隧道涌水量的類型劃分及預測方法

熊道錕，熊婧偲

（1.四川省地礦局成都水文地質工程地質中心，成都 610081；2.中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071）

隧道涌水量的類型劃分及預測方法

熊道錕1，熊婧偲2

（1.四川省地礦局成都水文地質工程地質中心，成都 610081；2.中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071）

根據工程應用的目的不同將隧道的涌水量劃分為施工涌水量和長期涌水量，針對涌水量預測方法常常存在使用不當的問題，在全面分析隧道涌水量預測方法的適用條件的基礎上，按不同的水文地質條件提出了正確選擇隧道涌水量預測方法及其計算參數的建議。

隧道涌水量；類型；預測；方法

隨著國民經濟的迅速發展，基本建設的速度不斷加快，無論是在鐵路、公路和水電建設中還是在城市基礎設施的建設中都興建了大量的隧道工程。雖然隧道的類型各不相同，既有穿越山地丘陵的山嶺隧道，也有穿越江河、湖泊和海洋的水下隧道，但處在水文地質條件復雜，特別是穿越溶隙和溶洞發育的強巖溶化地段的隧道，在施工和運行期間都不同程度地遭受過地下水的危害。日本東海道干線的舊丹那隧道，在1918年開工之后曾產生過6次大的突泥和突水，水壓高達1.4～4.2MPa，突水量最大達134.4m3/min，造成嚴重的人員傷亡，致使施工期長達16a之久，在貫通后的總涌水量仍然達到145 152m3/d。我國至1989年底，在穿越碳酸鹽巖的26座長隧道中發生過較大巖溶涌水災害的達10座，占總數的38.64%。在西南和中南地區的17座巖溶長隧道中，有近50%的隧道發生過較大的巖溶涌水災害。大瑤山隧道的班古坳豎井平導洞在施工時突發裹挾大量泥沙的巖溶水，造成豎井和洞內設備被淹，中斷施工達1a之久；京原鐵路的驛馬嶺隧道于1972年產生高壓突水，造成停運1a；廣渝高速公路的華鎣山隧道也曾發生過水量高達686 880m3/d的涌水[1-2]。大量的涌水災害實例表明，準確地預測隧道的涌水量對隧道的設計、施工和運營都具有十分重要的價值。

近年來雖然大量的文獻都探討和論述過隧道涌水量的預測方法[1-5]，而且《鐵路工程水文地質勘察規程》對隧道涌水量的預測方法還作了較為詳細的規定[6]，但對于不同預測方法的適用條件和可能產生的偏差卻闡述得很少，致使在實際應用中對預測方法的選擇和計算參數的選取普遍不合理，造成預測的涌水量偏差較大。

1 隧道涌水量類型劃分

1.1 影響涌水量預測精度的主要因素

在工程實踐中，盡管常常采用多種方法綜合預測隧道的涌水量，但其準確性仍然不高。據統計，在我國的10多座有名的隧道中，預測的最大涌水量接近實際的僅占10%左右，預測的正常涌水量接近實際的僅占20%～30%[3]。鐵路隧道的預測涌水量與實際涌水量的誤差小于20%的僅占15%，誤差在20%～80%之間的占60%，誤差超過80%的達25%以上，部分隧道的預測誤差竟然達到數十倍，如襄渝線大巴山隧道的預測涌水量為4.14×104m3／d，施工時的最大涌水量達20.55×104m3／d[7]。造成實際涌水量與預測涌水量存在較大偏差的原因除水文地質條件復雜之外主要有：

1）預測模型運用不當。在文獻中提及的隧道涌水量預測方法大都沒有詳細論述涌水量計算公式適用的水文地質條件，尤其是含水層的邊界條件，《鐵路工程水文地質勘察規程》也是如此，致使在預測涌水量時無法正確選擇適用于實際條件的計算公式。如用來預測陸地隧道涌水量的計算公式實際上只適合于水下隧道，預測施工期間涌水量的計算公式未包含掌子面的涌水量等。

