基于實(shí)地監(jiān)測(cè)的常用隧道涌水量預(yù)測(cè)方法對(duì)比分析

張金平

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510507)

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基于實(shí)地監(jiān)測(cè)的常用隧道涌水量預(yù)測(cè)方法對(duì)比分析

張金平

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510507)

[目的] 揭示隧道發(fā)生涌水病害的內(nèi)在原因，分析目前各種預(yù)測(cè)隧道涌水量計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和適用性，為相關(guān)工程及理論公式的進(jìn)一步完善提供參考。[方法]采用工程地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪、鉆探、物探、現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等方法，將隧道長(zhǎng)期涌水量記錄數(shù)據(jù)與隧道涌水量計(jì)算公式所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。[結(jié)果]全面掌握了事故段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，不同公式所得涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大。[結(jié)論]隧道發(fā)生涌水病害的內(nèi)在原因主要是附近民用水塘長(zhǎng)期蓄水；采用古得曼公式所得的預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)測(cè)值最為接近。

隧道涌水；涌水量預(yù)測(cè)；勘察；地下水動(dòng)力學(xué)法

長(zhǎng)期以來(lái)，涌水問(wèn)題一直是隧道工程中普遍存在且容易造成嚴(yán)重后果的工程災(zāi)害[1]。在長(zhǎng)期水力作用下，隧道圍巖與水產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，使得圍巖強(qiáng)度降低、膨脹、變形，甚至失穩(wěn)破壞，給隧道長(zhǎng)期安全服役性能帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。針對(duì)此問(wèn)題，眾多工程師及科研學(xué)者進(jìn)行了積極的探索，提出并拓展了多種預(yù)測(cè)隧道涌水量的理論及經(jīng)驗(yàn)方法，主要包括：地下水動(dòng)力學(xué)方法、水理統(tǒng)計(jì)法、水平衡法、比擬法、數(shù)值分析法、非線性理論方法等[2-7]。

其中，地下水動(dòng)力學(xué)法又稱解析法，是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理用數(shù)學(xué)解析的方法對(duì)給定邊界條件和初值條件下的地下水運(yùn)動(dòng)建立解析式，從而達(dá)到預(yù)測(cè)隧道涌水量的目的。由于該方法綜合考慮了隧道所處地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)條件、施工方式、當(dāng)?shù)貧夂虻汝P(guān)鍵因素，在隧道涌水量計(jì)算中最為常用。主要包括：柯斯嘉科夫公式、大島洋志公式、佐藤邦明公式、古得曼公式等[8-9]。

但總體而言，不同的公式和計(jì)算方法所得結(jié)果差別較大，迄今尚無(wú)能被一致認(rèn)可的隧道涌水量預(yù)測(cè)算法。而要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道涌水量，選取合適的涌水量預(yù)測(cè)方法是關(guān)鍵。因此，筆者結(jié)合具體工程實(shí)例，在全面掌握隧道所處工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，對(duì)目前常用的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法進(jìn)行適用性和準(zhǔn)確性檢驗(yàn)，積累隧道涌水量預(yù)測(cè)工程經(jīng)驗(yàn)，為涌水量預(yù)測(cè)方法的進(jìn)一步完善提供借鑒和參考。

1 隧址區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌特征 隧道穿過(guò)丘陵地貌區(qū)，地面標(biāo)高158.7～236.0 m，相對(duì)高差約77.3 m。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，為地下水的賦存、滲流提供了物質(zhì)條件。區(qū)內(nèi)斷裂及節(jié)理以北東走向?yàn)橹?，其次為北西走向。地表水體主要以距隧道右側(cè)約127.0 m的山塘1及88.0 m的山塘2為主；山塘1水位施工前后無(wú)變化，水位0.6～1.5 m，水面標(biāo)高約158.9 m，山塘2現(xiàn)在無(wú)水，山塘2攔水壩壩頂高程為161.0 m。山體植被茂密，并建有旅游區(qū)盤(pán)山公路。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造 該項(xiàng)目區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為梅縣—蕉嶺山字型構(gòu)造、蓮花山斷裂構(gòu)造帶及大埔—饒平北西向構(gòu)造帶、盆地構(gòu)造。與圣人山隧道相關(guān)的主要為龍坑斷裂、蛇子龍斷裂、梅子壩斷裂。

龍坑斷裂：龍坑斷裂分布于北東部西陽(yáng)龍坑一帶，總體走向N 80°，兩端為第四系覆蓋，區(qū)內(nèi)延伸10.0 km，與線路在RK5+780處約45°斜交。

蛇子龍斷裂：為近東西向斷裂，走向約80°，區(qū)內(nèi)延伸8.0 km，位于線路北側(cè)，距RK6+000約1.0 km，屬逆沖擠壓型斷裂，發(fā)育于震旦系老虎塘組地層中。具體特征為發(fā)育硅化構(gòu)造角礫巖，角礫呈不規(guī)則棱角狀，大小0.5～3.0 cm，膠結(jié)物為粉碎狀巖粉，具強(qiáng)烈硅化。

