燕山隧道涌水量預測方法分析與對比

劉廣英

中國鐵路設計集團有限公司，天津300251

隧道建設中，地下水是影響施工進度、安全和造價的重要因素，極易引發涌突水。由于山嶺隧道含水介質的多樣性和復雜性，涌水量預測成為隧道勘察中的重點和難點。目前，估算隧道涌水量有確定性數學方法和隨機性數學方法兩大類。前者主要包括水文地質類比法［1］、水均衡法［2］、地下水動力學法［3］、數值法［4］等，后者主要包括灰色關聯法、時間序列分析法、頻譜分析法等。這些方法或多或少都建立在工程經驗或理想概念模型基礎之上，且受含水介質非均質和各向異性的影響，預測結果差別大。

本文以張唐（張家口—唐山）鐵路燕山越嶺隧道為研究對象，在現場調查、鉆探物探、室內外試驗成果基礎上，深入分析隧址區水文地質條件，采用公式法與數值法相結合的量化分析手段，對涌水地段和涌水量進行綜合預測；通過施工階段的水量觀測，對多種預測方法進行對比分析，得出適合燕山隧道涌水量預測的最佳方法。

1 工程概況

張唐鐵路是一條以貨運為主、客運為輔的能源運輸線。燕山隧道為張唐線上最長的越嶺隧道，雙洞單線，左線隧道全長21.085 km，右線隧道全長21.140 km；隧道地處燕山山脈西段，呈近東西向展布，地形溝壑縱橫，穿越兩大水系。

燕山隧道最大埋深位于轎頂山主峰南側，為557 m，最小埋深不足20 m［5-6］。隧道洞身巖性以大面積太古代界水地莊巖組片麻巖、淺粒巖為主，局部分布長城系串嶺溝組砂巖和頁巖、侏羅系張家口組安山巖、燕山期二長花崗巖和正長斑巖。隧道穿越龍關穹褶束Ⅳ級構造單元的華北地臺燕山臺褶帶北緣西段，地質構造復雜，洞身范圍內斷裂構造、褶皺構造和巖性接觸帶較為發育，不同方向、不同性質、多期活動的斷裂構造交錯在一起，構成隧道區內的主體構造格局。

隧址區地下水按含水介質類型及水力特征可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。孔隙水主要賦存于李家窯—八里莊一帶埋深較大的卵礫石層中，略帶承壓性。裂隙水主要賦存于基巖節理裂隙及斷裂構造中，斷層性質大多為張性，與上部孔隙水水力聯系密切。燕山隧址區天然地下水流場見圖1。可知，隧址區地下水在接受大氣降水補給后，以燕山山脊為地下水分水嶺，分別向東北和西南兩側方向形成徑流。由于洞身節理裂隙發育及發育較多小斷層，在雨季降水豐沛時為中等富水，施工時易發生突水涌泥等地質災害。

圖1 燕山隧址區地下水天然流場示意（單位：m）

2 涌水量預測方法

山嶺隧道建設與地下水環境是相互影響、相互制約的矛盾體。燕山隧道洞身巖性復雜多變，穿越大小不同斷裂破碎帶19條，個別地段富水性好，涌突水是主要的地下水環境問題，對隧道建設的影響尤為突出。因此，必須對隧道涌水量及其位置進行準確分析。

2.1 公式法

根據燕山隧道工程地質及水文地質特征，分別應用裘布依公式、佐藤邦明公式及經驗公式來預測其正常涌水量［7］。

1）裘布依公式

式中：Qs為隧道正常涌水量，m3∕d；L為隧道通過含水體的長度，m；K為含水體的滲透系數，m∕d；H為洞底以上的潛水含水體厚度，m；h為洞內排水溝假設水深（一般考慮水躍值），m；Ry為隧道涌水地段的引用補給半徑，m；r為隧道寬度的一半，m。

2）佐藤邦明理論公式

式中：q0為隧道通過含水體地段的單位長度最大涌水量，m3∕（s·m）；m為換算系數，一般取0.86；h2為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m；r0為洞身橫斷面的等價圓半徑，m；hc為含水體厚度，m；qs為隧道單位長度正常涌水量，m3∕（s·m）；εˉ為試驗系數，一般取12.8。

3）鐵路勘測規范中的經驗公式［8］

2.2 數值法

為了建立一個正確且有意義的地下水流數值模型，須建立包含隧址區在內的等效水文地質概念模型。根據地下水流動系統理論，模型邊界應盡可能取自流動系統的自然邊界。因此，計算模型在平面上以燕山隧道東西兩側寬大溝谷為界，南邊界東段以穿越摩天嶺的小型分水嶺為界，西段靠近北莊—黃草梁的溝谷，北至周村—方家溝—小龍王堂的溝谷。在垂向上，上部以地表為界，下部以節理裂隙不發育的基巖為界，平均模擬深度約540 m，最大模擬深度為1 200 m。

