大坂山隧道水環(huán)境特征及成因分析

大坂山隧道水環(huán)境特征及成因分析

1大坂山山液壓系統(tǒng)大坂山隧道位于大坂山腳下，寧寧公路（公路2212號線）。隧道入口門底板高度為3792.75m，出口大門底部高度為3750.36m，全長1530m，最大埋深300m。1.1年平均最低氣溫-10.2隧道址區(qū)冬長嚴(yán)寒,暑短多雨,為典型的內(nèi)陸高寒季風(fēng)氣候類型。據(jù)現(xiàn)場氣象觀測,年平均氣溫-4.49℃,年平均最高氣溫3.23℃,年平均最低氣溫-20.14℃;極端最高氣溫16.9℃(北坡)和17.1℃(南坡),極端最低氣溫-24.0℃(北坡)和-25.4℃(南坡)。本區(qū)是青海省的一個降水中心,年降水量達(dá)850.1mm(相當(dāng)西寧地區(qū)年降水量的兩倍),年蒸發(fā)量637.1mm。1.2地質(zhì)構(gòu)造總結(jié)(1)巖性巖相變化均為晚奧陶世吾力群火山建造。由于經(jīng)過多期多種蝕變,又有三期以上侵入巖穿插,區(qū)內(nèi)巖性巖相變化十分復(fù)雜。巖石種類多達(dá)20余種,可分為片巖類、灰?guī)r—大理巖類、凝灰?guī)r類和侵入巖類等(圖1)。第四系分布較廣,大部分地面覆蓋著一層疙瘩狀凍土草皮,厚度數(shù)十厘米。隧道進口處基巖裸露,出口處分布含土碎石,厚度達(dá)25～45m。(2)逆沖斷層和正斷層在隧道縱軸線上發(fā)育背、向斜各一個;發(fā)育走向近東西的高角度逆沖斷層和正斷層各一條。經(jīng)熱釋光測年確定活動時限為晚更新世中期之前(8.4～33.9萬年)。因此,全新世以來無明顯的活動跡象,不存在孕震斷裂。地震烈度定為7.8度。2環(huán)境水特征及對隧道的影響2.1冬春季流量特征本區(qū)降水充沛,常年流水的有距隧道進口15m的陰溝和距出口96m的大坂溝,冬春季結(jié)冰,夏秋季平均流量分別為12.9L/s和13.7L/s。此外,于K106+190處地面有一片由地表水匯集而成的濕地,暖季積水,泄往隧道出口洞門和頂部,構(gòu)成隧道水患主要來源。2.2火山巖—地下水2.3環(huán)水環(huán)境水對隧道的影響根據(jù)水文地質(zhì)特征和工程類型,計算得隧道總涌水量為668m3/d,預(yù)計隧道分段涌水量見表1。3隧道圍巖地溫年變化深度及最大凍深依據(jù)長期觀測和鉆、坑探資料,確定大坂山南坡多年凍土下界海拔為3850m,北坡多年凍土下界海拔為3780m,隧道置于多年凍土下界附近銜接凍土帶,將促使旁側(cè)地段多年凍土退化。隧道進口處最大凍深3.0m,地溫年變化深度18.0m,年平均地溫2.1℃;出口處最大凍深4.5m,地溫年變化深度14.0m,年平均地溫0.9℃。4隧道的圍巖特性和維護4.1大坂山巖石隧道圍巖由晚奧陶世的綠泥石片巖、絹云母綠泥石片巖、鈣質(zhì)片巖、變質(zhì)灰?guī)r—大理巖、凝灰質(zhì)角斑巖和加里東期侵入的又經(jīng)蝕變的閃長巖、花崗巖組成。在K105+770和K105+864兩處,由斷層破碎巖組成。大坂山巖石長期遭受著強烈的寒凍風(fēng)化作用,因而巖石的風(fēng)化深度達(dá)200m±。但因巖性本身的差異,不同巖石的風(fēng)化程度和風(fēng)化深度皆不相同(表2)。隧道進口(南)段洞身在強風(fēng)化巖體中,中段洞身在弱風(fēng)化巖體中,出口段洞身在中等風(fēng)化巖體中,出口洞門在松散巖類土體中。4.2隧道圍巖類型依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,將大坂山隧道圍巖劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ種類型(表3)。