渝黔铁路暴风雨垭隧道工程特性研究

渝黔铁路暴风雨垭隧道工程特性研究

新修订的重庆铁路风景隧道位于四川、贵州南北构造带和北东构造带的交叉口和复合部分。主要通过云贵高原、贵州省北娄山脚下的风景秀丽港（210公里的72公路）。隧道总体走向约167°。隧道全长7628m,为一深长越岭隧道,是渝黔铁路的控制性工程,隧道进出口标高分别为874.81m、972.23m,隧道纵断面为小人字坡,进口端单面坡长达5070m。隧址区有210国道、渝黔高速公路、川黔铁路横贯南北。1项目的地理特征1.1地层岩性隧区地层众多,岩性复杂,与隧道工程有关的地层主要有:1.2越高桥边下结构特征断层:隧址区地处川黔南北向构造带与北东向构造带交接复合部位,属走向北东—南西的挤压构造带。隧道穿越高桥向斜北翼,受构造应力作用,岩层产状混乱,断裂发育,主要有13条,局部可能还隐伏有小型(破碎带宽度约2~5m不等)断层。隧址区内F凉7、F凉8、F凉9、F凉10、F凉12和F凉13在隧道轴线一带分布,对线路有影响。节理:进口段:主要发育2组节理;出口段:主要发育2组节理。1.3洞的围岩分类Ⅱ级930m、Ⅲ级1700m、Ⅳ级3610m、Ⅴ级1388m。2特征性2.1地下水上统三叠系下统茅草铺组(T1m):为隧址区的主要含水层之一,岩组岩溶化程度高,地表以岩溶漏斗、落水洞、洼地、暗河等大型岩溶形态产出,其岩溶化程度仅次于茅口组和栖霞组。夹持于松子坎组与夜郎组五段的泥质岩类之间,主要沿构造走向径流、运移,其运移通道以溶隙、地下暗河等岩溶管道为主,但与其他含水层的水力联系差,在地形低洼处以泉井、暗河等形式进行排泄。三叠系下统夜郎组二段和四段(T1y2+4):岩性以灰岩为主,二段厚约140m,四段厚约80m,地表以小型岩溶形态溶槽、溶沟和溶穴等为主。地下水多沿岩层走向进行径流、运移,在靠近桐梓河的斜坡低洼地带进行排泄。二叠系上统长兴组(P2c)含水层:岩性为厚层状、块状石灰岩,夹持于夜郎组一段和龙潭组泥质岩体之间。在地形上常形成陡坎、峭壁。地表多以干溶洞、溶槽、溶穴、溶沟等为主。二叠系下统茅口组和栖霞组(P1m+q):为隧址区内主要含水层之一,岩性为灰岩,厚度约405m,其中茅口组厚约275m,栖霞组厚约130m。岩溶化程度极高,地表常发育溶蚀漏斗、溶蚀洼地、落水洞、槽谷及峰林等大型岩溶形态,且常顺构造迹线分布。地下水接受地表水经垂直岩溶管道进行渗入式或注入式补给。经构造迹线进行运移,在地形低洼处以泉、井、暗河等形式进行排泄。其中,在侵蚀基准面附近表现最为明显,如桐梓河旁的凉风垭车站一带地下水排泄点就达6个。志留系下统石牛栏组(S1sh):岩性为深灰、灰色灰岩。地表岩溶形态主要为沿构造节理裂隙发育的溶沟、溶缝及溶孔等,局部发育溶洞,但个数不多,岩溶发育中等。地下水主要靠大气降水补给,埋藏浅,易沿构造线在地形低洼处以下降泉的形式进行排泄。奥陶系中上统(O2+3)含水层:夹持于龙马溪组与湄潭组的页岩之间,地表以溶洞、溶缝、溶穴、暗河的岩溶形态为主。地下水多以泉、井、暗河等形式出露于该含水层与下伏非可溶岩和与断层破碎带的接触带附近,分布规律性较强,具承压性。2.2泉点分布特征凉风垭隧址区各支沟及河流均属长江水系。以凉风垭山脊为界,隧址区北部属松坎河水系,松坎河由南西向北东流经隧道进口(隧道位于河流右岸),以松坎河为主体,发育树枝状支沟。隧址区南部属天门河水系,隧址区属为天门河一支流流域,该支流顺楚米镇槽谷由北向南流,隧道穿过数条NNE向次级支沟。