富水公路隧道涌水量預測研究

向睿 樊明舉 卓正

摘要：以某隧道作為工程背景對富水區(qū)公路隧道涌水量進行預測和分析，借助鐵路隧道設計規(guī)范的地下水狀態(tài)分級標準，對預測結果進行分析比較。結果表明，年平均涌水量和隧道正常涌水量較小，適用于隧道的耐久性設計;隧道峰值涌水量較大，應作為隧道的圍巖分級修正和施工階段防排水措施及參數(shù)設計。

關鍵詞：隧道 涌水量 預測方法 經驗公式

1 引言

地下水的存在對于巖土體的穩(wěn)定具有不利影響。地下水的危害形式主要有土的滲透變形、砂土液化兩種形式。其中，地下水引起的隧道掌子面塌方等情況也屬于土的滲透變形。土的滲透變形從形式上說有流土、管涌、接觸沖刷、接觸流失四種類型，粘性土的滲透變形主要是流土和接觸流失兩種類型。土的滲透變形特征應根據圖的顆粒組成、密度和結構狀態(tài)等因素綜合分析確定。

涌水量是高水位富水區(qū)隧道動態(tài)設計中最重要的參數(shù)之一。設計過程中，需要根據隧道的涌水情況，對隧道圍巖分級進行修正，并設計混凝土抗?jié)B級別、注漿措施及參數(shù)、排水設施等。施工階段，要根據涌水情況安排施工進度及防排水措施，以保證施工過程中的安全。

2 預測結果

2.1 鐵路工程地質手冊

根據設計文件，榮成—烏海高速公路河北徐水至淶源（冀晉界）段，某隧道未作鉆孔抽水試驗，隧道涌水量采用《鐵路工程地質手冊》（第二版）推薦的降水滲入公式[1]：

涌水量計算成果如所示，水量計算結果為該段總匯水面積下的平均匯水量。靠近洞口段及洞身段雨季涌水量相對較大，尤其靠近洞身段。按照隧道涌水量標準，當涌水量<100m3/d時，屬滲滴涌水，當涌水量>100m3/d時，屬小涌水，本隧道涌水量對隧道洞身有一定的影響。

由表1可知，各段單位時間單位長度的涌水量介于0.1m3/d～0.15m3/d。

2.2 大島洋志公式

該隧道的斷面示意圖及其基本參數(shù)如圖1所示：

本段為隧道出口段，埋深為5～21m。隧道拱部為第四系更新統(tǒng)的粉質黏土、碎石、全風化片麻花崗巖，粉質黏土呈硬塑狀，碎石呈中秘至密室狀。圍巖無自穩(wěn)能力，易發(fā)生大塌方。該段地下水較豐富，地下水出水狀態(tài)為淋雨狀或涌流狀[1]。

根據以上描述，選取靜止水位至隧道等價圓橫斷面中心的距離為16m，至底板距離為23.2m為例，計算該隧道的單位長度單位時間的涌水量，其中滲透系數(shù)取為0.3，如圖2。

2.3 古德曼公式

2.4 鐵路工程水文地質勘測規(guī)范經驗公式

根據以上的預測結果，可以得到表2所示某隧道計算涌水量。《鐵路隧道設計規(guī)范》[2]中，可以根據滲水量進行地下水狀態(tài)分級，從而對基本圍巖分級進行修正。地下水狀態(tài)的分級依據為10m長度隧道圍巖每分鐘的涌水量（L）。因此，將預測涌水量轉換單位，可得到表4中換算涌水量的結果。

該表中，滲水量范圍為0～125 L/（min·10m），《鐵路隧道設計規(guī)范》中，并未對大于125 L/（min·10m）的滲水狀態(tài)進行說明。如預測的涌水量大于這個數(shù)值，說明涌水量較大，在設計和施工時，要制定防排水的專項技術方案，防止隧道施工過程中發(fā)生涌水事故。

以上預測涌水量結果如圖3所示，在圖中，用水平線條標注出地下水狀態(tài)的分級區(qū)間。

由上圖分析可知，同一個隧道，在滲透系數(shù)、水位高度等條件相同的情況下，采用不同的預測公式，可能導致截然不同的預測結果。并且該結果跨越了地下水狀態(tài)分級的三個級別，這就導致了采用不用的預測公式，必然會得到不同的圍巖分級修正結果和不同的隧道防排水設計措施和參數(shù)[2]。

如果是在設計過程中對圍巖分級進行修正，或者設計防排水措施的參數(shù)，為了保證隧道施工過程中的安全，應該在預測涌水量時采用峰值涌水量。如果是考慮防水材料的耐久性和混凝土結構的耐久性，在預測涌水量時，可以采用正常涌水量甚至是年平均涌水量。

3 結論

由以上的經驗預測公式可知，不同的公式得到的預測結果有比較大的出入，但每個公式基本都與巖體的滲透系數(shù)，隧道的斷面大小，水位的高度等因素相關。其中，古德曼公式預測得到單位時間單位長度隧道涌水量最大，其次分別為大島洋志公式和鐵路規(guī)范經驗公式，鐵路工程地質手冊的預測結果最小，且遠遠小于其它幾個預測結果。通過預測，可以得到以下3條主要結論：

（1）鐵路工程地質手冊計算的是年平均涌水量，其預測結果可能遠遠小于雨季峰值涌水量，因此，其計算結果可以用來作為隧道耐久性的控制指標，而不宜作為圍巖分級和施工安全的指標。

（2）對于隧道圍巖分級的修正，以及防排水措施的設計，應該以隧道的峰值涌水量作為依據，而不能以隧道的正常涌水量作為依據。

（3）在本隧道的經驗公式計算中，古德曼公式的計算結果最大，應該用其結果來指導設計和施工;但對于滲透系數(shù)和水位高度不同的其它情況，古德曼公式的計算結果未必是最大的。為了最大限度地保證施工安全，需要采用多種手段綜合預測，選取最大涌水量最為最終結果。

參考文獻：

[1]鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]國家鐵路局.TB 10003-2016鐵路隧道設計規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社，2017.