襄渝线大巴山隧道病害成因及整治方案研究论文.pdf

西南交通大学 硕士学位论文 襄渝线大巴山隧道病害成因及整治方案研究 姓名：樊永杰 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：杨立中;王智犍 20041001 亘亘至逢盔兰塑主塑塞圭兰焦笙塞篁! 噩 摘要 隧道病害是长期困扰我国交通运输事业可持续发展的一个关键问题，主要 包括水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀等表现形式。其中，水害最为常见，通 常还是其它病害的直接诱因，欲根治隧道病害，治理好水害是重中之重的工作。 作为铁道部湘渝线扩能工程的瓶颈，建于二十世纪7 0 年底初期的大巴山隧 道存在基底翻浆冒泥、衬砌裂损和拱顶渗漏水等严重病害。为此，本文以大巴 山隧道为研究对象，通过其病害成因的调查分析和现场试验，最终提出全面、 彻底、安全、经济、可行的整治方案。 本论文应用水文地球化学、同位素水文地质学、水环境化学、地下水动力 学、专门水文地质学等学科的基本原理和方法，对现场实测数据和收集到的大 量资料进行了深入的分析和计算，查明了大巴山隧道隧址区的地下水环境状况 和水动力特征，确定了隧址区地下水运移的相关参数，提出了病害的整治方案， 同时在对不同整治模式进行技术、经济比较的基础上，提出了隧道翻浆冒泥病 害整治的最优方案。 本论文结合基础地质与水文地质工作，从地下水“质”的角度去追踪地下 水的赋存、运移和分布规律，将大大有助于查明隧道相关病害的成因，从而为 最终经济、可靠、彻底地解决隧道病害问题奠定了坚实的基础，研究方法和思 路值得今后同类工程借鉴。 关键词：大巴山隧道；隧道病害；整治对策 a b s t r a c t t u n n e ld i s e a s ei sak e yp r o b l e mt h a ta f f e c t st h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y s t r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y t h ed i s e a s e sm a i n l yi n c l u d ew a t e rd i s e a s e f r o z e nd i s e a s e ，l i n i n gc r a c ka n de r o s i o n w a t e rd i s e a s ei st h em o s tc o m m o nd i s e a s e s t y l ea n di n d u c e m e n to f o t h e rd i s e a s e s p r o p e rt r e a t m e n to fw a t e rd i s e a s ei st h em o s t i m p o r t a n ti s s u ei no r d e r t oe l i m i n a t et u n n e ld i s e a s e s a sab o t t l e n e c ko ft h ee n l a r g e m e n te n g i n e e r i n go ft h ex i a n g f a n - c h o n g q i n g r a i l w a y , t h ed a b a s h a nt u n n e lc o n s t r u c t e di nt h e7 0 so f2 0 “c e n t u r yh a ss e r i o u s d i s e a s e ss u c ha sr o a d b e dw a t e r i n g ，l i n i n gc r a c ka n da r c ht o pl e a k i n g t h et h e s i st a k e s t h ed a b a s h a nt u n n e la st h er e s e a r c ho b j e c t i v e ，d i s c u s s e st h er a d i c a l ，s a f ea n d e c o n o m i c a lc o u n t e r m e a s u r e st h r o u g ha n a l y s i sa n de x p e r i m e n t so f d i s e a s ec a u s e s t h et h e s i sc a r r i e so u td e t a i l e da n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fag o o dn u m b e ro f m e a s u r ed a t aa p p l y i n gt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fh y d r o - g