2）參數選擇不合理。地下水主要接受大氣降水的補給，地下水位隨降水量的變化而出現季節性的起伏，隧道的涌水量也隨之而產生波動。涌水量的波動幅度一般為數倍，在巖溶發育地區可達數十倍甚至數百倍。勘察期間的地下水位往往低于峰值水位，多年平均降水量則明顯低于峰值降水量，直接用來預測涌水量顯然偏小。隧道的施工常常也不在地下水位的峰值期，其實測涌水量不能與預測涌水量直接進行比較，而應換算為相應條件的峰值涌水量。

1.2 隧道涌水量的類型劃分

研究隧道涌水量類型劃分的文獻并不多。石文慧將隧道的涌水量劃分為隧道總涌水量及突水量，其含義前者為隧道相對穩定而持續流出的總水量（含衰減穩定后的突水量），后者為突發性的危害極大的瞬時涌水量[1]；《鐵路工程水文地質勘察規程》將隧道的涌水量劃分為最大涌水量和正常涌水量，其含義分別為隧道或其他工程某段在含水體中掘進時的峰值涌水量和隧道或其他工程的涌水達到大致穩定時的涌水量[6]。上述定義在理論上并不嚴密，如掘進時的峰值涌水量從字面上看是最大涌水量，是唯一的，而實際上隨施工方式、施工速度和施工期間降水量的多少而變化。

隧道在施工中和建成后的涌水量都隨降水補給量的大小而波動，需要加以防范的是比常見涌水量更大的峰值涌水量。按照防范的目的不同將隧道的涌水量劃分為施工涌水量和長期涌水量，前者指隧道在施工中遭遇給定頻率降水的峰值涌（突）水量，作為隧道施工期間排水設備配置等施工安全防護的依據；后者指隧道在運行期間遭遇給定頻率降水的峰值涌水量，作為隧道排水工程設計的依據。考慮到安全性和防范成本的綜合平衡，給定頻率對一般工程可采用5%，重要工程可采用2%。

1.3 涌水量的表達形式

隧道的總涌水量只表達了總量的概念，根據含水層的滲透性和地下水位的差異分段預測、分段表示的涌水量更具實用價值。建議對長期涌水量自隧道最高點起按單向（單坡隧道）或雙向（人字坡隧道）沿隧道下坡方向分段表示累積涌水量，便于根據累積涌水量的差異分段設計不同斷面的排水工程。分段涌水量可用表格或折線圖表示。

2 隧道涌水量預測方法的適宜性評述

隧道涌水量的預測方法較多，歸納起來可以分為水文地質比擬法、經驗公式法、水均衡法、解析法和數值法。

2.1 水文地質比擬法

簡稱比擬法或類比法。根據比較的因素不同可分為長度比擬法[8]、斷面積降深長度比擬法[1]、涌水面積降深比擬法[3,6]等。當用于比較的因子較多時也可以采用模糊數學方法[3,9-11]或者灰色系統理論方法[12-14]等進行比擬。

比擬法適用于各種隧道的施工涌水量和長期涌水量的預測，前提是涌水量的類型必須相同，其預測的精度取決于預測隧道與既有隧道的水文地質條件的相似程度，由于影響因素較多其精度總體上都較低。2.2經驗公式法

常見的經驗公式有最大涌水量經驗公式[2-7]，正常涌水量經驗公式[2～7,15]和佐藤邦明經驗公式[3,6]等。從本質上說，經驗公式法也是一種比擬方法，即與用來建立經驗公式的那些隧道的涌水量進行比擬。由于經驗公式法利用的既有隧道的涌水量的數據較多，且考慮了滲透系數等水文地質參數的變化，預測的精度一般較普通比擬法更高。

2.3水均衡法

水均衡法主要包括簡易均衡法[1,16]、降水入滲法[1,3,6～8,17～19]、地下徑流深法[3,6,16,18]和地下徑流模數法[1,3,4,6,8,16,18,20]等。與降水入滲法類似的還有洼地入滲量法[8,20]和井泉補給法[1,8]等。

水均衡法只適用于陸地隧道的涌水量預測。該方法源于地下水天然資源的評價，考慮到含水層儲存空間對地下水的調節作用和地下水資源的保障性，采用多年平均降水量和枯季徑流模數評價地下水資源量是合適的。但仍然采用與地下水資源評價相同的參數來預測隧道的涌水量，其結果大大偏小。

