龙泉山隧道水文地质条件及岩体渗透特性研究

龙泉山隧道水文地质条件及岩体渗透特性研究

席青松

席青松

四川省蜀通岩土工程公司四川成都610000

摘要：通过对龙泉山隧址区地下水的赋存、运移及动态特征等多角度，分析了区域水文地质条件。依据隧道进出口浅孔、洞身深孔分别采集到的地下水样做出水化学分析，阐明隧址区水质类型以及地下水的侵蚀能力，并根据化学成分对地质环境特征的表征作用，对比分析了化学组分的变化，讨论并分析了岩体渗透特性与埋深的关系。

关键词：岩体渗透性；龙泉山隧道；水文地质；地下水

隧道作为地下线性建筑物，修建过程中不可避免地穿越不同水文地质体，从而形成集水廊道。隧道涌水是由于隧道的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所储存的能量以流体高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏现象。隧道涌水作为施工、甚至运营中常见的地质灾害，也是诱发其它灾害的因素之一，常具有浅埋段涌水量大于深埋段涌水量的特点。由于隧道潜在的渗漏水和积水问题，开挖过程中可能还会造成进一步的突水、突泥、塌方、浅层地表水及地下水的枯竭、地表下沉以及砌拱的化学腐蚀等更为严重的问题，危害巨大。研究水文地质结构并进行隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的重要理论问题之一，也是设计隧道防水和排水、解决施工问题的重要依据。

1龙泉山隧址区概况

龙泉山脉地处四川盆地西部，是成都平原的东界。山脉最高峰位于成都市龙泉骚区境内，海拔1051米，在成都境内称之为龙泉山。隧道工程从合江镇附近龙泉山山脚处进入，于红庙子村附近结束。隧道地表位于成都郊区，村庄密布，人口密集，经济较为繁荣。隧道全长9695m，最大埋深约283m。按铁路隧道分类，将长度为3000m-10000m的隧道都称为“长隧道”，而龙泉山隧道在大铁中已算较长隧道，地铁中则更为少见。根据钻孔资料和现场调查，隧址区地表出露及隧道洞身主要包含了第四系、白至系、侏罗系的地层，具体表现为上覆第四系全新统人工填筑土、坡残积、坡洪积、冲洪积粉质粘上，下伏基岩为白垩系上白至统灌口镇组压碎岩，侏罗系上侏罗统遂宁组泥岩夹砂岩，蓬莱镇组泥岩夹砂岩；侏罗系中侏罗统上沙溪庙组泥岩夹砂岩等。龙泉山隧址区位于新华夏系第三沉降带四川盆地西缘的川西褶皱带中，龙泉山褶皱带为其主要构造体系，以龙泉山箱状大背斜为骨干，包括一系列走向北20°-30°东的褶皱、冲断层等压性、压扭性结构面。龙泉山大背斜轴部宽阔平缓，两翼陡然下降，形成对称扼轴，延伸不远复又变平。隧址区发育有两条褶皱、两条断层，分别为龙泉骚大背斜、卧龙寺向斜以及龙泉骚断层和马鞍山断层。隧址区节理裂隙较发育，主要以构造裂隙为主，浅部基岩多为风化卸荷裂隙。

2隧址区水文地质条件研究

2.1地下水赋存特征

由于隧道范围内基岩普遍出露，覆盖层薄，故整体第四系上层孔隙水相对贫乏。基岩裂隙水因所在地理位置、构造特征、地层岩性及补给条件的不同，分布特征表现出一定的差异性。基岩裂隙水主要分布于侏罗系上侏罗统蓬莱镇组（T3p）、遂宁组（T3s），中侏罗统上沙溪庙组（J2s）地层中，为一套红色泥岩为主、夹厚度不稳定的砂岩透镜体。其中砂岩裂隙层间水兼具风化裂隙水，主要是砂岩裂隙含水，地下水被严格限制在含水砂岩层分布的范围之内，具有多个互不联系的砂岩裂隙层间水含水岩体，含水性极不均匀；风化带裂隙水主要接受大气降水和地面水体的补给，随地形条件由高向低处径流，于地势低洼处汇集和排出地表。

2.2构造对地下水的控制

由于隧址区经历了多次构造变动，断层、褶皱、节理裂隙等构造条件和地层岩性均表现出多元化的特点，这使得隧址区地下水的分布规律和赋存、运移也表现出了独特性和复杂性。研究区内分布有龙泉驿断层、卧龙寺向斜、龙泉山大背斜、马鞍山断层，砂岩、泥岩接触带。根据地形地貌、地层岩性、地质构造因素可分为5个富水带。

（1）龙泉驿断层富水带：该区位于隧道进口，主要岩性为泥岩、砂岩。区内岩体受构造影响节理发育，产状凌乱，岩体破碎，为地下水的富集创造了条件，属富水区。

（2）卧龙寺向斜富水带：向斜两翼岩层受构造影响岩体破碎，为地下水的富集创造了条件，向斜核部为富水带。

（3）龙泉山大背斜：该区主要岩性泥岩、砂岩。区内岩体受构造影响节理发育，产状凌乱，岩体破碎，背斜两翼属强富水区。

（4）马鞍山断层富水带：主要岩性为泥岩、砂岩。区内岩体受构造影响节理发育，产状凌乱，岩体破碎，为地下水的富集创造了条件，属强富水区。

（5）砂岩、泥岩接触带：研究区为侏罗系红层，岩性以泥岩、砂岩为主，砂岩属透水层，泥岩相对隔水，砂岩、泥岩接触带属强富水区。

2.3地下水的水化学特征

（1）水质分析

研究区地下水化学类型按舒卡列夫分类，主要有HCO3型水、HCO3.SO4型水、SO4型水和SO4.Cl型水四大类，具体表现为HCO3-Ca型水、HCO3-Na型水、HCO3-Ca.Mg型水、HCO3.SO4-Ca型水、HCO3SO4-Mg型水、HCO3.SO4-Ca.Mg型水、HCO3.SO4-Na.Ca型水、SO4.Cl-Na型水、SO4-Mg型水等9个小类。其中，研究区水样pH值5.90-8.63，总硬度0.2-13.66mmol/L，总矿化度258.19-5846.20mg/L平均值为729.46mg/L，属于中~弱碱性低矿化度淡水。此外还存在部分水样为微碱水和碱水。