梅子壩斷裂：走向約60°，產(chǎn)狀145°∠65°，區(qū)內(nèi)延伸6.0 km，位于線路北側(cè)，距RK6+000約1.5 km，斷裂帶寬10.0～20.0 m，發(fā)育于震旦系老虎塘組地層中。斷層帶由斷層角礫及斷層泥組成。

1.3 地層巖性 素填土(Qml)：灰色，0～0.15 m為砼路面，0.15～0.30 m由碎石、風(fēng)化土等組成。局部分布，厚度0.30～1.50 m，屬?gòu)?qiáng)透水。

強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖(Z)：灰白混土黃、褐紅色，巖心呈碎塊狀，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙發(fā)育密集，隙面銹染，變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，構(gòu)造影響基巖破碎，巖心未見(jiàn)明顯構(gòu)造帶形跡。大部分布，厚度47.70～80.60 m，中等透水。

強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖(Z)：黃褐色，巖石風(fēng)化劇烈，巖心呈半巖半土狀，遇水軟化，質(zhì)軟。零星分布，厚度為8.10 m，弱透水。

中風(fēng)化變質(zhì)砂巖(Z)：青灰色，巖心碎塊呈短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，隙面銹染，巖質(zhì)較硬，敲擊響脆，變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，構(gòu)造影響基巖破碎，但巖心未見(jiàn)明顯構(gòu)造帶形跡。大部分布，厚度1.00～47.50 m，中等透水。

其中，對(duì)具有代表性的強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖層開(kāi)展了常規(guī)土力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，每一測(cè)點(diǎn)取樣不少于6個(gè)，所得土體基本物理力學(xué)參數(shù)為：含水率21.0%，密度1.9 g/cm3，土粒比重2.7，孔隙比0.7，液限28.4%，塑限18.7%，黏聚力17.0 kPa，內(nèi)摩擦角33.6°，壓縮系數(shù)0.27 MPa-1、壓縮膜量6.2 MPa。

2 水文地質(zhì)特征分析

該區(qū)地處亞熱帶，雨量充沛，地下水補(bǔ)給來(lái)源充足。丘陵范圍，構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙發(fā)育，大部分地方植被茂盛，裂隙水廣泛分布。根據(jù)梅縣幅區(qū)域水文地質(zhì)圖(1∶20萬(wàn))，地下水為松散層孔隙水、基巖類裂隙水和斷層破碎帶水三大類水。

松散層孔隙水：廣泛分布于第四系中，其中砂、砂礫為主要含水層，主要為潛水，水量貧乏。單井涌水量76.73～653.57 t/d，個(gè)別孔2 380.41 t/d，水位埋深0.21～3.85 m，水質(zhì)以HCO3-Ca型為主，礦化度0.02～0.36 g/L。

基巖類裂隙水：分布于基底碎屑巖、變質(zhì)巖中，如砂巖、粉砂巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，地下水的補(bǔ)給和排泄途徑不通暢，水量較貧乏。泉常見(jiàn)流量0.039～0.325 L/s，地下水徑流模數(shù)1.210～5.537 L/(s·km2)。水質(zhì)以HCO3-Ca及HCO3-Ca.Mg型為主，礦化度0.02～0.10 g/L。

斷層破碎帶水：項(xiàng)目區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北東走向?yàn)橹鳎浯螢楸蔽髯呦颉僦械取獜?qiáng)透水層，為山塘向隧道滲水的主要通道。

3 隧道涌水量預(yù)測(cè)及分析

3.1 隧道涌水量預(yù)測(cè)常用方法 目前，預(yù)測(cè)隧道涌水量的方法多種多樣，在我國(guó)常用的主要是地下水動(dòng)力學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)公式法，并已納入國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

柯斯嘉科夫計(jì)算涌水量理論公式：

(1)

式中，Qs為隧道通過(guò)含水體段正常涌水量(m3/d)；H為靜止水位至隧道洞底距離(m)；L為隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度(m)；K為含水體的滲透系數(shù)(m/d)；R為隧道涌水量影響寬度(m)；r為隧道橫斷面寬度的一半(m)。

大島洋志最大涌水量計(jì)算公式：

(2)

式中，q0為洞身通過(guò)含水體單位長(zhǎng)度最大涌水量(m3/d)；d為隧道洞身橫斷面等價(jià)圓直徑(m)；r0為洞身橫斷面等價(jià)圓半徑(m)；λ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取值0.86，其他符號(hào)意義同上。

佐藤邦明非穩(wěn)定流理論公式：

(3)

qs=q0-0.584εKr0

(4)

式中，q0為洞身單位長(zhǎng)度最大涌水量(m3/d)；qs為單位長(zhǎng)度正常涌水量(m3/d)；h為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離(m)；hc為含水體有效厚度(m)；λ為轉(zhuǎn)換系數(shù)；ε為平均實(shí)驗(yàn)系數(shù)，一般取12.8，其他符號(hào)意義同上。

古得曼經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

式中,Q0為隧道通過(guò)段落可能最大涌水量(m3/d)，其他符號(hào)意義同上。

鐵路勘測(cè)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式為

正常涌水量計(jì)算公式為

Qs=LHK(0.676-0.06K)