2.4 解析法

根據地下水滲流理論導出的預測隧道涌水量的解析計算公式較多，應用也非常廣泛，但由于對公式的適用條件論述較少，實際應用比較混亂。

阿拉文和努米洛夫公式[6]、佐藤邦明公式[3,6]、大島洋志公式[2～7,15,20]、Lei Shizhong公式[21]、Dimitrios K.和Peter公式[22]及古德曼公式[6]等用來預測隧道的最大涌水量往往都是不正確的。因為這些公式都是以地下水位高于地表為條件導出的涌水量計算公式，只是數學表達的形式有所不同，或者由于含水層厚度無限大、隧道橫斷面等價圓半徑與靜止水位至隧道橫斷面等價圓中心的距離之比很小而作了簡化。所以，上述公式只適用于水下隧道涌水量的預測，而不適用于陸地隧道的涌水量預測。

落合敏郎公式[3～5,7,8,20]、柯斯嘉科夫公式[1,4,7,20]、福希海默公式[3]、基坑涌水量計算公式[15,23]和裘布依理論公式[6]等都是未考慮洞頂進水的隧道涌水量計算公式。落合敏郎公式雖然考慮了洞壁和洞底進水，但在不考慮洞頂進水條件下又采用地下水位高于地表時的公式計算洞底涌水量也是不當的；柯斯嘉科夫公式則是掌子面進水部分的計算不合理；其它計算公式只考慮了隧道洞壁進水而未考慮洞底進水，若直接用于預測洞壁及洞底都有進水的隧道的涌水量結果必然偏小。

2.5 數值法

數值法依據分割近似原理，用由若干彼此銜接的三角形（有限元法） 或方形、矩形（有限差分法）組成的連續不光滑的水頭面代替滲流場中光滑連續的水頭曲面，將非線性問題簡化為線性問題求解[24]。

數值法適用于各種水文地質條件的隧道施工涌水量和長期涌水量的預測。通常采用二維和三維模型計算，預測的涌水量一般比較準確，采用三維模型可以獲得更好的預測結果[25,26]。黃濤等使用數值法預測秦嶺隧道的涌水量為1 490 m3/ d ，實際涌水量為1 482m3/d，誤差僅為0.54%[24]。

3 隧道涌水量預測方法與計算參數選取

為避免因預測方法和計算參數選擇不當造成的隧道涌水量預測偏差，根據需要預測的涌水量的類型和隧道的水文地質條件，尤其是邊界條件，建議優先選擇下列預測方法和計算參數。

3.1 施工涌水量預測

3.1.1 水文地質比擬法

根據參與比擬的因素不同分別采用下列計算公式[1,3,6,8]式中：Q、0Q分別為擬建和既有隧道的涌水量，m3/d；L、0L分別為擬建和既有隧道通過含水層的長度，m；F、0F分別為擬建和既有隧道的橫斷面面積，m2；s、0s分別為擬建和既有隧道的水位降深，

m；A、0A分別為擬建和既有隧道的涌水斷面面積，m2。

3.1.2 經驗公式法

可以采用與施工涌水量類似的最大涌水量經驗公式[2-7]近似計算：

式中：cQ為隧道的施工涌水量，m3/d；K為含水層的滲透系數，m/d；H為靜止水位至隧道橫斷面等價圓中心的距離，m。

3.1.3 水均衡法

可以采用計入靜儲量的簡易均衡法[1,16]。

式中：sQ為地下水靜儲量，m3/d；dQ為地下水動儲量，m3/d；μ為含水層的給水度；V為隧道疏干部分的含水層體積，m3；α為降水入滲系數；A為隧道穿過部分含水層的集水面積，m2；X為隧道區給定頻率的日降水量，mm/d；其它符號同前。

3.1.4解析法

隧道施工涌水量為洞壁（包括洞頂、洞底和兩側壁）涌水量和掌子面涌水量之和。根據含水層厚度和邊界條件分別采用下列現有或作者提出的公式[式（8）-式（11）]計算洞壁的涌水量。當隧道只有單側進水時，預測的涌水量減半。

