山嶺隧道施工階段涌水量預(yù)測及其方法合理性分析

唐 旭，張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

地下水的活動和作用是導(dǎo)致隧道事故發(fā)生的主要因素，尤其是在斜井倒坡施工條件下，因涌水易造成隧道掌子面失穩(wěn)，引起經(jīng)濟的損失及人員的傷亡。構(gòu)建合理的隧址區(qū)數(shù)值模型，研究隧址區(qū)的地下水滲流場分布規(guī)律，預(yù)測隧道涌水量，對保護水資源和山區(qū)生態(tài)環(huán)境、對隧道的安全建設(shè)具有重要的意義。

本文結(jié)合康家樓隧址區(qū)域水文地質(zhì)及施工資料，采用Visual-Modflow軟件建立水文地質(zhì)模型，首先利用地下水水均衡原理驗證模型參數(shù)的正確性，其次模擬隧道穿越斷層時有止水措施情況下隧址區(qū)域地下水的滲流場分布及預(yù)測涌水量，最后對預(yù)測涌水量的幾種方法進行對比分析。為今后類似工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

康家樓隧道是山西省規(guī)劃的三縱十二橫十二環(huán)高速公路路網(wǎng)布局中的第七橫—汾陽至邢臺高速公路榆社至和順康家樓間的一條越嶺特長隧道，分布于晉冀兩省交界處。隧道進口位于山西端，出口位于河北端。

康家樓隧道設(shè)計為分離式隧道。右線隧道最大埋深509.03 m，山西境全長6 778.556 m；左線隧道最大埋深511.4 m，山西境隧道全長6 835 m。隧道左右線最大間距35 m，屬特長隧道。隧址區(qū)屬海河流域的漳衛(wèi)南運河水系，地下水豐富。

2 Visual Modflow地下水模型

2.1 模型的確定

研究區(qū)以地表水系、地形、地層與地質(zhì)構(gòu)造分布、流域內(nèi)河川等自然邊界作為劃分依據(jù)，并考量隧道施工涌水可能影響范圍，最終確定隧道研究區(qū)域。Z軸方向取值和海拔高度相同，底部取值為700 m高程，模擬區(qū)域內(nèi)最高高程為1 627.5 m；X軸為隧道縱斷面方向，長6 000 m；Y軸為橫斷面方向，長2 000 m。模型中斷層的走向、傾角及傾向三大要素根據(jù)實際工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果進行設(shè)置。巖層及斷層分布如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)域的三維模型

2.2 邊界條件及初始條件

研究區(qū)域以康家樓河和定水頭等自然邊界為主，河流設(shè)在模型的下方，定水頭邊界設(shè)在模型東西兩端與北端，山脊邊界認(rèn)為是無流量邊界，其中定水頭值通過水文斷面圖的水位線分布和鉆孔水位擬合而得到。

2.3 模型離散化

模型平面每層剖分7 950個單元，Z向分為31層，共劃分246 450個單元。根據(jù)降雨量、蒸發(fā)量等多種條件，將一個完整的水文年劃分為12個周期，每個應(yīng)力期又分為10個時間步。在豎向上，隧址區(qū)主要地層為第四系上更新統(tǒng)粉土、礫卵石層，寒武系中統(tǒng)徐莊、張夏組頁巖夾薄層灰?guī)r、細(xì)砂巖，長城系中統(tǒng)上常州溝組、串嶺溝組砂巖。模型底板設(shè)置為水平，所有分層界限(地層頂?shù)讟?biāo)高)均取自于研究區(qū)域設(shè)計階段鉆孔資料、水文地質(zhì)縱橫斷面剖面圖。錄入三維空間數(shù)據(jù)后，建立三維含水系統(tǒng)網(wǎng)格縱斷面圖如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面分層示意

2.4 模擬參數(shù)選取

隧址區(qū)三維水位地質(zhì)概念模型各水文地質(zhì)單元獨立，具有其特定水文地質(zhì)特性參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)所做相關(guān)水力試驗可獲得各水文地質(zhì)單元相關(guān)參數(shù)。具體涉及有各水文單元的滲透系數(shù)、降雨量、蒸發(fā)量、降雨入滲補給系數(shù)及有效孔隙率和給水度。

綜合考慮本地區(qū)地形地貌條件及地表植被覆蓋情況，根據(jù)經(jīng)驗降雨補給系數(shù)取值為裂隙巖層0.15，斷裂帶0.2。表1為反復(fù)試算得到的相關(guān)參數(shù)。

表1 研究區(qū)域各地質(zhì)構(gòu)造透水系數(shù)

2.5 模型檢驗與參數(shù)識別

在建立空間物理模型以后，要對模型進行檢驗，同時對各個參數(shù)進行校正。地下水流數(shù)值模擬模型檢驗與參數(shù)識別，遵循區(qū)域地下水均衡原則。

