深埋隧道斷裂帶涌水量預測分析

程小勇 黃勤健

摘要： 深埋特長隧道是高速公路建設當中的控制性工程，開挖過程中如遇到高壓涌水，必定對工程施工造成不利影響。鴻圖特長隧道因其受到蓮花山深大斷裂構造影響，隧道開挖過程中在火成巖張性裂隙中出現了強烈的高壓大流量涌水。以鴻圖特長隧道為例，選取受斷裂構造帶控制涌水的代表性洞段，采用古德曼經驗式對基巖段與斷裂帶涌水量分別進行統計計算。結果顯示：隧道K91+010～K91+550段主要斷層F2系列的預測最大涌水量為192 258 m3/d，與實際開挖最大涌水量189 576 m3/d基本吻合。該計算方法所得的涌水量更加貼合工程實際情況，對于該地質條件下的涌水量計算有著更強的適配性。

關 鍵 詞： 涌水量預測; 古德曼經驗式; 鴻圖特長隧道; 蓮花山斷裂

中圖法分類號： ?U452.1+1

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.020

0 引 言

隧道涌水預測研究已經有近半個多世紀的歷史，在涌水量預測問題上，人們根據隧道環境地下水所處地質體的不同性質、水文地質條件的不同復雜程度、施工的不同方式及生產的不同要求等因素，提出了隧道涌水量預測計算的確定性數學模型和隨機性數學模型兩大類方法。其中確定性數學模型方法包括水文地質比擬法[1-2]、徑流模數法[3]、簡易水均衡法[4-6]、地下水動力學法[7-9]和數值模擬法等。其中，王建秀[10]、Hwang[11]、左乾坤[12]、羅雄文[13]等學者對隧道涌水機制及其涌水量的預測進行了研究，推動了隧道涌水問題的發展，并且豐富了涌水量預測計算的相關方法。

深埋隧道的涌水量預測由于其具有埋深大、地質勘察難度大等特點，在預測上難度較大。本文以鴻圖特長隧道為例，由于其穿越蓮花山斷裂帶核部，在開挖時產生了高壓大流量涌水，其進口段左線ZK91+163、右線K91+169涌水量高達3 000 m3/h以上，瞬時最大水壓達4.8 MPa，加之其位于火成巖地區，在工程案例中十分罕見，涌水量預測具有一定的難度。因此，使用合適的涌水預測方法準確預測隧道涌水類型、部位、涌水強度及涌水量對隧道建設而言至關重要。

1 隧址區地質條件概述

大（埔）豐（順）（五）華高速公路是廣東省擬規劃高速公路網中的加密聯絡線，是梅州市南部區縣相互連接的交通主干線，也是梅州市高速路網的橫向連接線。鴻圖特長隧道起點位于豐順縣湯西鎮高己石以北約500 m處山坡，終點位于五華縣郭田鎮三渡水水庫南側的下麻石東約 120 m處山坡。

鴻圖特長隧道位于構造抬升侵蝕剝蝕中低山地貌區，山體寬厚、起伏較大，隧道的最大埋深達740 m。隧址區的地層巖性主要為侏羅系熔結凝灰巖和燕山期花崗巖[14-15]。隧道洞身以中、微風化巖為主，圍巖等級為Ⅱ～Ⅴ級。受區域性蓮花山深大斷裂多期次活動影響，隧址區整體呈現南東-北西兩側斷陷中間抬升的地壘式地貌特征。隧道洞身斷層構造等十分發育，又穿越熔結凝灰巖與花崗巖以及不同期次花崗巖的接觸帶，形成一個交錯的區域構造網絡，其巖性和構造條件都較為復雜。在隧道施工中出現了高壓大流量涌水問題，嚴重影響工程施工安全。

該地區屬南亞熱帶季風氣候區，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫21.2（五華）～21.7 ℃（豐順），多年平均降雨量1 519.7（五華）～1 865.6 mm（豐順），位于韓江和榕江兩大水系的分水嶺區域，溪溝發育，多年平均徑流量27.356億m3。

隧址區地下水類型根據其形成自然條件，運移規律、賦存空間特征可分為兩類，即松散巖類孔隙水和基巖構造裂隙水，松散巖類孔隙水呈局部分布，基巖裂隙水廣泛分布于工作區。根據資料，該地區的巖（土）層按風化強度依次可分為[16]：

（1） 地表風化殘積層。包括粉質黏土、碎石、粉質（砂質）黏土等，厚度8.0～15.5 m，滲透系數經驗值K=0.1 m/d。碎石的滲透系數經驗值K=50 m/d。

（2） 全風化帶。黃褐色，巖芯呈堅硬土狀，結構清晰，巖石已完全風化，手捏易散。零星分布，厚度6.0～8.5 m。滲透系數經驗值K=0.100 m/d。

（3） 強風化帶。巖質較軟，半巖半土狀巖芯遇水易軟化。局部分布，厚度1～40 m。滲透系數經驗值K=0.050～0.100 m/d。

（4） 中風化帶。巖石節理裂隙很發育，裂隙面多見鐵銹浸染，巖質較硬，局部分布厚度4～30 m。滲透系數經驗值K=0.03 m/d。

（5） 微風化帶。巖體堅硬，節理裂隙發育，風化程度低，呈塊狀結構，最大揭示厚度為25 m。滲透系數經驗值K=0.008 m/d。

由于區域受到蓮花山深大斷裂帶的影響，該地區呈現南東-北西兩側斷陷中間抬升的地壘式地貌特征[17]，主要表現為由復式向斜以及廣泛發育的以北東向斷裂帶為主，北西、東西向斷裂為次的構造格局。隧址區的涌水構造大都是與北東向主干斷裂帶有關的次一級束狀平行或斜切斷裂，而次一級的北西向斷裂和東西向斷裂則將多條北東向主干斷裂連通了起來，這些斷裂互相交錯連通，構成了區域構造網絡，為地區的基巖裂隙水提供了發育條件。而錯綜復雜的構造也使得該區域的水文地質條件復雜多變[18]，隧道涌水變得難以預測，對施工也造成了很大的困擾。