e o c h e m i s t r y ，i s o t o p e h y d r o g e o l o g y , w a t e re n v i r o n m e n tc h e m i s t r y , g r o u n d w a t e rd y n a m i c s a n ds p e c i f i c h y d r o g e o l o g y t h et h e s i s f i n d so u tt h eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tc o n d i t i o n sa n d d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed a b a s h a nt u n n e l t h er e l a t e dp a r a m e t e r so ft u n n e l g r o u n d w a t e rm o v e m e n t a r ed e c i d e d t h et h e s i sp u t sf o r w a r d st h ec o u n t e r m e a s u r e so f t u n n e ld i s e a s e sa n dt h eo p t i m a lm e t h o do f t r e a t m e n to fr o a d b e dw a t e r i n go nb a s eo f t h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a la n a l y s i so fd i f f e r e n tm e t h o d s t h et h e s i sc o m b i n e st h ef u n d a m e n t a lg e o l o g y a n d h y d r o g e o l o g yw o r k s ， e x p l o r e st h es t o r a g e ，m o v e m e n t a n dd i s t r i b u t i o no f g r o u n d w a t e r i nt h ep o i n tv i e wo f g r o u n d w a t e r “q u a l i t y ”t h em e t h o di sh e l p f u l i nf i n d i n go u tt h ec a u s e so ft u n n e l d i s e a s e sa n dl a y so u tas o l i df o u n d a t i o no fe c o n o m i c a l ，s a f ea n dr a d i c a lt r e a t m e n to f t u n n e ld i s e a s e s t h er e s e a r c ha p p r o a c h e sa n dv i e w p o i n t so f f e r sr e f e r c n c e sf o rt h e r e l a t e de n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：d a b a s h a nt u n n e l ；d i s e a s ei nt u n n e l ；r e m e d i a lm e a s u r e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着我国铁路和公路运输事业的发展，运营隧道的数量和里程快速增 加。截至二十世纪9 0 年代末，我国已建成铁路隧道5 3 0 0 余座，总长超过 2 5 0 0 k m ；公路隧道约为4 5 0 座，总长达1 2 0 k m 1 1 。 隧道病害一直是困扰国内外铁路运营管理部门的一大难题。据有关资 料，日本的病害隧道占其总数的6 5 ，前西德的病害隧道占4 7 ，意大利、 前苏联等欧洲国家也有数量不等、严重程度不同的病害隧道，这些国家每年 用于病害隧道整治和维护的费用数额巨大。我国隧道病害也十分普遍，据不 完全统计，在1 9 9 7 年底建成的5 0 0 0 余座铁路运营隧道中，因各种病害失格 的隧道为3 2 7 0 座，占隧道总数的6 5 ，其中严重渗漏水的占4 6 ，衬砌严 重腐蚀裂损的占2 2 ，仰拱及铺底变形损坏的占9 8 1 2 j 。 建成于1 9 7 2 年的襄渝线大巴山隧道，隧址区地质和水文地质条件恶劣， 褶皱、断层、节理和裂隙十分发育，仅穿越洞身的断层就达3 3 条之多，加之 隧道建设所处的非常历史时期，在设计和施工方面存在诸多欠缺，进而为今 天的病害埋下了众多隐患。大巴山隧道运营3 0 余年后，病害十分突出，主 要有洞身渗漏水、衬砌破坏、基底翻浆冒泥等。