根據模擬區水文地質條件，地下水含水巖組主要由片麻巖、花崗巖、正長斑巖組成。由于局部地段節理、斷裂構造比較發育，孔隙連通性較好，宏觀上基巖山區上部含水介質可以等效為連續介質，賦存于其中的滲流體具有相對統一的水力聯系特征。考慮到隨著埋深增大，節理裂隙發育程度逐漸降低，將模擬區水文地質結構概化為非均質各向異性的雙層結構（軸對稱各向異性介質）。由于地下水含水系統概化為雙層結構，因此可將地下水流系統概化為平面二維流動系統。地面標高從1∶1 000地形圖上獲得，然后采用surfer 8.0中的克里格（Kriging）空間插值方法生成；根據模擬區鉆孔資料選取標高700 m處作為模擬層底部邊界。

含水層空間結構如圖2所示，其中x、y為1980坐標系，z為高程。

圖2 含水層空間結構模型

在水文地質概念模型的基礎上，根據質量守恒定律及能量守恒定律，確定地下水流數學模型為

式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為x、y、z方向滲透系數，m3∕d；Qi為第i口井的抽水量，m3∕d；δi為第i個單元的狄拉克函數；Ss為自由水面以下含水層儲水率，1∕d；t為時間，d；D為滲流區域；H0（x，y，z）為含水層的初始水位分布，m；Z為初始水頭值，m；w為垂向水量交換強度，m3∕（d·m2）；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；n為邊界外法線方向；Kn為邊界法線方向滲透系數，m3∕d；H1為研究區第一類邊界已知水頭函數，m。

使用有限差分方法求解式（5）—式（10），選取隧址區內8個觀測孔的實測水位作為擬合對象進行模型的驗證，經過反復調試，驗證結果見表1。可知，計算水位擬合精度較高。由此優選所得的水文地質參數值與水文地質條件基本相符，能夠反應模擬區內地下水含水系統特征。

表1 實測水位與計算水位對比

在此基礎上，通過將隧道周邊地下水位降至隧底（隧底高程為905～1 005 m），就可統計得到不同里程段隧道正常涌水量估算值。

3 結果及分析

基于公式法及數值法計算了燕山隧道的正常涌水量，同時在施工過程中開展水文觀測，涌水量對比結果見圖3。可知：各種預測方法均顯示在隧道洞身里程DK63+180—DK65+190對應的隧道涌水量最大，其 次 是里程DK60+270—DK63+180和DK65+190—DK68+230，這與現場實測結果一致。根據燕山隧道勘察資料［5-6］，隧道里程DK60+270—DK68+230地表為龍關盆地，盆地為周邊山區地下水的匯集地帶，隧址區個別地段發育大的斷裂構造帶，地下水豐富。

圖3 不同里程段預測與實測涌水量對比

燕山隧道洞身圍巖類別統計結果見表2。結合圖3和表2可知：隧道涌水量與圍巖級別密切相關，DK63+180—DK65+190區段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比100%，DK60+270—DK63+180區段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比56%，DK65+190—DK68+230區段Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比80%。

表2 燕山隧道洞身圍巖類別統計

燕山隧道涌水量預測是一個錯綜復雜的問題，涌水量大小與地形地貌、地層巖性、地質構造及地下水類型有關。燕山隧道是裂隙圍巖特長大深埋隧道，涌突水具有強烈的不確定性和隨機性，加之該隧道對勘察精度要求較高，因此選用適宜的方法對涌水量進行合理預測意義重大。通過基于公式法及數值法的隧道正常涌水量預測，與實測涌水量進行對比分析，發現各方法預測值與實測涌水量比值差異較大，見圖4。

圖4 不同里程段預測值與實測涌水量比值

由圖4可知：裘布依公式法與實測涌水量的比值為27%～54%，平均43%；佐藤邦明公式法為95%～340%，平均269%；經驗公式法為47%～189%，平均149%；數值法為87%～103%，平均94%。各種涌水量預測方法都有其局限性和適用性，針對燕山隧道，預測精度從高到底依次為數值法、經驗公式法、裘布依公式法、佐藤邦明公式法。其中佐藤邦明公式法預測值嚴重偏大，是實測值的2～3倍；而裘布依公式法預測值不足實測值的一半，嚴重偏小；經驗公式法預測精度一般；數值法預測精度最高，預測值與實測值相差10%左右。

數值法預測結果的準確性取決于所建立的水文地質數值模型是否盡可能貼近實際。燕山隧道是Ⅰ級高風險隧道，勘察精度高，較準確地查明了隧址區水文地質條件，為開展數值法預測涌水量提供了條件。

4 結語

采用單一公式法進行長大隧道涌水量的預測，精度較差，容易造成設計不足，導致工程事故，或者過于保守造成人力物力財力的浪費。在詳細查明隧址區地質條件的基礎上，合理概括水文地質概念模型，采用理論計算與數值模擬相結合的方法對隧道涌水位置及涌水量能進行合理預測，可以提高預測精度，經過實踐驗證，這種涌水量預測方法在特長深埋隧道勘察中具有推廣應用價值。