根据水化学分析结果，线路上段隧道入口处井水、线路中段洞身处钻孔水以及线路下段隧道出口处井水中主要的阳离子为Ca2+，主要的阴离子为HCO3与SO4。井水的pH值平均为6.71，呈弱酸性，矿化度值平均为989.88mg/L；钻孔水的pH值平均为7.52，呈弱碱性，矿化度值平均为489.08mg/L。水化学类型主要为HCO3-Ca型水以及HCO3.SO4-Ca型水，井水中HCO3-含量高于钻孔水含量，SO42-则在钻孔水中含量更高。忽略个别可能存在误差但并不印象整体趋势的极端值点后可以看出，从隧道进口段到洞身段，主要离子的含量与矿化度水平有所降低，而洞身段到出口段主要离子的含量与矿化度水平明显提高，整体呈现波动上升的趋势（图1），其他离子含量的变化也符合这一规律。地下水的滞留时长是水化学成分在基岩溶蚀过程中发生变化的重要因素。HCO3-含量受人类活动影响较明显，井水中含量高于钻孔水含量；隧道洞身处钻孔水样，因地下水滞留时间较长，硫酸盐矿物溶解度更高，SO42-浓度明显高于井水水样。

图1水样主要离子组分变化趋势图

在上述水样水化学分析结果的基础上，依据《岩上工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版），场地内水的腐蚀性评价宜按Ⅱ类环境考虑。宜按B类条件判定，并按B类条件判定地区所取钻孔水样为基岩裂隙水样。

2.4地下水的化学参数分析

（1）Ca2+/Mg2+比值

Ca2+/Mg2+比值的大小及变化特征，在一定程度上能够反应水岩的相互作用，包括矿化作用的强弱、贮水地层的岩性以及地下水形成过程。根据研究区水样水化学分析结果计算，隧道进口段地下水Ca2+/Mg2+比值相对较小，洞身段居中，出口段较大，整体呈现上升趋势（图2）。依据Ca2+和Mg2+的变化特征，地下水的矿化作用从隧道进口段到出口段的增强过程，也说明了地下水的侵蚀能力在增强。

图2水样Ca2+/Mg2+比值分布图

（2）HCO3-/SO42-比值

水化学组分指标HCO3-/SO42-比值同样也能反应地下水的形成及变化过程。龙泉山隧道进口段地下水样的HCO3-/SO42-比值为3.16-5.63，洞身段为0.81-6.15，出口段为0.10-3.24，整体呈现下降趋势。表明硫酸盐矿物溶解度升高，地下水对隧址区下伏基岩（泥岩夹砂岩）中含有的特殊性岩上石膏夹层的侵蚀能力加强。

通过HCO3-/SO42-比值和Ca2+/Mg2+比值的分析，离子的含量特征及变化与水化学类型的分布规律、矿化度、硬度、pH值等水化学指标相关；当Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-离子含量的增加时，矿化度、硬度、pH值随之增加。随着HCO3-/SO42-比值的减小，SO42-含量逐渐占优，地下水对下伏基岩的侵蚀能力加强。

3岩体渗透特性研究

3.1抽水试验分析

由于研究区抽水钻孔是具有承压水的不完整井，结合均匀岩体渗透系数的计算公式，在计算影响半径和渗透系数这两个重要的岩上体水理性质指标时，采用巴布什金-吉林斯基公式计算渗透系数K，吉哈尔特公式计算影响半径R。根据本次深孔钻探所做水文地质试验，获得的渗透系数K及影响半径R（表1）。

3.2渗透特性与埋深关系研究

首先，随着埋深的加深裂面会趋向紧闭，岩体渗透性会有所减弱，埋深与相应岩体的渗透系数存在某种相关性。在此理论基础上，通过隧址区深孔钻探点埋深与渗透系数的统计分析，即可得出龙泉山隧址区不同埋深点岩体对应的渗透系数散点图，再通过拟合，便可看出该区岩体渗透系数随埋深的加深而呈现出负指数下降趋势的内在联系，且表现出了较高的相关性（图3）。

图3隧址区渗透系数与埋深的相关性

可以看出，龙泉山隧址区岩体渗透系数随埋深的加深呈现出负指数下降趋势可由关系式确定，并取平均值。这也为龙泉山隧址区渗透系数的确定提供了除巴布什金-吉林斯基和吉哈尔特等经验公式以外的更便捷的方法，为下文水文地质模型的演算提供必要参数。

4结论

（1）对研究区钻孔采集到的地下水样进行水化学分析，得出隧址区水质类型以及地下水的侵蚀能力，并对比分析了HCO3-/SO42-比值和Ca2+/Mg2+比值等化学组分的变化，进一步说明了研究区水文地质条件。

（2）通过水文地质试验，采用巴布什金-吉林斯基公式以及吉哈尔特公式分别计算了渗透系数和影响半径等岩上体水理性质指标，得出龙泉山隧址区岩体渗透系数随埋深的加深呈现出负指数下降趋势。

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