有关部门曾于1 9 7 7 和1 9 8 4 年进行过两次大规模整治，耗资巨大，但仍未彻底根治，影响正常运营1 。 2 0 0 0 年铁道部启动襄渝线的扩能工程，大巴山隧道病害整治是本次扩能工 程中的重点项目之一。 运营隧道的病害，大多与隧道所处的地下水环境密切相关h j 。目前国内 外在隧道病害的整治方面，主要侧重在整治技术的研究上，而对病害隧道所 处地下水环境的深入系统研究则重视不够，这j e 是导致目前隧道病害屡治不 止的一个重要原因。因此，结合基础地质与水文地质工作，从地下水“质” 的角度去追踪地下水的赋存、运移和分布规律，将大大有助于查明隧道病害 的成因，从而为最终经济、可靠、彻底地解决隧道病害问题奠定坚实的基础。 为可靠、彻底、经济、安全地做好这次大巴山隧道的整治工作，为隧道 病害整治的设计和施工提供基础资料和科学依据，本文在对大巴山隧道病害 种类、分布及成因进行全面调查、系统分析基础上，通过系列的现场踏勘、 系统监测和现场试验工作，深入研究隧址区地下水环境和水动力特征，建立 亘童奎望盔兰塑主竺窒生主焦鲨塞兰! 要 隧址区的水文地质概念模型，进而提出病害整治的最优方案。 1 2 隧道病害的研究现状 铁路隧道地质灾害系指铁路隧道在施工、运营过程中由于地质因素及人 为原因而引发的突发性地质灾害事件，常可造成人员、设备的巨大损失，甚 至导致工程的失败。我国铁路隧道的设计和施工经历了不同阶段，无论是支 护形式还是开挖方式在不同历史阶段也各不相同，另外我国幅源辽阔，各地 区的气候、水文和地质条件也复杂多样，因此，我国铁路隧道的病害现象有 着以下特征：病害隧道数量多，病害种类丰富，病因复杂多样。其主要表现 形式有：地震、山体变形、塌方、岩溶塌陷、突水、泥屑流、岩爆、高地温、 瓦斯爆炸及有害气体突出等，通常分为水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀等 四类。隧道内的各种病害一般不是单独存在的，而是互相影响、互相作用的。 在四种隧道病害中，水害最为常见，因而流传着“十隧九漏”的说法。 涌水、漏水灾害多发于节理裂隙密集带、构造成风化破碎带：突水灾害多发 于岩溶洞穴、溶隙发育地段、含水层与隔水层交界面。涌水是隧道施工及运 营中最为常见的地质灾害，而突水则具有更大的破坏性，造成极严重的后果， 常出现于断裂构造带、松散岩体或岩溶通道等地段。运营隧道的渗漏水是我 国铁路隧道较为普遍的病害，对于非电气化的铁路区段，一般不直接妨碍行 车，易被忽视，但长期不治的各类水害能使衬砌腐蚀、钢轨锈蚀、轨枕腐烂、 路基翻浆冒泥：对于电气化隧道，可能危及行车安全，严寒地区可能产生冻 害或挂冰侵界等情况。隧道由于渗漏水、积水，将会造成衬砌开裂或使原有 裂缝发展变大，加重衬砌裂损：当地下i 水有侵蚀性时，会使衬砌混凝土产生 侵蚀，并随着渗漏水的不断发展，使混凝土侵蚀臼益严重。在寒冷地区，水 是影响隧道围岩冻胀的重要因素，衬砌水害严重，必然导致冻害严重。衬砌 裂损病害主要表现为衬砌的变形、开裂和错台，而衬砌一旦开裂，将会给地 下水打开一条外渗的通道，引发隧道严重水害，进而就会产生衬砌混凝土的 侵蚀，在寒冷地区产生冻害等。寒冷地区的铁路隧道如果围岩含地下水，就 会产生隧道冻害。冻害的循环发生，使衬砌混凝土再产生开裂、变形，导致 衬砌承载力降低，同时在春、夏季，冻害部位开始解冻，此时被冻结的冰融 化成水，水就会寻找出路，致使衬砌产生渗漏水。在含有侵蚀性地下水的围 岩中，地下水的侵蚀将造成衬砌混凝土的疏松、剥落，产生衬砌裂损承载力 降低，总之，隧道内各种病害并不是单独作用的，而是几种情况共同作用， 对衬砌结构产生连环破坏，致使衬砌混凝土开裂、变形，产生剥落、掉块等， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 使衬砌的有效厚度减薄，承载力降低，安全可靠性减小，随着病害的持续发 展，最终导致衬砌结构失稳破坏【蚰。 从以上分析可看出，隧道水害是其它病害的基础，而其它病害又会加重 水害的影响和危害程度，欲彻底根治隧道病害，必须首先治理好水害。而治 理隧道水害又必须深入研究隧址区地下水环境和水动力特征。 目前我国对隧道病害的研究主要集中在对病害的整治技术研究上，如针 对翻浆冒泥病害，彭国训对湘桂线波寨二号隧道基床翻浆冒泥采取了落低盖 板沟，疏导基床地下水，对基床地下水进行反滤、疏排以及均衡分布动静载 荷等治理措施，并取得了成功【6 j ；孙德成和纪明在对杜草隧道翻浆冒泥病害 采取了抬高既有线路、重新浇铸整体道床的治理方案【7 】；邢彦彩和胡平曜对 京原线隧道以翻浆冒泥为主要表现形式的基床病害整治进行了研究，分析了 翻浆冒泥的形成机理，提出了加强治水、排水、降低地下水位、补强基底、 加强道床结构的治理思路吲；陈祖华和周应华提出了既有隧道在列车提速后 导致的翻浆冒泥病害的整治方案，并已付诸京九线某隧道的整治工程中【9 】； 余红军和李明军还特别对以隧道翻浆冒泥为主的基底病害对山区铁路提速 的影响进行了分析，并提出了防治对策f l 。针对隧道渗漏水病害，赵旭东 提出了以排为主，防、截、排、堵相结合，因地制宜，综合治理的治理原则， 根据工程实践总结出了注浆、凿槽埋管引排、凿槽堵漏和放水砂浆抹面等具 体整治措施【l “。