超長隧道涌水量預測

蔣 亮，劉遠明，楊家曌，堯 林

(1.貴州高速公路集團有限公司 貴陽市 550001； 2.貴州大學 土木工程學院 貴陽市 550025；3.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

桐梓隧道是蘭州至海口國家高速公路重慶至遵義段(貴州境)擴容工程控制性工程，為分離式雙向六車道大跨度隧道，左幅起止樁號為 ZK34+508～ZK45+005，長10497 m，進出口底板標高分別為895.87m、1079.35m，最大埋深649m；右幅起止樁號為 YK34+530～YK45+015，長10485m，最大埋深約639.07m，進出口底板標高分別為896.30m、1079.25m；隧道縱坡為2%。桐梓隧道長度大于10000m，是貴州省境內第一條超長高速公路隧道。

若處治不當， 隧道易發生涌水、突水以及突泥災害，不僅導致工程重大損失、工期延誤, 甚至造成人員傷亡。文獻[1-10]詳細分析了隧道涌水量預測方法特點，提出了合理隧道涌水量預測的建議。桐梓隧道施工分為兩個標段，出口施工標段面臨長距離反坡排水問題。正確地預測隧道涌水量有助于合理預防隧道涌突水災害和節省工程費用。

經現場實際調查、地質資料收集和詳細分析，并在現場進行深孔壓水試驗獲取滲透系數。按照文獻[1]要求，結合文獻[11]提出的不同預測方法，分別采用大氣降水入滲法、地下徑流模數法、古德曼經驗式法、鐵路規范經驗式對桐梓隧道涌水量進行了預測。預測的隧道涌水量可作為桐梓隧道設計和施工的依據，也可為同類工程提供參考。

1 水文地質概況

桐梓隧道穿越的褶皺構造有東山背斜、高橋向斜、茅壩向斜，穿過的斷裂主要為開肩堡斷層、令狐家埡口斷層、出水孔斷層和夜貓洞斷層。測區地處松坎河、桐梓河和清溪河的上游，分別屬長江流域綦江水系、赤水河水系與烏江水系。松坎河、桐梓河和清溪河差異較大，但均為山區雨源型河流，主要由降水補給徑流，局部地下水有一定調節作用。場區屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫 14.7℃，極端最高 36.6℃，極端最低-6.9℃；多年平均降水量1037.3mm，年最大降雨量 1374mm，最大日降雨量173.3mm。隧址區地表無常年地表徑流。因山體高程落差大，地形坡度較陡，地表水分散排泄速度快，僅在雨季因降水及泉點水出露排泄于沖溝內集中徑流，形成短淺溪流。以地表分水嶺為界，重慶端地表徑流流入松坎河，遵義端流入桐梓河。

隧址區地層眾多，巖性多樣，組合復雜。上覆第四系土層分布零星，厚度不大。出露的基巖有：三疊系下統茅草鋪組(T1m)灰巖、夜郎組灰巖(T1y )泥巖夾泥灰巖，二疊系上統長興組(P3c)灰巖、龍潭組(P3l)煤系地層，二疊系中統茅口組(P2m)灰巖、二疊系中統棲霞組(P2q)灰巖夾炭質泥巖，志留系中統韓家店組(S1h)泥巖、石牛欄組(S1sh)泥質泥巖、下統龍馬溪組(S1l)泥質灰巖與泥巖互層，奧陶系中上統五峰組(O3w)、澗草溝組(O3j)、寶塔組(O2b)灰巖，奧陶系下統湄潭組(O1m)粉砂質泥巖夾灰巖。隧道穿越的碳酸鹽巖地層有二疊系中統棲霞組-茅口組(P2q-m)灰巖，二疊系上統長興組(P3c)灰巖，三疊系下統夜郎組(T1y)灰巖，三疊系下統茅草鋪組段(T1m)灰巖。巖溶發育形態主要為巖溶洼地、落水洞、溶洞、溶隙及暗河管道，受巖性和構造限制，多呈帶狀和塊狀出現。

區內出露地層多樣，根據地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質和水力特征，將區內地下水類型分為碳酸鹽巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水，以碳酸鹽巖巖溶水為主。

地表分水嶺與地下分水嶺總體一致，依據地表分水嶺及水文網所起的控制作用， 將區內分為三個水文地質區：松坎河流域水文地質區(Ⅰ)、桐梓河流域水文地質區(Ⅱ)、清溪河流域水文地質區(Ⅲ)，再按構造單元、地貌形態類型，劃分為 7 個亞區，亞區邊界是以隔水巖層和阻水斷層為界，見圖1。

2 桐梓隧道滲透系數試驗

結合桐梓隧道區水文地質情況，選擇有代表性鉆孔 ZK5(YK35+782左8m)、ZK6( ZK37+990右10m)、ZK7 (ZK42+395左8m)進行壓水試驗，以獲取各巖性段滲透系數。

參照文獻[12]進行壓水試驗，采用三級壓力五個壓水段進行，即按 P1—P2—P3—P4(=P2)—P5(=P1)進行，P1、P2、P3 壓力級分別為 0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa。安裝好實驗設備后，每隔 5min 進行一次觀測，當相鄰讀數之差小于最終讀數 10%時結束本次觀測。采用文獻[12]附錄D式D.1計算巖石的滲透系數，試驗壓力按照 1m=9.8kPa 進行折算。

