火成巖隧道工程涌突水預測預報分析

火成巖隧道工程涌突水預測預報分析

巖漿巖是指在地殼內或地表被冷卻后形成的巖石。由于巖漿成分不均勻,以及冷凝環(huán)境的差異,火成巖氣孔及裂隙發(fā)育程度大不相同,非均質性強,導致儲水空間復雜多樣,儲水層具有不穩(wěn)定性、不均勻性和復雜性。火成巖的儲水空間往往很大,如青島地區(qū)玄武巖儲水空間可達到2.25×108m3,相當于嶗山水庫容量的4倍,但是其儲水部位卻難以預測判斷,儲水性十分復雜。1影響磁體巖石儲水的因素火成巖儲水空間與其巖性、巖相、構造等密切相關,不同因素對儲水性產生不同的影響。1.1巖性孔隙度、滲透率和含水性巖石類型的劃分和識別是儲水地質結構預測的前提和基礎。不同的巖性具有不同的硬度、密度、成分、結構和構造等屬性,從而具有不同的孔隙度和滲透率。流紋巖和熔結凝灰?guī)r的孔隙度、滲透率一般略高;玄武巖、安山巖和凝灰?guī)r的孔隙度、滲透率則略低。不同巖性的巖石裂隙度也具有差異:①由于抗剪和抗拉強度大不相同,彈脆性巖石和粘塑性巖石在受力后,裂隙形態(tài)及分布各不相同,導水性也具有差異。②相同構造條件下,不同巖石的裂隙含水性由大到小為:砂礫巖、玄武巖、石英巖、脆性巖脈、塊狀流紋巖、火山集塊巖→花崗巖、閃長巖、混合巖、板巖、片麻安山巖、片巖、千枚巖、頁巖等。因此,火成巖中的安山巖、玄武巖、流紋巖與凝灰?guī)r互層地區(qū),凝灰?guī)r則常起阻水作用,其他硬性巖層則成為裂隙儲水層。1.2儲水層結構的影響“相”是地質體中能夠反映成因的地質特征的總和?；鸪蓭r相能夠揭示火成巖空間展布規(guī)律和不同巖性組合之間的成因聯系,不同巖相帶的孔隙和裂隙及其組合不同。只有發(fā)育了孔隙和裂隙的空間才可能成為火成巖的儲水層。從滲透率上分析,噴溢相上段和爆發(fā)相上段的孔隙度和滲透率相對略高,而火山沉積相受沉積環(huán)境和成巖作用影響明顯,孔隙度和滲透率均較差,其巖體本身孔隙和裂隙儲水性能很差。噴溢相中部和上部主要的巖性為氣孔流紋巖和流紋狀構造的流紋巖,常形成于火山噴發(fā)旋回中期,構成火成巖隆起的主體,氣孔、裂隙發(fā)育,是最主要的儲水部位。從巖性-巖相組合關系上講,角礫巖、凝灰熔巖主要見于爆發(fā)相熱碎屑流,是有利的儲水部位。1.3主導性裂隙控制裂隙本身既是儲水空間,也起到通道聯通作用,從而改善火成巖的儲水性能。巖體的滲透性除了與裂隙率、裂隙啟閉性和連通性有關外,還受裂隙傾角的控制。一般而言,裂隙陡則入滲力強,滲透速度快,滲入量多,裂隙緩則相反。因此裂隙傾角與地下水的富集程度密切相關,通常富水層段的主導性控水裂隙多是高角度的。按傾角大小裂隙可分為3類:水平裂隙傾角0°～10°;斜交裂隙傾角10°～60°;高角度裂隙傾角60°～90°。1.4斜拉索富水帶的發(fā)育特點構造作用對于火成巖的影響與另外兩大類巖石相類似。褶皺和斷層主要是因形成了大量的構造裂隙而具有儲水性。對褶皺而言,其富水部位各種張性裂隙發(fā)育,整個褶皺構造形跡中的地下水都沿著層面和縱張裂隙向某處匯集,當有隔水巖層阻擋時,更可形成理想的富水帶。斷層破碎帶的透水性和含水性很不均勻,一條大的斷層常常某一段富水,另一段貧水或無水?？傮w來講,壓性斷層富水帶的規(guī)模最大,扭性斷層次之,張性斷層相對較小。斷層和褶皺常常組合在一起,形成不同的復雜儲水構造,如斷層+褶皺儲水/阻水構造等。1.5聚合物沉積相熱液作用對周圍巖體的影響主要表現為不利因素,易造成碳酸盆脈、綠泥石脈、黃鐵礦脈、沸石、螢石、綠簾石等礦物生成沉淀,以及氧化硅在孔隙中直接沉淀,充填孔隙和裂隙,減小儲水空間。黃鐵礦是較為常見的熱液作用產物,常常填充巖體空隙,從而降低儲水性。1.6脈的寬度巖脈是與圍巖不整合的板狀體,是巖漿充填裂隙形成的。巖脈的寬度一般不大,產狀多以脈狀形成于各類侵入體的內部及其附近周圍的巖體中。巖脈作為一種儲水構造,按其儲水性強弱,可分為阻水巖脈和匯水巖脈兩大類,如表1所示。2地段涌水部位分析由上述分析可知,火成巖儲水性受到眾多因素的影響。從理論上講,火成巖儲水部位主要集中于儲水空間發(fā)育地段,如褶皺和斷層破碎帶、巖性接觸帶、巖脈、透鏡體等部位。但在實際中,各種因素相互影響,其儲水部位往往難以分析。對隧道工程而言,涌水位置及涌水量更是難以判斷?