针对衬砌裂损病害，雷升祥等在分析隧道衬砌病害基本征 状及产生原因基础上，提出了包括内套拱法、压浆法、嵌轨法、锚喷法、换 底法、镶补法和换拱法等在内的8 种基本方法1 12 1 。针对隧道同时存在的翻 浆冒泥、渗漏水和衬砌裂损等综合病害，大家已就具体的整治技术作了更多 的研究和实践，并己用于候月线桃坪隧道、西延铁路九燕山隧道和湘黔线渣 洋隧道的病害整治工程实践中，取得了较好的治理效果【l ”j 。 在以上研究中，对隧道病害特别是水害的形成机理及其病害的预防方面 的研究还比较少，而在隧址区水文地质环境特征基础上研究水害和其它病害 的形成和预防机理更鲜有涉及。 在为数不多的结合隧址区水文地质特征研究隧道病害成因及整治方案 的报道中，熊学军对大瑶山隧道涌水涌沙病害的整治研究进行了系统和全面 的总结【l 9 】。在大瑶山隧道病害的整治过程中，首先对病害地段的地质构造、 水文地质特征、岩溶展布规律、涌水涌沙补给来源和范围及与地表降雨的关 系、地表塌陷的分布、发生、发展和演变规律、断层上下盘的水力联系、病 害段围岩和衬砌的稳定性及安全度评价等进行了全面、详细的调查研究，然 亘耍至鎏查主基主塑塞生兰焦迨塞篁! 噩 后根据研究成果提出了地表整治和地下整治的综合方案。其中，地表整治采 取了堵、截、排相结合的综合治理方法，地下整治则采取了以排为主的治理 方案。该隧道病害整治的上述研究方法和思路值得本文和今后的隧道病害整 治工作参考和借鉴。 1 3 本论文的选题、研究内容、研究目标及研究思路 1 3 1 本论文的选题 针对目前国内外对隧道病害整治研究的不足，本论文结合导师科研课 题襄渝线大巴山隧道渗漏水病害整治研究，应用水文地球化学、同位素 水文地质学、水环境化学、地下水动力学和专门水文地质学等学科的基本原 理和方法，通过隧址区水环境和水动力特性的研究，建立隧址区水文地质概 念模型，并以此来提出大巴山隧道病害整治的模式，同时在研究手段和方法 上为其它隧道的病害整治提供借鉴和参考。 1 3 2 本论文的研究内容 本论文主要研究以下内容： 1 ) 划分隧址区地下水含水系统并确定其水动力特性： 2 ) 建立隧址区水文地质概念模型； 3 ) 提出隧道病害整治方案； 4 ) 推荐隧道病害整治的最优方案。 1 3 3 本论文的研究目标 通过对大巴山隧道病害成因的系统研究，结合基础地质和水文地质工 作，从地下水“质”的角度去追踪地下水的赋存、运移和分布规律，将不仅 有助于查明隧道病害的成因，提出该隧道病害整治的优化方案，还将为以后 类似隧道的病害整治提供可供借鉴的方法和手段，为最终经济、可靠、彻底 地解决隧道病害问题奠定坚实的基础。 1 3 4 本论文的研究思路 本论文通过现场调查、地表水( 隧道水) 取样、裂隙几何产生量测、抽 水试验和水平集水孔疏水试验等第一手现场工作，取得隧址区水文地质相关 参数，在此基础上提出大巴山隧道病害整治的优化方案。本论文的具体研究 思路见图1 1 。 亘耍至塑盔兰堡主婴窒生兰焦迨塞篁! 墓 图1 1论文研究技术路线图 亘耍窑鎏盔主堡主塑塞生兰垡笙塞兰! 垂 第2 章隧址区自然地理及基本地质特征 2 1 自然地理特征 大巴山隧道位于襄渝铁路巴山一官渡区间，为穿越川陕交界大巴山的越 岭隧道，其进口位于陕西省镇巴县巴山乡，出口位于四川省万源县梨树乡( 图 2 - 1 ) 。隧道全长5 3 3 2 3 4 m ( k 4 4 1 + 8 3 2 k 4 4 7 + 6 4 3 4 ) ，最大埋深7 7 7 m 。 大巴山为长江水系汉江 与嘉陵江的分水岭。隧道地区 属中山区地貌，地形陡竣，岭 脊高程在1 5 0 0m 左右，最高点 为1 6 6 2m 。地势北缓南陡，山 高谷深。山上植被茂密，岭北 以阔叶林及灌木为主，岭南以 灌木为主。区内沟谷众多，深 切呈“v ”字形，水流湍急。大 寨沟、陡梯子沟、潮水沟、吴 家湾沟等汇集于进口的汉江 支流黑水河；而秦家沟、 大竹林沟、唐弯沟、大湾沟、 长岩片沟、瓦厂沟等汇集于出 口的嘉陵江支流一一后河( 图 2 2 ) 。 图2 1 大巴山隧道地理位置图 以大巴山为界，本区南北气候差异较大，岭北属北亚热带湿润气候区， 年平均气温1 5 0 1 5 6 ，多年平均降水量7 7 2 5 1 0 8 4 0 m m ，年蒸发量 1 1 7 3 0 1 6 1 7 7m m ；岭南属中亚热带湿润气候区，多年平均气温1 4 7 1 7 _ 3 ，年平均降水量1 1 9 2 5 1 2 0 3 2 m m ，年平均蒸发量1 1 8 2 4 1 4 8 5 8 m m 。与 岭北相比，岭南气候更湿润，雨量更充沛。 2 2 地质特征 2 2 1 地层岩性 大巴山隧道地区地层发育较完整，从太古界至新生界均有出露，且各系 翻酣斟函汁崃刮降窜褂忭昧立黟抖 辩q 划 静* 好蒜 直* 好_ l 羊强 圃n-2汁口隰i酋藩*汛f；受涪挑好蒜h冷卦囫 亘童至遵奎兰塑主竺塞生兰垡丝塞茎! 要 地层分组较多，岩性混杂。与隧道有关的共有1 3 个岩组，其中4 个岩组属三 叠系、2 个岩组属二叠系，3 个岩组属寒武系，4 个岩组属震旦系，岩性以碳 酸盐岩为主，砂岩及页岩次之。各系地层岩性特征及出露部位详见表2 1 。 