1）水下隧道。當D<2/R，含水層厚度有限時[3,6]，

當D<2/R，含水層厚度無限時[6]，

式中：D為隧道橫斷面等價圓中心的埋藏深度，m；R為隧道涌水的影響半徑，m，按或R=215.5+510.5K計算；Qs為隧道洞壁的涌水量，m3/d；r為隧道橫斷面等價圓半徑，m；T為含水層厚度，m；其它符號同前。

當D>R/2時，采用陸地隧道的涌水量計算公式計算。

2）陸地隧道。

當靜止水位高于隧道頂部，含水層厚度有限時，

當靜止水位高于隧道頂部，含水層厚度無限時，

當靜止水位低于隧道頂部，含水層厚度無限時，

當靜止水位低于隧道頂部，含水層厚度有限時，

式中：b為含水層底板在隧道橫斷面等價圓中心下的深度（m）；其它符號意義同前。

當含水層厚度無限大時，掌子面的涌水量采用下式計算[1]：

當隧道底面為含水層底板時，掌子面的涌水量按下式計算[1]

需要特別說明的是，只要含水層底板在洞底下的深度大于影響半徑，均認為含水層厚度是無限的。

3.1.5數值法

該方法適用于各種隧道的施工涌水量預測，精度較高。計算參數采用給定頻率的日降水量及相應的靜止地下水位和含水層厚度。

3.2 長期涌水量預測

3.2.1比擬法

計算公式仍為式（1）、式（2）和式（3）。但既有隧道的涌水量采用長期涌水量。

3.2.2經驗公式法

采用與長期涌水量類似的正常涌水量公式[2～7,15]和佐藤邦明公式[3,6]近似計算

式中：Ql為隧道的長期涌水量，m3/d；為經驗系數，一般取12.8；其他符號同前。

3.2.3水均衡法

采用不考慮靜儲量的降水入滲法[1,3,6,8,,17-19]：

式中符號的意義同前，參數取值方法相同。

3.2.4解析法

長期涌水量只包括洞壁涌水量，不包括掌子面涌水量。

1）水下隧道。由于水文地質條件相同，仍采用與施工涌水量相同的公式式（6）和式（7）計算。

2）陸地隧道。由于地下水疏干，洞頂無進水，采用條件相同的計算公式式（9）和式（10）計算。

3.2.5數值法

適用于各種隧道的長期涌水量預測。參數的取值方法與施工涌水量的預測相同。

4 結論

1）目前得到廣泛應用的隧道最大涌水量和正常涌水量的涵義不明確，考慮到地下水的波動，將給定頻率的峰值涌水量作為隧道的涌水量，按作用不同劃分為施工涌水量和長期涌水量，作為隧道施工期間的安全防護和隧道排水工程設計的依據。

2）隧道涌水量的預測方法并不是普遍適用的，不同的方法有不同的適用條件，應用時必須按水文地質條件選擇合適的預測方法，不可濫用。比擬法必須具有相似的水文地質條件。

3）由于地下水位的波動性，預測隧道涌水量必須選擇合適的峰值參數，曾經采用過的多年平均降水量和勘察時的地下水位都是不合理的，應采用給定頻率的日降水量和相應的地下水位進行隧道涌水量的預測。

[1] 石文慧．論鐵路隧道涌水災害的防治[J]．中國地質災害與防治學報，1993，4（1）：46～55．

[2] 王建秀，朱合華，葉為民．隧道涌水量的預測及其工程應用[J]．巖石力學與工程學報，2004，23（7）:1150～1153．

[3] 朱大力，李秋楓．預測隧道涌水量的方法[J]．工程勘察，2000，（4）:18～22．

[4] 毛建安，石中平，畢煥軍．秦嶺隧道水文地質的綜合勘察與涌水量的預測計算[J]．世界隧道，1998，（2）:44～48．

[5] 鄧百洪，方建勤．隧道涌水預測方法的研究[J]．公路交通技術，2005，（3）:161～163．

[6] TB10049-2004．鐵路工程水文地質勘察規程[s]．北京：中國鐵道出版社．2004．

[7] 周水貴．滬蓉高速公路大水井隧道涌水量預測[J]．建筑技術開發，2004，31（7）:41～43,97．

[8] 吳治生．不同地質邊界條件巖溶隧道涌水量預測及展望[J]．鐵道工程學報，2007，（11）:48～55．

[9] 鄭黎明． 隧道涌水災害預測的隨機性數學模型方法[J]． 西南交通大學學報，1998.33（3）:273～278.