4.3巖石工程計算圍巖壓力大坂山隧道址的巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育;隧道埋深較大,其上方有足夠厚度且有相對穩(wěn)定的巖體;巖石的堅固系數(shù)大于1。因而適宜采用壓力拱理論計算圍巖的頂圍壓力、側(cè)圍壓力及底部壓力。綜合圍巖壓力大小和圍巖類型,將隧道圍巖穩(wěn)定性劃分三種類型(表4)。5隧道開口邊坡的穩(wěn)定性評價5.1巖石結(jié)構(gòu)及變形進口洞門位于裸露的巖體上,自然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定。坡體由絹云母綠泥石片巖構(gòu)成,巖石—冰間凍結(jié)力0.572kPa,風(fēng)化程度中等,節(jié)理裂隙發(fā)育,洞門斜坡有地表水沖刷。左壁可能產(chǎn)生掉坡和巖堆等變形,右壁可能有傾倒和巖堆等變形。無凍土,最大凍深3.0m。5.2隧道開口斜坡路的穩(wěn)定洞門坡體不穩(wěn)定,具有產(chǎn)生滑塌等變形的條件。在凍結(jié)期洞門附近為含冰凍土,為微—中等凍脹土。由于凍脹作用可能造成隧道襯砌變形坍塌。6已選中經(jīng)兩年多的施工和近五年的安全運行檢驗,證明大坂山公路隧道勘探成果及主要結(jié)論是基本正確的。6.1拱圈混凝土及保溫排水材料根據(jù)大坂山隧道圍巖穩(wěn)定性差的和較差的占隧道全長的38%等不良條件,隧道斷面采用凈高為578cm的圓弧狀拱形結(jié)構(gòu),拱圈混凝土及保溫排水材料合計厚度達(dá)182.6cm。經(jīng)隧道掘進驗證,勘探報告所擬定的圍巖類型是正確的,在掘進階段,僅在K106+030～K106-328段有坍塌現(xiàn)象,其余洞段施工較順利,而且在交付運營以來未發(fā)現(xiàn)洞身病害。6.2出口洞門開挖后,固結(jié)增強透水層不適宜進經(jīng)開挖檢驗勘探報告確定的洞門圍巖類型及穩(wěn)定性評價與實際相符,尤其是出口洞門處開挖后非但證實坡體是由松散的含土碎石和滑坡體組成的,而且證實報告中指出的松散層厚度34m也是正確的。在堀進過程中曾多次坍塌,施工難度大。但投入運營以來未發(fā)現(xiàn)影響洞門穩(wěn)定的病害。6.3排水洞在高寒地區(qū)的隧道水患和凍害是一對孿生災(zāi)害,在暖季如有滲、滴、淋、涌水現(xiàn)象,到冰凍季節(jié)必有凍害。根據(jù)勘探報告所提供的水文地質(zhì)、凍土和氣象觀測等資料,設(shè)計并建筑了一個目前在國內(nèi)獨一無二的隧道防寒排水系統(tǒng)。其設(shè)計要點:在主隧道底板下約9.0m(大于最大凍深4.5m)設(shè)置了一條與主洞平行的凈高190cm、凈寬200cm的排水洞;在主洞的厚度182.6cm混凝土拱圈內(nèi)安裝保溫層、防水板、排水板和土工布;在主洞的左、右側(cè)及正中各設(shè)置了一條用于排泄主洞拱圍背面的水的干砌石盲溝;在主洞腳盲溝與排水洞之間用若干排水管和泄水孔相連通,用于將腳盲溝的水匯集于排水洞排出洞外;在主洞的進、出洞門安裝自動開啟的鐵門,用于保持主洞內(nèi)的溫度。在主洞掘進過程中產(chǎn)生大量淋水的是在K105+100和K106+490兩處,掘進初期主洞目測最大排水量約100m3/h。主洞交付運營后排水洞的平均排水量約350m3/d。隧道運營的第一年在K106+390—K106+430段的右壁有滲、滴水和冬季結(jié)冰現(xiàn)象。經(jīng)壓漿封閉處理后已無滲水、結(jié)冰現(xiàn)象。7k105+100—產(chǎn)生圍巖界線誤差的原因隧道掘進過程中發(fā)現(xiàn)勘探報告所界定的圍巖界線位置