火成巖隧道工程涌突水預(yù)測預(yù)報(bào)分析

火成巖隧道工程涌突水預(yù)測預(yù)報(bào)分析

巖漿巖是指在地殼內(nèi)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(zhì)性強(qiáng),導(dǎo)致儲水空間復(fù)雜多樣,儲水層具有不穩(wěn)定性、不均勻性和復(fù)雜性?；鸪蓭r的儲水空間往往很大,如青島地區(qū)玄武巖儲水空間可達(dá)到2.25×108m3,相當(dāng)于嶗山水庫容量的4倍,但是其儲水部位卻難以預(yù)測判斷,儲水性十分復(fù)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(gòu)造等密切相關(guān),不同因素對儲水性產(chǎn)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(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的前提和基礎(chǔ)。不同的巖性具有不同的硬度、密度、成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等屬性,從而具有不同的孔隙度和滲透率。流紋巖和熔結(jié)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(qiáng)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(dǎo)水性也具有差異。②相同構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響“相”是地質(zhì)體中能夠反映成因的地質(zhì)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(lián)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(gòu)造的流紋巖,常形成于火山噴發(fā)旋回中期,構(gòu)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(guān)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(dǎo)性裂隙控制裂隙本身既是儲水空間,也起到通道聯(lián)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(guān)外,還受裂隙傾角的控制。一般而言,裂隙陡則入滲力強(qiáng),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(guān),通常富水層段的主導(dǎo)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(diǎn)構(gòu)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(gòu)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(gè)褶皺構(gòu)造形跡中的地下水都沿著層面和縱張裂隙向某處匯集,當(dāng)有隔水巖層阻擋時(shí),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(fù)雜儲水構(gòu)造,如斷層+褶皺儲水/阻水構(gòu)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)狀多以脈狀形成于各類侵入體的內(nèi)部及其附近周圍的巖體中。巖脈作為一種儲水構(gòu)造,按其儲水性強(qiáng)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(shí)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。現(xiàn)結(jié)合泥巴山隧道相關(guān)情況,以其火成巖儲水性為例進(jìn)行分析。火成巖儲水空間與其巖性、巖相、構(gòu)造等密切相關(guān),不同因素對儲水性產(chǎn)生不同的影響。2.1晉寧期巖石學(xué)特征泥巴山隧道主要通過震旦系下統(tǒng)安山巖段(Zαα)和流紋巖段(Zαλ)地層,其中晉寧期花崗巖呈細(xì)巖枝、巖瘤狀產(chǎn)出于進(jìn)口段火成巖中。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)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(gòu)造本節(jié)以隧道進(jìn)出口端半程(K53～K58;K58～K63)為例進(jìn)行分析,如表2所示(表內(nèi)數(shù)據(jù)均為通過物探、調(diào)繪、淺孔和深孔鉆探統(tǒng)計(jì)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(dá)607m3/d。這是由于該鉆孔附近巖體破碎,形成構(gòu)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(gòu)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(gòu)造是最主要的一類儲水構(gòu)造。如圖3所示,ZK4位于大相嶺背斜西翼一個(gè)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(dāng)FW4斷層破碎帶與次級向斜的層間破碎帶聯(lián)通時(shí),就可能形成一個(gè)“斷層+向斜”的復(fù)式蓄水構(gòu)造,并接受區(qū)域地下水運(yùn)移徑流補(bǔ)給。因此,當(dāng)鉆孔揭穿1233m的層間破碎帶時(shí)突然涌水,水頭高達(dá)15m,涌水量達(dá)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(jié)合進(jìn)出口各約1km開挖情況,隧道儲水量較大的巖體長度為:進(jìn)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(jìn)口端(圖4、圖5),凝灰質(zhì)沉積巖、流紋巖以及熔結(jié)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?dāng)鄬蛹s占64%,無水?dāng)鄬蛹s36%。隧道進(jìn)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(xiàn)象表明隧道進(jìn)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(xiàn)出不同的儲水性:一是涌水量迅速減小,持續(xù)時(shí)間短;二是涌水量較穩(wěn)定,持續(xù)時(shí)間較長。前者主要是因與地下水聯(lián)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(bǔ)給,水量迅速衰減;后者則與地下水運(yùn)動(dòng)聯(lián)系緊密,水壓水量在一定時(shí)間內(nèi)保持較大值,涌水時(shí)間長。泥巴山隧道發(fā)生的涌突水多以后者為主,現(xiàn)以出口端K61+773m、YK62+134m處流紋巖集中涌水為例進(jìn)行說明。K61+773m處涌水點(diǎn)主要分布于斷層破碎帶上盤,斷層帶產(chǎn)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(diǎn)滴狀,明顯減少。此段為巖脈和斷裂聯(lián)合控水構(gòu)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(dāng)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(xiàn)涌水并導(dǎo)致塌方,涌水位置距離F6-2斷層僅約10m。該斷層寬約40m,產(chǎn)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(dāng)隧道穿過其影響帶時(shí),隨著開挖進(jìn)行,開挖松動(dòng)圈逐漸擴(kuò)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(lián)系較密切,該段涌水量與氣象和揭露的涌水范圍有關(guān),其變化情況如圖7所示。2.3.3構(gòu)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(gòu)造作用的影響,儲水部位為構(gòu)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(dǎo)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(gòu)造作用通常起到控制性影響,但是在巖性、