表2 一l 大巴山隧道地区地层岩性特征及分布状况 地层时代 主要岩性 出露部位 下三叠统( t ) 石灰岩，中薄层状倒转构造，出露于隧道出口附 倾伏于二叠系地层之下，与二叠系暑断层接触近。 三叠系 或整合接触。可分为t 1 6 岩组、t 14 1 5 岩组、t 】3 ( t ) 岩组和t t ”2 岩组。主要有中薄层状灰色石灰岩 夹绿色页岩、中层状石灰岩、泥灰岩、白云质 灰岩、薄层状石灰岩。 上覆于三叠系地层之上，与寒武系地层呈断层 分布于隧道出口端、 接触。在隧道区，二叠系上、下统混合粉层，倒转构造。 主要以石灰岩为主质不纯，含有隧道条带， 二叠系( p )局部为泥灰岩和硅质灰岩，岩性复杂，夹有粘 土质页岩，赤铁矿透镜体，炭质页岩及鸡窝状 煤层，部分地段为断层泥砾，i i i 级硬土i v 级 软石，i i i v 类围岩。 为中寒武统大寨沟组( 2 d ) 、下寒武统石龙洞 在巴山岭脊的南、北 组( i s h ) 和下寒武统石牌组( l s ) 。主要 两坡均有出露，构成 寒武系有灰白色中厚层状白云岩夹白云质灰岩、紫红九拱坪沿河乡大 ( ) 色粉砂岩夹砂质灰岩、页岩以及陆源相碳酸盐背斜的两翼，是火巴 岩。 山隧道通过的主要地 层。 可分为上震旦统( z b ) 和下震旦统( z a ) 。主分布于人巴山岭脊及 震旦系( z )要有硅质灰岩、中厚层状硅质白云岩、凝灰质北坡，隧道中部遇有 砂岩、砾岩夹页岩。 本层。 2 2 2 地质构造 大巴山区在大地构造上属于扬子准地台北缘，受地台基底轮廓的控制， 构造线从北西向北北西展布。隧道正处于构造线展布的转弯部位，因而褶皱、 断层和节理、裂隙十分发育( 图2 3 ) 。节理统计见节理走向玫瑰花图( 图2 4 ) 。 亘直茎鋈盔兰塑主塑窒尘兰垡迨塞篁! 至 图2 3 大巴山隧道地质纵断面图 回：臻口：r 胃o目j 1 田h -口- 舯r a 辑礁s i 目k e 3 壁哪趣p 摘懈“a 砖 a l o 心疃f 铺r c l e t r e n d l 学沁n g 宣口f f 鄹e 蹦a m a 旧0 i9 0 瑚雌c 婶d 鲫蛳 f i _ c 帅e w 哪 n o 斟档e 计r e c t l o n j 2 0 融朝e # 产细n e 寸 蝴蝴n 皑a 铀目b d e 口r e e so f a i , v i n g 幽2 4大巴山隧道节理走向玫瑰花圈 隧道地区发育九拱坪一沿河乡大背斜，其核部为震旦纪地层，两翼主要 出露寒武纪地层。隧道走向( n e ) 与背斜轴向( n w - n n w ) 近于直交，背 斜北东翼属正常产状，倾角5 0 一8 9 0 ；南西翼倒转，倾角4 5 8 0 。因受强烈 构造挤压，两翼地层上发育次级复式褶曲构造。隧道地区断层走向与区域构 造线相一致，为n w - n n w 向。荆竹坝一一小米溪逆断层为隧址区发育的大 断层，隧道在k 4 4 6 + 0 5 0 k 4 4 6 + 3 5 0 处与之斜交。该断层延伸5 0 余公里，产 状n 2 0 0 3 0 0 w 6 7 07 3 。n ，破碎带及影响带宽约3 0 0 余米，断带内主要由断层角 砾和碎裂岩组成。同时隧址区还发育约4 0 余条次级断层，仅洞身穿越的就达 爹 ；紧一兰 西直变通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 3 条，破碎带宽度一般在数米与1 0 米之间，断带内以断层角砾及断层泥为主。 此外，隧址区南坡和北坡的断裂构造规模与密度明显有别。岭北( 隧址区北 坡) 断裂规模小，间距大，岩体稳定性好；岭南( 隧址区南坡) 断层数量多 ( 在出口段约1 1 k m 范围内即分布断层约2 3 条) ，间距小，岩体破碎，稳定性 差。 2 3 水文地质特征 本区地下水以裂隙岩溶水和基岩构造裂隙水为主，局部具承压性。 裂隙岩溶水主要分布于岭北寒武系灰岩、白云岩、白云质灰岩、灰质白 云岩中，以降水补给为主。受岩性及构造影响，岩体节理裂隙发育，溶蚀现 象明显，尤其在断带两侧及褶皱转折端，裂隙多呈张开状，并伴生层问错动， 有利于大气降水的渗入补给。地下水在岩性和构造控制下，多沿岩层层面与 纵向构造线作顺向运动，同时也在横向构造发育或岩性变化地段作横向运 动。裂隙岩溶水主要咀泉和暗河出口的形式排泄于地表，流量多变化在o 1 2 0 0l t s 范围，雨季最大可达0 1 5 m 3 s ( 暗河) ，成为区内地表河溪( 特别 是枯季) 的主要补给源，亦是隧道涌突水的重要来源。 基岩裂隙水主要为赋存于岭北的三叠、二叠系石灰岩、泥灰岩，寒武系 砂、页岩的构造裂隙和风化裂隙之中，大气降水是其主要补给源。受地形条 件及一系列逆断层组成的叠瓦状断层群的制约，岩溶不发育，岩体虽极度破 碎，但节理裂隙闭合，加之断层带多泥质充填，地下水补给及径流条件较差， 多以裂隙泉的形式排泄于地表。泉水流量介于0 0 0 4 3 o l s 之间，成为发育 于其间的溪沟水流的主要补给源之一。 耍蜜塞鎏盔主塑主鲤壅生兰笪笙窒蔓! ! 要 第3 章隧址区水文地质条件的再认识 地下水是一种溶剂，它对其赋存介质中的各种矿物盐类，均具有一定的 溶解能力。因而从本质上讲，地下水又是这些可溶物质的溶液。正是这种溶 液的特性，能反映出地下水的径流特征，环境状况和其它水文地质条件。