)更具大面積區(qū)域性,通過區(qū)域概化得出的地下徑流模數(shù)不能反映可溶巖區(qū)地下水分布不均的現(xiàn)實情況,而且對大氣降水和地表徑流的變動反映較“遲鈍”,因此,推薦大氣降水入滲法計算結(jié)果作為隧道涌水預(yù)測值。3隧道爆炸風(fēng)險分類3.1隧道涌突水危險性綜合評價ttch根據(jù)測區(qū)的巖溶發(fā)育特征,初步考慮將隧道涌突水危險性劃分為五個等級,其危險程度從高到低分別為極危險區(qū)、高危險區(qū)、中危險區(qū)、較危險區(qū)、低危險區(qū),級別為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ;分值滿分設(shè)置為100分,危險性越高給的分值越高,反之亦然;劃分的五個等級所對應(yīng)的分值依次為>75、75~55、55~35、35~15、<15。隧道涌突水危險性分值是由所選取的巖石的可溶性(K1)、地質(zhì)構(gòu)造(K2)、地表巖溶地貌(K3)、地下水化學(xué)特征(K4)、隧道埋深與地下水位的關(guān)系(K5)五個評價指標評分值的相加,見式(1):式中THK———巖溶隧道涌突水危險性指數(shù),其值越大,隧道越易突水;λi———評價指標權(quán)重;Ki表示第i個評價指標?？紤]到所選取的五個控制性指標對隧道不同段的涌突水貢獻復(fù)雜性,初步認為它們的貢獻是相同的,即λi恒等于1,Ki分別賦值20分。以上五個評價指標具體的評分標準如表2所示。3.2內(nèi)巖溶涌突水危險性分析根據(jù)上述對巖溶隧道涌突水危險性等級劃分標準和實際情況對涼風(fēng)埡隧道的五個指標進行賦值,結(jié)果如表3所示。由表3可見,涼風(fēng)埡隧道可溶巖段內(nèi)巖溶涌突水危險性總體為中等-高危險,其中隧道DK154+375以后主要為高危險段,包括DK154+375~DK155+445、DK156+350~DK156+630段和DK156+670~出口段,根據(jù)THK各指標取值情況看,其高危險性主要受控于質(zhì)地較純的地層巖性和地形地貌特征,而DK154+375之前的高危險段,即DK152+900~DK153+120段主要與斷層發(fā)育有關(guān)。3.3巖石學(xué)和奧陶系結(jié)合隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)等特征的分析,涼風(fēng)埡隧道視電阻率的上述分布特征可以說明以下幾點:由于隧道南北兩段具有不同的地質(zhì)構(gòu)造和山體結(jié)構(gòu)特征,決定了隧址區(qū)深部的巖溶發(fā)育和地下水富集程度。北側(cè)的箱狀背斜核部地層平緩,棲霞組和茅口組灰?guī)r之下有非可溶巖相隔,下伏的志留系、奧陶系可溶巖內(nèi)地下水含量及其活動性有限,巖溶發(fā)育程度較差,相應(yīng)的對隧道涌水的影響較小;而南側(cè)的箱狀背斜翼部,地層傾角較陡,可溶巖與非可溶巖相間分布,可溶巖在平面上受兩側(cè)非可溶巖限制,地下水向深部徑流,相應(yīng)的造成南側(cè)巖溶發(fā)育深度較大,其中地下水對隧道涌水的影響較大。南側(cè)棲霞組、茅口組和夜郎組二段地層巖性質(zhì)地較純,其中巖溶較為發(fā)育;而夜郎組三段的低視電阻率區(qū)分布較淺,可能與其泥頁巖的風(fēng)化和構(gòu)造破碎有關(guān)。經(jīng)過物探成果與THK危險性分區(qū)評價的對比,兩者總體上都反映了隧道南側(cè)地下巖溶發(fā)育程度較北側(cè)的強,其涌水危險性較北側(cè)的高。4隧道涌水危險性分析(1)渝黔鐵路涼風(fēng)埡隧道位于川黔南北向構(gòu)造帶與北東向構(gòu)造帶交接復(fù)合部位,工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。涼風(fēng)埡山脊以北,隧道上方多有非可溶巖阻擋,隧道涌水危險性較小,但在斷層經(jīng)過段,可能出現(xiàn)來自上層巖溶水形成的涌水危害;而在山脊以南,各可溶巖條帶直接接受大氣降水補給,地下水較為豐富。(2)隧址區(qū)的巖溶地下水可分為2個一級單元,7個次級單元。單元Ⅰ以松坎河作為排泄基準面,單元Ⅱ以天門河支流作為排泄基準面。(3)隧道預(yù)測正常涌水量Q=24542m3/d,雨季較大涌水量Q大=73626m3/d。(4)涼風(fēng)埡隧道可溶巖段內(nèi)巖溶涌突水危險性總體為中等-高危險,其中隧道南段(即DK154+375以后)主要為高危險段,包括DK154+375~DK155+445、DK156+350~DK156+630段和DK156+670~出口段,其高危險性主要受控于質(zhì)地較純的地層巖性和地形地貌特征,而DK154+375之前主要為中等危險區(qū),僅在DK152+900~DK153+120段為高危險段,主要與斷層發(fā)育有關(guān)。(5)受地質(zhì)構(gòu)造和山體結(jié)構(gòu)影響,隧道北側(cè)(DK154+500之前),深埋的可溶巖(奧陶系紅花園組及中上統(tǒng)、志留系石牛欄組等)內(nèi)巖溶發(fā)育及地下水富集程度較差,而南側(cè)地下巖溶發(fā)育和地下水富集程度較高,對隧道涌水的影響較大。塊石土(Qml4)、粉質(zhì)黏土(Qal+pl4)、卵石土(Qal+pl4)、軟土(Qdl+pl4)、粉質(zhì)黏土(Qdl+pl4)、粉質(zhì)黏土(Qdl+el4)、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾巖溶