凉风垭隧道研究区内共发现有59个泉点(暗河),经分析,研究区泉点分布具有以下特征:泉点流量差异较大,其中属天门河水系的各泉点流量相对较大。这可能与天门河流域可溶岩分布面积和垂向深度较大有关,而松坎河流域可溶岩(栖霞、茅口组)面积虽然较大,但由于其分布较高,且其下伏韩家店组隔水层,地下水储水层厚度相对较小,故泉点流量较小。隧道进口北侧松坎河两侧泉点多低于同里程隧道高程;隧道进口-凉风垭山脊间,部分泉点高于隧道高程,部分泉点小于隧道高程;凉风垭山脊以南,泉点高程多高于隧道高程。其原因可能与岩溶含水层和相对隔水层的空间分布有关。据访问,隧址区大多泉点流量季节性变化较大。显然,泉点的上述分布现象与隧址区各地下水系统补径排特征和各区地下水位的高低有密切联系,是划分隧址区岩溶水水文地质单元和确定其地下水流向的重要依据。2.3循环径流分布隧址区地下水主要靠大气降水补给,由于岩组的特殊组合关系(含水层与隔水层相间,即含水层受上、下隔水层夹持),导致各地层分属不同的水力系统,层、组间水力联系差。地下水沿构造线顺层分布。隧址区以凉风垭山岭为界,分为两个较大水文地质单元,凉风垭山岭以北,主要向北排泄至松坎河;而凉风垭山岭以南,主要向南西排泄至天门河。隧区内碳酸盐类岩体,因地表溶洞、漏斗、溶蚀裂隙等竖直岩溶管道发育,大气降水入渗后沿岩溶管道向深部———在垂直方向径流,而在深部则逐渐转变为与岩层层面近于一致延展的岩溶网络管道系统进行运移径流,且多在侵蚀基准面附近以泉、暗河等形式排泄。而以泥质岩类的相对隔水层,具有短途径流、就近排泄的特点,无一定的方向性。2.4地下水单元划分确定依据一个一个基岩溶地区地下水在能量、流态、空间分布等许多方面具备地表河水的特征,具有支流、干流、流域和排泄口等地表水系的构成要素,根据其补径排状况可以划分出不同的地下水系,即岩溶地下水文地质单元。根据凉风垭隧址区不同水文地质岩组的组合及其空间分布特征、地质构造、地形地貌和地下水补径排条件等可将隧址区岩溶地下水分为两个一级单元(Ⅰ和Ⅱ)和七个次级单元(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4和Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3)。各水文地质单元主要特征如表1所示。2.5雨期涌水量q大气降雨入渗法:正常涌水量Q=24542m3/d,雨季较大涌水量Q大=73626m3/d。地下径流模数法:正常涌水量Q=15752m3/d,雨期最大涌水量Q大=47256m3/d。通过上述三种计算方法对隧道各段涌水量的计算预测,可见三个结果存在一定差异。考虑到大气降水是其地下水的主要补给来源,地下径流模数更具大面积区域性,通过区域概化得出的地下径流模数不能反映可溶岩区地下水分布不均的现实情况,而且对大气降水和地表径流的变动反映较“迟钝”,因此,推荐大气降水入渗法计算结果作为隧道涌水预测值。3隧道爆炸风险分类3.1隧道涌突水危险性综合评价ttch根据测区的岩溶发育特征,初步考虑将隧道涌突水危险性划分为五个等级,其危险程度从高到低分别为极危险区、高危险区、中危险区、较危险区、低危险区,级别为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ;分值满分设置为100分,危险性越高给的分值越高,反之亦然;划分的五个等级所对应的分值依次为>75、75~55、55~35、35~15、<15。