地 下水不仅与它径流经过的岩石有关，而且在其运动过程中，还受到诸如水文 地球化学环境等因素的影响，致使其化学成分复杂多变，地下水中的常量组 分，在很大程度上决定了水的物理性质和化学特征。它们的相对含量和绝对 含量随着水文地质条件或其它外界环境的变化而变化，以致形成各种不同的 水质【20 1 。 同位素技术能提供地下水演变过程和机理的重要信息。氧一18 和氘是地 下水补给区和储存区的指示同位素，氚可以查明地下水滞留的时间( 即年龄) 的数量级。它们亦可用于识别地下水系统等，所有这些大大拓宽了地下水研 究的范围和内容，因而倍受水文地质工作者重视。 在隧道，尤其是长大隧道的勘察、施工和运营维护管理中，引入水化学 和环境同位素方法，显然有助于深化对隧道地区水文地质条件的认识，对于 解决与地下水有关的隧道病害防治等问题具有重要现实意义。 本研究两次采集地表水水化学及环境同位素样品，共采集水样3 2 组， 分布详见图2 2 。采集隧道及平导水水化学及环境同位素样品共2 3 组，分布 详见图3 1 。 3 1 隧址区天然水水化学及氢氧同位素特征 3 1 1 天然水化学特征 隧道地区天然水包括降水、地表水( 河溪水) 和地下水( 包括泉水、平 导水及钻孔水) ，其化学成分统计值列于表3 一l 中。 由表3 1 可知，本区天然水矿化度变化在5 7 3 2 9 1 7 m g l 范围，均小于 3 0 0 0 m g l ，属低矿化淡水；总硬度介于2 8 0 2 5 2 2m g l 之间，一般均小于 2 5 0 0 m g l ，属软水或极软水。水中的优势组分为h c c l 3 - 和“离子。水化 学类型有9 种之多，但以h c 0 3 一c a ，h c 0 3 c a m g 型水为主( 表3 - 2 ) 。 各类水由于其形成条件和所处的环境不尽相同，水化学组分亦有一定差异。 身i | 匦艟情恬隶棼苍熠型日出k i i c 团 卜 兰 喜 蔓 + 业 呈 罕 荨 蔓 + 蟹 + 譬 + g 8 三 蒌 + 蟹 + 2 + 甘 址 替 乏 蒌 罩 咖 驰 v 骠酬 咖j 烬 * 孵谗瓶 o 可 喇嘿嚣饔*壤黼州 ， 棼篮群 p 曲 o h _ llj f 妾 甾 仪袋迥孙州积蹇书瞪卅k暇制怔陋 表3 - 1 大巴山隧道地区天然水水化学成分统计 样本数平均值范围值标准差 变异系数( ) 地表水 2 08 1 7 2 8 4o3 0 5 93 7 8 p h 泉水 1 28 177 84 0 2 4 3 l3 0 2 地f 水2 38 17 2 一8 30 2 9 6 93 6 8 地表水2 07 00 4 1 3 95 2 4 3 07 4 9 8 k + + n a +泉水1 29 5o 7 1 9 o 5 6 6 3 55 9 7 7 地下水2 31 25o o 4 1 49 7 0 5 57 7 6 1 地表水2 03 9 48 0 4 8 19 6 2 8 12 4 4 3 c a 2 + 泉水 1 24 5 21 92 6 5 71 6 0 7 3 3 3 5 5 9 地下水 2 34 0 51 4 4 6 57 1 7 8 9 3 44 4 2 3 地表水2 07 51 9 1 2 12 9 1 5 53 9 1 1 m 9 2 + 泉水 1 26 61 0 1 7 556 1 0 78 5 5 l 地下水2 3 1 5 o6 8 2 4 34 3 9 4 l2 9 2 4 地表水 2 01 0o 3 7 615 4 8 81 4 7 6 5 c l 。泉水1 2l503 7 619 6 1 61 3 4 5 9 地下水 2 31 10 3 - 4 40 9 8 0 38 5 8 2 地表水 2 01 5 53 8 3 0 76 8 2 4 64 40 7 s 0 4 2 +泉水 1 22 1 13 8 8 8 42 2 0 7 3 71 0 4 4 5 地下水 2 33 3 477 9 611 9 5 3 4 45 8 4 1 地表水 2 01 4 7 94 7 5 1 7 9 33 1 9 7 8 42 1 6 1 h c o t 一泉水1 21 5 8 78 7 0 2 1 8 84 5 5 6 8 12 8 7 l 地下水 2 31 8 2 _ 38 8 3 2 6 3 66 1 9 8 7 23 4 0 l 地表水 2 01 4 7 65 7 3 1 9 2 13 2 8 7 0 72 2 2 7 矿化度泉水 1 21 6 6 49 3 9 2 9 1 75 5 3 4 0 93 3 2 5 地f 水 2 31 9 6 o8 i 3 2 7 4 25 81 4 7 l2 9 6 7 地表水 2 01 2 9 12 8 0 16 0 13 2 0 7 5 l2 4 8 4 总硬度泉水 1 21 3 986 8 1 2 2 4 24 7 1 6 5 83 3 7 4 地下水 2 31 6 2 96 8 1 - 2 5 2 25 8 1 6 7 33 5 7 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表3 - 2大巴山隧道地区天然水水化学类型统计 淡 h h h h h s h s h sh s h cc mn cc nc mm ccn c mn m 地表水 6 8 42 635 30oo0oo 泉水6 6 71 67o 8 38 - 3oo0o i 隧道水 4 46 9 6ooo8 74 48 744 ( 1 ) 地表水 地表水样均取自隧道地区的河溪水，由于溶滤和混合作用，其矿化度变 化在5 7 3 1 9 2 1 m g l 之间。