[10] 郭旭晶，黃濤，肖再亮，楊輝.石太客運專線特長隧道涌水災害預測研究[J]．工程地質學報，2008，16（2）:255～257．

[11] 劉丹，李啟彬．秦嶺特長隧道涌水量的預測研究[J]．煤田地質與勘探，2005，33（1）:41～43．

[12] 安永林，彭立敏．GP與GM（1,1）預測隧道涌水對比分析和實證[J]．科技導報，2008，26（13）:71～74．

[13] 姜汶泉，張運良，安永林．灰色理論預測隧道涌水與實例分析[J]．路基工程，2008，（2）:14～15．

[14] 夏均民，王媛，孫振輝．深埋隧洞涌水量的關聯類比灰色預測[J]．地下空間與工程學報，2006，2（8）:1387～1389．

[15] 汪小平．廈門東通道海底隧道涌水量分析及預測[J]．鐵道勘察，2008，（1）:27～29．

[16] 康小兵，張強，許模．重慶走馬嶺巖溶隧道涌水量初步研究[J]．工程地質學報，2006，14（1）:68～71．

[17] 冉云明，徐德斌，程翔．沙包梁隧道水文地質勘察分析及涌水量計算[J]．中國水運，2008，8（7）:177～178．

[18] 魏國靈，何珊儒，朱炳湖．碎屑巖區及巖溶區隧道涌水量簡易計算方法[J]．西部探礦工程，2005，（9）:126～128．

[19] 陳新建，孫!琳，李新星，孫巧銀．隧道工程地質評價的內容和方法[J]．地球科學與環境學報，2004，26（1）:41～46．

[20] 徐國鋒，楊建鋒，陳侃福．臺縉高速公路蒼嶺隧道水文地質勘察與涌水量預測[J]．巖石力學與工程學報，2005，24（S2）:5531～5535．

[21] Lei Shizhong．An analytical solution for steady flow into a tunnel[J]．Ground Water，1999，37（1）:23～26．

[22] 丁萬濤，李術才，徐幫樹，李樹忱．隧道涌水量解析公式在海底隧道工程應用研究[J]．地下空間與工程學報，2008，4（4）:662～664．

[23] GB50307-1999．地下鐵路、輕軌交通巖土工程勘察規范[S]．北京：國家質量技術監督局、中華人民共和國建設部．1999．

[24] 魏幗鈞． 隧道涌水量預測的計算方法比較[J]．山西建筑，2007，33（14）:339～340．

[25] 畢煥軍．數值法計算預測山嶺隧道裂隙巖體涌水量的應用研究[J]．鐵道勘察，2007，（1）:44～46．

[26] 王芃, 黃濤,王傳琦． 2D與3D模型預測石太客運專線特長隧道涌水量[J]．鐵道工程學報，2007，（9）:51～54．

Classification and Prediction of Tunnel Water Influx

XIONG Dao-kun1XIONG Jing-si2
(1-Chengdu Centre of Hydrogeology and Engineering Geology, BGEEMRSP, Chengdu 610081; 2-China Railway No.24 Bureau Group co., ltd, Shanghai 200071)

The tunnel water influx may be divided into construction water influx and long-term water influx according to different purposes of engineering application. This paper makes a suggestion on correctly selecting the methods and parameters for tunnel water influx prediction in different hydrogeological conditions.

tunnel water influx; prediction; method selection; parameter selection.

P64

A

1006-0995（2014）04-0561-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.020

2013-08-21

熊道錕(1958-)，男，漢族，重慶市萬州區人，工程碩士，高級工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質工作及其基礎理論研究