隧道涌突水危险性分值是由所选取的岩石的可溶性(K1)、地质构造(K2)、地表岩溶地貌(K3)、地下水化学特征(K4)、隧道埋深与地下水位的关系(K5)五个评价指标评分值的相加,见式(1):式中THK———岩溶隧道涌突水危险性指数,其值越大,隧道越易突水;λi———评价指标权重;Ki表示第i个评价指标。考虑到所选取的五个控制性指标对隧道不同段的涌突水贡献复杂性,初步认为它们的贡献是相同的,即λi恒等于1,Ki分别赋值20分。以上五个评价指标具体的评分标准如表2所示。3.2内岩溶涌突水危险性分析根据上述对岩溶隧道涌突水危险性等级划分标准和实际情况对凉风垭隧道的五个指标进行赋值,结果如表3所示。由表3可见,凉风垭隧道可溶岩段内岩溶涌突水危险性总体为中等-高危险,其中隧道DK154+375以后主要为高危险段,包括DK154+375~DK155+445、DK156+350~DK156+630段和DK156+670~出口段,根据THK各指标取值情况看,其高危险性主要受控于质地较纯的地层岩性和地形地貌特征,而DK154+375之前的高危险段,即DK152+900~DK153+120段主要与断层发育有关。3.3岩石学和奥陶系结合隧址区地层岩性、地质构造和水文地质等特征的分析,凉风垭隧道视电阻率的上述分布特征可以说明以下几点:由于隧道南北两段具有不同的地质构造和山体结构特征,决定了隧址区深部的岩溶发育和地下水富集程度。北侧的箱状背斜核部地层平缓,栖霞组和茅口组灰岩之下有非可溶岩相隔,下伏的志留系、奥陶系可溶岩内地下水含量及其活动性有限,岩溶发育程度较差,相应的对隧道涌水的影响较小;而南侧的箱状背斜翼部,地层倾角较陡,可溶岩与非可溶岩相间分布,可溶岩在平面上受两侧非可溶岩限制,地下水向深部径流,相应的造成南侧岩溶发育深度较大,其中地下水对隧道涌水的影响较大。南侧栖霞组、茅口组和夜郎组二段地层岩性质地较纯,其中岩溶较为发育;而夜郎组三段的低视电阻率区分布较浅,可能与其泥页岩的风化和构造破碎有关。经过物探成果与THK危险性分区评价的对比,两者总体上都反映了隧道南侧地下岩溶发育程度较北侧的强,其涌水危险性较北侧的高。4隧道涌水危险性分析(1)渝黔铁路凉风垭隧道位于川黔南北向构造带与北东向构造带交接复合部位,工程地质及水文地质条件复杂。凉风垭山脊以北,隧道上方多有非可溶岩阻挡,隧道涌水危险性较小,但在断层经过段,可能出现来自上层岩溶水形成的涌水危害;而在山脊以南,各可溶岩条带直接接受大气降水补给,地下水较为丰富。(2)隧址区的岩溶地下水可分为2个一级单元,7个次级单元。单元Ⅰ以松坎河作为排泄基准面,单元Ⅱ以天门河支流作为排泄基准面。(3)隧道预测正常涌水量Q=24542m3/d,雨季较大涌水量Q大=73626m3/d。(4)凉风垭隧道可溶岩段内岩溶涌突水危险性总体为中等-高危险,其中隧道南段(即DK154+375以后)主要为高危险段,包括DK154+375~DK155+445、DK156+350~DK156+630段和DK156+670~出口段,其高危险性主要受控于质地较纯的地层岩性和地形地貌特征,而DK154+375之前主要为中等危险区,仅在DK152+900~DK153+120段为高危险段,主要与断层发育有关。(5)受地质构造和山体结构影响,隧道北侧(DK154+500之前),深埋的可溶岩(奥陶系红花园组及中上统、志留系石牛栏组等)内岩溶发育及地下水富集程度较差,而南侧地下岩溶发育和地下水富集程度较高,对隧道涌水的影响较大。块石土(Qml4)、粉质黏土(Qal+pl4)、卵石土(Qal+pl4)、软土(Qdl+pl4)、粉质黏土(Qdl+pl4)、粉质黏土(Qdl+el4)、灰岩、白云质灰岩夹岩溶