均值为1 4 8 0 m 【g l ，变异系数为2 2 8 ；总硬 度介于2 8 o 1 6 0 1 m g l 范围，均值为1 2 8 9 m g l ：p h 值介于7 2 8 4 之间， 均值为8 1 ，属偏碱性水。h c 0 3 为优势离子( 图3 2 ) ，其次为o “和s o ：一， 其它离子含量一般低于1 0 m g l 。水化学类型主要为h c 0 3 一c a ，其次为h c 0 3 一c a m g 型，约占地表水水化学类型的9 5 。此外，地表水矿化度总体上具 有随高程增加而降低的趋势，尤以瓦厂沟最明显。但并非每一条支沟溪流上 游都比下游的矿化度低，这还与溪流流经的地层岩性特征和其所接受的补给 地下水水化学组分有关。 3 2 田k + n a 口c a 3 4 目m g 0 5 口c i 1 。一s 0 4 园h c 0 3 圈3 - 2 大巴山隧道地区地表水水化学主要成分组成图 ( 2 ) 泉水 区内泉水的矿化度多介于9 3 9 2 9 1 7 m g l 范围，均值为1 6 6 4 m g l ， 与地表水较为接近；总硬度介于6 8 0 2 2 4 2 m g l 范围，均值为1 3 9 8 m g l ， 亦与地表水接近；水中p h 值变化于7 7 8 4 之间，均值为8 1 ；优势离子 塑童塞鎏盔兰巫主堑塞兰兰丝笙塞兰! ! 丕 仍为t - i c o ；( 图3 - 3 ) ，其次为c a2 + 和：一，除c f 离子外，其余离子含量普遍 有所增加( 大于1 0 m g l ) 。受溶滤作用等的影响，水化学类型较地表水略有 增加，但仍以h c 0 3 - - c a 和h c 0 3 - - c a m g 型两类为主，约占泉水水化学类 型的8 3 。不难判断，大部分泉水应主要来源于浅循环的基岩风化或溶蚀裂 隙水，与大气降水和地表沟水有密切关系，地下水交替条件相当好。 4 3 1 圈k + n a f 口c a 图3 - 3 大巴山隧道地区泉水水化学主要成分组成图 ( 3 ) 隧道水 大巴山隧道采用全断面正台阶法、蘑菇法和导弧、下导法从进、出口 端同时施工，至1 9 7 2 年7 月，隧道全线贯通。共揭露明显的出水点( 段) 2 0 余处。出水量极不均匀，大者高达6 9 0 8 m 3 s ，小者仅为数m 3 s 。出水方 式有渗、滴、淋和股状涌水。其共同特点是在一个水文年内，水量随时间呈 不同程度的衰减，部分直至枯竭。对大部分水点进行了水化学采样分析，其 水化学成分特征如下： 水的矿化度和硬度相对较高，且变化范围大，两者分别介于8 1 3 2 7 4 2m g l 和6 8 1 2 5 2 2 m g l 之间，均值分别为1 9 6 0 m g l 和1 6 2 9 m g l ， 明显高于地表水和泉水。 与地表水和泉水相比，不仅优势离子h c 0 3 有所升高，而且：一、 + 和m g 2 + 也分别有较明显的增加( 图3 - 4 ) 。 水化学类型多样，出现了重碳酸钙型水的许多过渡衍生类型，如 h c 0 3 s 0 4 一m g c a 、h c 0 3 s 0 4 一c a 、h c 0 3 一n a m g 、h c 0 3 s 0 4 一n a c a m g 等类型，它们约占该类水水化学类型的2 6 ，而在地表水和泉水中占绝对优 亘童窑曼盔兰堡主塑塞生兰丝鎏塞蔓! ! 蔓 势的h c 0 3 一c a 型水，在隧道水中已退居次要地位，仅占4 3 ，取而代之 的优势水型为h c 0 3 ，s 0 4 - - c a m g 型。 2 0 0 1 5 0 3 瓷 三1 0 0 划 避 5 0 0 k + + n a +c a ：+ m 9 2 c 1 s 0 4 。h c 0 3 。 图3 - 4 大巴山隧道地区地表水水化学主要成分组成图 p h 值介于7 2 8 3 之间，均值为8 1 ，与地表水和泉水十分接近。 上述水化学成分特征表明，影响隧道水水化学成形成的因素更多，条件 更复杂。 由上述各类水的水化学成分特征可以归纳出以下几点： 1 ) 泉水的常量组分及矿化度特征，反映出水在运移过程中水岩之间发 生了一定的相互作用。岩石矿物中的部分物质转移到了水中，使其化学成分 发生了一定程度的变异。但其重碳酸盐型这一基本水眭型仍与地表水一致， 说明泉水属水交替条件良好的浅层循环水。 2 ) 地表水与泉水相似的化学特征，表明两者具有良好的水力联系。因 而，在一定程度上可将两者视为一体，在缺乏浅层地下水资料的地段，可用 地表水水化学资料近似代替。 3 ) 隧道水的矿化度及常量组分般均高于泉水，水型以h c o ，一c a m g 型为主，与泉水有别，说明前者循环深度较大，介质的透水性减弱，水交替 相对滞缓，水岩作用时间更长。据此，可将其称为下层地下水。