，F結合泥巴山隧道相關情況,以其火成巖儲水性為例進行分析?；鸪蓭r儲水空間與其巖性、巖相、構造等密切相關,不同因素對儲水性產生不同的影響。2.1晉寧期巖石學特征泥巴山隧道主要通過震旦系下統安山巖段(Zαα)和流紋巖段(Zαλ)地層,其中晉寧期花崗巖呈細巖枝、巖瘤狀產出于進口段火成巖中。隧址區(qū)地質構造極其復雜,發(fā)育有泥巴山背斜和眾多大斷層(圖1)。泥巴山隧道背斜核部為分水嶺,其北東屬青衣江水系,南西屬大渡河水系,豐富的水資源為火成巖儲水提供了條件。2.2斷層-阻水構造本節(jié)以隧道進出口端半程(K53～K58;K58～K63)為例進行分析,如表2所示(表內數據均為通過物探、調繪、淺孔和深孔鉆探統計分析所得;百分比均為長度百分比)。如圖2所示,ZK2在深度143～176m揭露FX3斷層,在孔深94.63m處開始涌水,至孔深166m涌水量達607m3/d。這是由于該鉆孔附近巖體破碎,形成構造裂隙含水帶和斷層破碎含水帶(斷層上盤富水),含水帶上方受隔水巖帶阻隔而形成構造承壓水。隧址區(qū)發(fā)育大量的斷層,因此斷層儲水和阻水構造是最主要的一類儲水構造。如圖3所示,ZK4位于大相嶺背斜西翼一個次級向斜軸部附近。FW4斷層規(guī)模大,破碎帶寬,沿傾向延伸較深,當FW4斷層破碎帶與次級向斜的層間破碎帶聯通時,就可能形成一個“斷層+向斜”的復式蓄水構造,并接受區(qū)域地下水運移徑流補給。因此,當鉆孔揭穿1233m的層間破碎帶時突然涌水,水頭高達15m,涌水量達100m3/d。2.3隧道水罐分析2.3.1隧道洞周富水性分析泥巴山隧道在開挖中多次發(fā)生涌突水。結合進出口各約1km開挖情況,隧道儲水量較大的巖體長度為:進口端右線約373m,左線約222m,分別占開挖長度的23%和17%;出口端右線約407.59m,左線約為633.8m,分別占開挖長度的43%和64%。隧道出口端的巖體富水性好于進口端(圖4、圖5),凝灰質沉積巖、流紋巖以及熔結凝灰?guī)r具有較好的富水性,與前文分析基本一致。開挖過程中,揭穿大小斷層共約為28條,其中含水斷層約占64%,無水斷層約36%。隧道進口端斷層(15條)多于出口端(13條),但是斷層的含水性低于出口端,分別為53%和77%,且涌水段巖體長度也小于出口端,該現象表明隧道進口端在各種因素的影響下,儲水空間發(fā)育相對較差,儲水性較低。2.3.2涌突水成因分析受儲水空間的影響,隧道涌突水一般有兩種類型,呈現出不同的儲水性:一是涌水量迅速減小,持續(xù)時間短;二是涌水量較穩(wěn)定,持續(xù)時間較長。前者主要是因與地下水聯系弱的儲水空間被揭穿,涌水前期水壓水量均較大,但由于缺少補給,水量迅速衰減;后者則與地下水運動聯系緊密,水壓水量在一定時間內保持較大值,涌水時間長。泥巴山隧道發(fā)生的涌突水多以后者為主,現以出口端K61+773m、YK62+134m處流紋巖集中涌水為例進行說明。K61+773m處涌水點主要分布于斷層破碎帶上盤,斷層帶產狀約165°∠40°。通過后期開挖揭露,在K61+721～700段為輝綠巖巖脈,巖體較破碎,在揭穿巖脈約5m后,地下水呈點滴狀,明顯減少。此段為巖脈和斷裂聯合控水構造,地下水隔水層分別為較完整的流紋巖、斷層泥以及輝綠巖巖脈,含水層為斷層上盤和巖脈周圍裂隙帶。當開挖掌子面揭穿較完整的流紋巖后,地下水受壓力從裂隙中擠出,形成高壓涌水,涌水量情況如圖6所示。YK62+131處出現涌水并導致塌方,涌水位置距離F6-2斷層僅約10m。該斷層寬約40m,產狀為355°∠70°～80°,影響帶巖體十分破碎。此段儲水層為斷層破碎帶巖體,包括該斷層下盤與次級斷層之間的巖體。當隧道穿過其影響帶時,隨著開挖進行,開挖松動圈逐漸擴大,加上施工爆破影響,斷層富水帶地下水沿著空隙串流至掌子面,形成突發(fā)性集中涌水。由于與外界聯系較密切,該段涌水量與氣象和揭露的涌水范圍有關,其變化情況如圖7所示。2.3.3構造作用的影響由上述分析可知,泥巴山火成巖儲水性主要受到構造作用的影響,儲水部位為構造裂隙發(fā)育地段,但是在其他因素的影響下,巖體儲水性發(fā)生變化,導致涌突水位置、涌水量以及涌水類型發(fā)生改變。3火成巖儲水性的研究展望火成巖儲水具有其特殊性,構造作用通常起到控制性影響,但是在巖性、