由于無法得到研究區(qū)域的實際地下水流場，所以根據(jù)水文地質(zhì)縱斷面圖、地表監(jiān)測點、鉆孔中的地下水位的埋深資料，通過穩(wěn)定流模擬，進行一個水文年模擬，將其結(jié)果水頭作為模型的初始水頭。由隧址區(qū)地下水均衡圖3可以看出，補給值與排出值分別為1.939 996×107m3、1.939 941×107m3，兩者是十分接近的，說明整個水流場的地下水基本上是均衡的，模擬結(jié)果見圖3。

圖3 地下水輸出輸入(單位：m3)

綜合分析來看，康家樓隧址區(qū)地下水識別模型所對應(yīng)水文地質(zhì)模型與實際水文地質(zhì)模型是吻合的，邊界條件概化合理，源匯項處理科學(xué)合理，參數(shù)賦值正確，說明該模型能基本反映研究區(qū)的水文地質(zhì)條件。

3 區(qū)域地下水流場分析

3.1 隧道開挖至ZK72+850里程區(qū)域水流場分析

重點分析康家樓在施工過程中開挖至斷層處的地下水流場分布規(guī)律及涌水量預(yù)，以隧道開挖至ZK72+850里程(F13斷層)為例進行分析。加止水措施條件下，數(shù)值模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 隧道開挖至ZK72+850軸線水頭分布剖面(單位：m)

圖5 隧道開挖至ZK72+850軸線總水頭等值線分布平面(單位：m)

由圖4、圖5可分析可知：隧道施加止水措施后，從地下水等勢線來看，在掌子面附近區(qū)段地下水等勢線比較密集，襯砌止水段，等勢線較稀松，說明地下水集中向隧道掌子面區(qū)段附近流出，地下水位較低。這是因隧道開挖形成新的自由面，洞室周圍地下水有了新徑流通道。

隧道開挖到ZK72+850里程以后，掌子面附近的地下水改變了原有的流動方向，集中流入隧道內(nèi)部，而遠(yuǎn)離隧道掌子面施做了止水措施的襯砌段，依舊按照原有的路徑流動，說明隧道的開挖主要影響的是掌子面附近的地下水流場，對施加了止水措施的區(qū)段以及未開挖的區(qū)段影響較小。

3.2 涌水量預(yù)測

康家樓隧道開挖至ZK72+850里程，掌子面發(fā)生了涌水大變形。在施作了大管棚，采用了小導(dǎo)管注漿加固和封堵掌子面后，初期支護表面呈現(xiàn)細(xì)雨狀滲水，在掌子面拱肩前方位置出現(xiàn)柱狀涌水，隧道現(xiàn)場隧道涌水情況如圖6所示。

圖6 康家樓隧道涌水情況現(xiàn)場

在止水措施條件下，單側(cè)掘進下隧道ZK72+850里程斷面正常涌水量(圖7)。開挖至ZK72+850里程處，斷面涌水預(yù)測結(jié)果為9 429.5 m3/d，而現(xiàn)場實測涌水量為8 600 m3/d左右。基于區(qū)域水流場的正常涌水量預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果比較一致。

圖7 有止水措施，ZK72+850斷面正常涌水量(單位：m3/d)

4 預(yù)測方法合理性分析

通過基于區(qū)域水流場的正常涌水量的預(yù)測、古德曼經(jīng)驗公式最大涌水量預(yù)測、裘布依理論正常涌水量的預(yù)測及斷面流量法的預(yù)測的統(tǒng)計，然后將這些方法所預(yù)測出來的涌水量值與實際值進行比較，其結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表2 涌水量預(yù)測值統(tǒng)計及其對比 m3/d

隨含水段長度增加，基于區(qū)域水流場的正常涌水量預(yù)測值的相對誤差分別為39.87 %、13.19 %、9.65 %。總體來看，采用基于區(qū)域水流場的正常涌水量方法，預(yù)測精度可控制在±15 %以內(nèi)。

裘布依理論式、古德曼經(jīng)驗公式及斷面流量法所預(yù)測的最大涌水量值與現(xiàn)場實際監(jiān)測的涌水量值有較大的出入，因而地下水動力學(xué)法和斷面流量法不能十分有效預(yù)測洞體的涌水量。

5 結(jié)論

通過計算分析，最終得到的結(jié)論如下：

(1)施做了止水措施的襯砌段，隧道的開挖主要影響的是掌子面附近的地下水流場，對施加了止水措施的區(qū)段以及未開挖的區(qū)段影響較小。

(2)采用預(yù)測模型所獲的正常涌水量值與實際結(jié)果是比較接近的，證明區(qū)域水流場模型正確性，可用作隧道涌水量預(yù)測

(3)采用基于區(qū)域水流場的正常涌水量方法，預(yù)測精度可控制在±15 %以內(nèi)。