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 - 5 3 一l l 为大巴山隧道水化学组成随隧道里程的变化趋势图。 从各图可以看出，地下水水质纵向沿程变化特征为：在隧道中部 ( k 4 4 4 + 8 0 0 ) 相应地表的岭脊地带，各组分大多出现低值点。以此向隧道 进、出口方向( 下同) ，常量组分、矿化度、总硬度总体呈上升趋势，尤以c a “、 h c o ；最明显。各组分曲线总体特征是波动较剧烈，尤以岭南段更甚。 根据以上水化学的沿程变化特征，可将平导分为岭北( 进口) 段 ( k 4 4 1 + 8 3 2 k 4 4 4 + 8 0 0 ) 和岭南( 出口) 段( k 4 4 4 + 8 0 0 k 4 4 7 + 0 6 4 ) 。两 段水化学组分从隧道中部向两侧的总体增长趋势，是地下水沿其径流方向水 岩相互作用效应的一个体现。这也从一个侧面反映了岭南、岭北地下水应分 属两个不同的地下水水流系统。 此外，大巴山隧道的水化学剖面，还反映出不同季节地下水水质的动态 变化特点，其总体特征是平水期末期各组分的含量通常高于丰水期末期的含 量，显示出季节变化对隧道地下水的影响。 综上所述，隧道地下水水化学的时空变化特征，是不同地段的地质条件 和不同环境因素共同影响的结果。水化学组分波动最明显的地段，往往也是 地下水活动最强烈、围岩含水最丰富和隧道水害需重点防治的地段。 里程 ( kr a ) 图3 5 大巴山隧道水p h 随里程的变化 j 0 0 一 + z + 誓 8 0 6 0 4 0 2 0 o 里程( k m ) 图3 - 6 大巴山隧道水k - + n a 随里程的变化 4 4 204 4 30 4 4 4 04 4 504 4 604 4 70 里程( k i n ) 图3 7 人巴山隧道水c a ”随里程的变化 一1 ，g 一 0 目u 2 50 2 0 o 31 50 茎 1 00 j 瓷 量 一 - u 5 o 4 4 204 4 3 0 1 2 0 8 04 0 o 4 4 404 4 504 4 6 04 4 70 里程( k m ) 图3 - 8 大巴山隧道水m9 2 - 随里程的变化 4 4 2 04 4 304 4 404 4 5 ，04 4 6 04 4 7 0 里程( k m ) 图3 - 9 大巴山隧道水c 1 一随里程的变化 亘重至望盔兰堡主堑窒竺兰焦迨銮兰：! 要 1 2 00 o8 0 0 o 4 00 一 吕 一 _ o u z o o 4 4 2 04 4 30 4 4 4 04 4 5 04 4 604 4 7 0 罩程( k m ) 图3 一1 0 大巴山隧道水s 0 。随里程的变化 里程( k m ) 图3 一1 1大巴山隧道水h c o s 随里程的变化 亘童交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 1 2 氢氧同位素特征 研究中对隧址区地表水、泉水和隧道水进行了氢氧稳定同位素和放射性 同位素的采样和测试分析，数据统计如下( 表3 3 ) 。 表3 3 大巴山隧道地区天然水体同位素数据统计 平均 样本数范围值标准差变异系数( ) 值 地表水1 4612 0 - 1 2o3 5 6 1 95 8 6 7 氚( t u )泉水 95 62 0 - 1 2 03 6 7 8 06 6 2 0 地下水1 44 8 2 0 - 16 o4 15 4 38 6 8 l 地表水1 46 1 56 9 2 - 5 403 6 6 4 65 9 6 6 d ( )泉水 96 3 26 6 8 - 6 041 8 7 1 62 9 6 地下水1 46 8 17 6 2 - 6 2 43 3 4 9 1 4 9 2 地表水1 48 8 9 3 8 30 2 7 7 53 1 6 6 8 0 ( )泉水 99 19 6 8 5o 4 1 9 64 6 2 地下水 1 497- 1 0 9 8 90 5 0 l l5 15 1 ) 氢氧同位素组成及氚含量特征 由表3 3 可知，隧址区地表水、泉水和地f 水的同位素组成具有以下特 点： 地表水( 河、溪水) 样品的6 。的值变化在9 3 一8 3 o 范围，均值为一8 8 o ， 变幅1 o ，变异系数为3 1 6 ：6 1 9 值介于6 9 2 一5 4 o 0 之间，均值和变幅 分别为一6 1 5 和1 5 2 ，变异系数为5 9 6 。地下水( 包括井泉水和隧道水) 的同位素组成也不尽相同。井泉水样品的j 1 值变化范围为9 6 - 8 5 o ， 国值为6 6 8 6 0 4 ，其均值分别为9 1 和6 3 2 o ，变幅各为1 1 0 3 1 6 4 ，变异系数分别为4 6 2 和2 9 6 与地表水相对更接近。隧道水的同 位素组成特点是，占值变化在1 0 9 8 9 o 之间，均值和变幅分别为一9 7 o 和2 0 。，变异系数为5 1 5 ，而国值的变化范围为7 6 2 一6 2 4 0 ，均值和 变幅分别为一6 8 1 o 和1 3 8 0 ，变异系数为4 9 2 ，其同位素组成与泉水有较 明显差异。 隧址区不同水源的放射性氚