根據桐梓隧道圍巖情況，將桐梓隧道劃分為40段分別計算滲透系數，其中YK44+055～YK44+290段滲透系數最小為0.012，YK42+315～YK42+395段滲透系數最大為0.435。

3 桐梓隧道涌水量預測

隧道各段涌水量采用降水入滲法、地下徑流模數法、古德曼經驗式法、鐵路規范經驗式進行預測，并對各方法預測結果進行對比分析。

3.1 大氣降水入滲法

Q=2.74α·W·A

(1)

式中：Q—隧道通過含水巖體地段的涌水量(m3/d)；

α—降水入滲系數；

W—降雨量；

A—隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。

通過現場水文試驗并結合相關經驗值選取降水入滲系數，降雨量選桐梓隧道區內日最大降水量173.3mm。隧道各段涌水量采用大氣降水入滲法，計算結果見表1。將各段降雨量累加得隧道最大涌水量為202093m3/d。

表1 大氣降水入滲法計算隧道涌水量

3.2 地下徑流模數法

Q=86.4×M×A

(2)

式中：Q—隧道通過含水巖體地段的涌水量(m3/d)；

M—地下徑流模數(l3/(s·km2))；

A—隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。

根據《桐梓幅1∶20萬區域水文地質調查報告》及相關經驗選取隧道區域最大徑流模數。根據隧道地下水匯水范圍，在1∶1萬地形地質圖上量測匯水面積。桐梓隧道各段涌水量采用地下徑流模數法計算結果見表2。桐梓隧道最大涌水量為189119m3/d。

表2 地下徑流模數計算隧道涌水量

3.3 古德曼經驗式

(3)

式中：Q—隧道通過含水體底端的最大涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(m/d)；

H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)；

D—洞身橫斷面等價圓直徑(m)；

L—隧道通過含水體的長度(m)。

根據圍巖情況，將桐梓隧道劃分為40段，洞身橫斷面等價圓直徑取為22m。各段含水體滲透系數根據水文地質試驗所得數據及相關經驗綜合取值，靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離根據各鉆孔的穩定水位及水流坡度綜合確定。

按古德曼經驗式法預測隧道正常涌水量排前5的隧道計算結果見表3。

表3 古德曼經驗式法預測隧道涌水量

將桐梓隧道40個段預測涌水量相加可得到總涌水量。通過各段預測涌水量累加，按古德曼經驗式法預測隧道涌水量為192467m3/d。

3.4 鐵路經驗公式法

(1)按鐵路經驗公式I預測正常涌水量見式(4)

Q0=KH(0.676-0.06K)·L

(4)

式中：Q0—正常涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(m/d)；

H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)；

L—隧道通過含水體的長度(m)。

(2)按鐵路經驗公式II預測最大涌水量見式(5)

Q=(0.0255+1.9224KH)·L

(5)

式中：Q—最大涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(m/d)；

H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)。

同樣地，將桐梓隧道劃分為40段，各段含水體滲透系數、靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離的取值與古德曼經驗式法相同。

按鐵路經驗式法I預測隧道正常涌水量排前5的計算結果及按鐵路經驗式法II預測隧道最大涌水量排前5的計算結果見表3。

表4 鐵路經驗式法預測隧道涌水量

將桐梓隧道40段預測涌水量相加可得到總涌水量。通過各段預測涌水量累加，按鐵路經驗公式I預測隧道正常涌水量為82256m3/d，按鐵路經驗公式II預測隧道最大涌水量為238955m3/d。

4 桐梓隧道涌水量預測分析

將大氣降水入滲法、地下徑流模數法、古德曼經驗式法、鐵路規范經驗式預測隧道最大涌水量列入表5。

表5 隧道涌水量表(單位： m3/d)

由表5可見：

(1)鐵路經驗公式法預測的隧道最大涌水量值最大，降水入滲法次之，古德曼經驗式法再次之，地下徑流模數法預測的隧道涌水量值最小。預測的隧道最大涌水量值介于189119～238955m3/d。

(2)地下徑流模數法、古德曼經驗式法、大氣降水入滲法等預測隧道最大涌水量較為接近。

(3)桐梓隧道涌水量很大，在設計和施工中應引起重視。特別是YK39+480～YK39+970段、YK41+425～YK41+545段涌水量、YK42+395～YK43+180段局部涌水量大，施工中應做好超前預報工作，采取合理措施，防止涌突水災害。

5 結論

通過分析桐梓隧道區域地質及水文地質條件，并按水文地質條件進行區段劃分，選擇降水入滲法、地下徑流模數法、古德曼經驗式法、鐵路規范經驗式等方法進行計算，并相互核對，確定桐梓隧道涌水量。

(1)依據地表分水嶺及水文網所起的控制作用，將桐梓隧道區分為三個水文地質區，再按構造單元、地貌形態類型，劃分為 7 個亞區，亞區邊界是以隔水巖層和阻水斷層為界。

(2)選取桐梓隧道區內日最大降水量(173.3mm)，按照隧道圍巖特性先計算隧道各段涌水，然后匯總得整個隧道涌水量。

(3)鐵路經驗公式法預測的隧道最大涌水量為238955m3/d，是4種方法預測隧道最大涌水量中最大的；地下徑流模數法預測的隧道最大涌水量為189119m3/d，是4種方法預測隧道最大涌水量中最小值。

(4)對于YK39+480～YK39+970段、YK41+425～YK41+545段涌水量、YK42+395～YK43+180段局部涌水量大，施工中應做好超前預報工作，采取合理措施，防止涌突水災害。