(6)

最大涌水量計(jì)算公式為

Q0=L(0.025 5+1.922 4HK)

(7)

3.2 隧道洞身涌水量預(yù)測(cè) 結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果并考慮到附近水塘的影響，計(jì)算圖式如圖1所示。

圖1 隧道涌水量計(jì)算圖式Fig. 1 The calculating model of tunnel water inflow

為獲得隧道圍巖滲透系數(shù)，在地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)上，選取代表性的區(qū)域進(jìn)行多個(gè)鉆孔并開(kāi)展了常水頭注水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)及所得成果平均值分別如下：水平、垂直方向滲透率比10，滲水段長(zhǎng)度20 m，鉆孔半徑0.055 m，形狀系數(shù)15.32，注入流量1 240 m3，水頭高度40 m，滲透系數(shù)2.02 m/d。

利用上述公式，分別計(jì)算隧道正常涌水量與最大涌水量，結(jié)果如表1所示。

可以看出，不同的公式所得隧道涌水量相差較大，預(yù)測(cè)涌水量計(jì)算結(jié)果從小到大依次是：柯斯嘉科夫公式、佐藤邦明公式、大島洋志公式、經(jīng)驗(yàn)公式、古得曼公式。其中柯斯嘉科夫公式計(jì)算結(jié)果約為古得曼公式所得涌水量的一半。

3.3 隧道洞身涌水量實(shí)際檢測(cè) 對(duì)該隧道涌水段分別在2011和2012年進(jìn)行了隧道涌水量實(shí)地檢測(cè)，得到隧道實(shí)際涌水量曲線如圖2所示。

根據(jù)實(shí)地檢測(cè)結(jié)果可以看出，枯水期隧道涌水量QK約為1 200 m3/d，雨期涌水量QB約2 800 m3/d，水塘蓄水后最大涌水量QX約10 540 m3/d。從而可知由于降雨增加的涌水量(QB-QK)為1 600 m3/d，由于水庫(kù)蓄水增加涌水量(QX-QK)為9 340 m3/d。

梅州年降雨量1 400～1 800 mm，平均降雨量1 500 mm，降雨系數(shù)取1.2(1 800/1 500)，測(cè)量精度系數(shù)取1.3，則實(shí)際總涌水量約為

Q=1.3×[QK+1.2×(QB-QK)+(QX-QK)]

=16 198

(8)

與表1所得計(jì)算結(jié)果相比較可知，常用的各預(yù)測(cè)隧道涌水量的方法均偏于保守，其中古得曼公式預(yù)測(cè)結(jié)果真實(shí)涌水量最為接近，也僅為實(shí)測(cè)值的55.69%，仍存在較大偏差。

表1 涌水量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2 涌水量曲線Fig.2 Water gushing quantity curve

4 結(jié)論

該研究結(jié)合實(shí)際工程長(zhǎng)期涌水量監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析了目前常用隧道涌水量計(jì)算公式，得到以下結(jié)論：

(1)即使對(duì)于同一工況，采用不同的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法所得到的預(yù)測(cè)結(jié)果相差也大。其中柯斯嘉科夫公式預(yù)測(cè)結(jié)果最為保守，而古得曼公式所得涌水量最大。

(2)常用的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法與實(shí)測(cè)值相比較普遍偏

小，其中古得曼公式預(yù)測(cè)值與真實(shí)值最為接近，但也僅為實(shí)測(cè)值的55.69%。

(3)值得注意的是，對(duì)于特定的工程情況，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件具有特殊性和復(fù)雜性，且涌水量是多種因素綜合作用的結(jié)果，而目前尚無(wú)為大家所公認(rèn)的計(jì)算方法，有必要總結(jié)以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步完善涌水量預(yù)測(cè)方法。

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Comparative Analysis of Forecasting Method to Water Inflow in Tunnel Based on Field Monitoring

ZHANG Jin-ping

(Guangdong Province Communications Planning & Design Institute Co. Ltd., Guangzhou, Guangdong 510507)

[Objective] To reveal the inner causes of tunnel water gushing, analyze accuracy and applicability of the method of calculating the water inflow in the tunnel, to provide reference for further perfecting relevant project and theoretical formula. [Method] By carrying out engineering geological survey, drilling, geophysical prospecting, field and laboratory tests and combined with the long tunnel inflow water record data, the comparison and analysis were made on the method of calculating the water inflow in the tunnel. [Result] Engineering geological and hydrogeological investigation of the tunnel was made clear and it showed that the results between different formulas differ greatly. [Conclusion] The inner cause of tunnel water gushing is mainly due to long-term storage of water nearby and the prediction results from Goodman formula is more accurate than those from other formulas.

Tunnel gushing; Prediction of water inflow; Survey; Groundwater dynamics

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(201402009)。

張金平(1983- )，男，江西贛州人，高級(jí)工程師，碩士，從事巖土方向的勘察、設(shè)計(jì)及施工研究。

2016-09-07

TU 416.1

A

0517-6611(2016)31-0235-03