2 隧道早期涌水量預測

鴻圖特長隧道的最大涌水量預測主要使用了古德曼經驗式[19-20]，見公式（1）。各個區段內的最大涌水量計算結果見表1。

Q0=L 2πKH ln 4H d?? （1）

式中：Q 0 為隧道通過含水體地段的最大涌水量，m3/d;K為含水體滲透系數，m/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m，本次采用塊段平均距離;d為洞身橫斷面等價圓直徑，m;L為隧道通過含水體的長度，m。

本次預測的隧道正常涌水量為單線涌水量，由于該隧道設計為分離式隧道，左右線洞室間距約為35 m，故整體隧道洞室建議正常涌水量按2倍計算，即按26 484.36 m3/d考慮。另外，在特大暴雨等極端情況下，預測整體隧道洞室的最大涌水量總和達144 274.74 m3/d（22.76 m3/（d·m））。

3 開挖后實際涌水量及其影響因素

3.1 開挖后涌水量變化

隧道開挖后，涌水地段如圖1如示。在K91+010～K91+380段的涌水量較大，根據古德曼經驗公式的計算該段單線最大涌水量為40 548.38 m3/d。實際開挖中，在2019年11月14日，左線出現最大涌水量為66 456 m3/d;2020年1月13日，右線K91+343處出現最大涌水量為80 520 m3/d。2019年11月14日，該地段施工中雙線最大涌水量最高達到107 256 m3/d，此時左洞該區段涌水量為66 456 m3/d，右洞該區段為40 800 m3/d，在開挖過程中在此段揭露斷層F2-1。

K91+380～K91+550段，根據古德曼經驗公式的計算單線最大涌水量為19 619.04 m3/d。實際開挖中，在2020年5月20日，左線于ZK91+465處出現該段最大涌水量，為38 448 m3/d;在2020年4月23日，右線于K91+397處出現最大涌水量，為64 800 m3/d，同時在這一天出現了該區段的雙線最大涌水量，最高達到82 320 m3/d，此時左洞涌水量為17 520 m3/d，斷層F2-2～F2-5、F2-6和F4-5經過該區段。

可以看出實際涌水量與前期古德曼經驗式預測的數值相差較大，其原因主要是鴻圖特長隧道位處火成巖，巖體本身的滲透系數較小，主要的涌水多來自于該區域的富水斷裂帶，因此對斷裂帶的研究分析對閘明這一區域高壓大流量涌水的由來十分重要，而原預測方法未凸顯出富水斷裂帶在涌水量計算中的影響。

3.2 相關斷層概況

斷層F2-1～F2-5都為F2-6的次級斷裂面，F2-1、F2-3和F2-5這3條斷裂在隧道開挖過程中均有揭露且都有程度不一的滲水漏水現象。

F2-1斷層走向北東，傾向南東，傾角63°，為張性斷層，大概位置為K91+300左120 m處，破碎帶的可見寬度大于3 m，其中發育構造巖，并且有明顯滲水現象。

F2-3斷層走向北東，傾向北西，傾角80°，為張性斷層，大概位置為K91+400處，位于高壓富水段落中。破碎帶的可見寬度大于3 m，其中發育構造巖，斷裂帶中巖體破碎，裂隙十分發育，并且有著明顯的滲水現象。

F2-5斷層走向北東，傾向北西，傾角65°，為張性斷層，大概位置為K91+424處，位于高壓富水段落中。其在鴻圖特長隧道上部的引水隧洞中揭露，破碎帶可見寬度大于5 m，其中發育構造巖，斷裂帶中有強烈的蝕變現象，并且漏水較為嚴重。

F2-6斷層走向北東東，傾向南東，傾角83°，為張扭斷層，斷層硅化帶長度大于1 km，位于高壓富水段落中，與隧道在K91+500位置呈約45°角相交，寬約6～15 m。斷層中可見塊狀石英脈、碎裂巖和硅化破碎火山巖等，滲透系數經驗值K=20 m/d。在ZK91+320附近，根據地面物探顯示，該處電阻率等值線陡傾，發育有斷層。

F4-5斷層走向北北西，傾向多變，北段傾向南西，南段傾向北東及東，傾角84°，為張性斷層，自風門坳以北往南東經油魚壩坑、礤肚一帶延伸，斷層中可見輝綠巖脈、塊狀石英脈、斷層角礫巖等，斷層局部裂隙較發育，出露寬度約為6～10 m。

4 分段預測涌水量

由于鴻圖特長隧道位于火成巖區域，區域基巖的滲透系數相對較小，因此在對涌水量進行預測的時候，應加大斷裂帶在涌水計算中的權重。本文以古德曼經驗公式為基礎，對上述區段內的涌水量進行補充計算，將區段內的涌水量分為基巖和斷裂帶兩部分分別計算，最終將二者相加得到該區域的最大涌水量值。

4.1 基巖段涌水量

在基巖段部分根據古德曼經驗公式進行最大涌水量的計算，由于該區段在目前隧道開挖部分中屬于涌水量最為異常的部分，在該區段開挖揭露了斷層F2-1～F2-5、F2-6與F4-5，該區段的主要涌水都集中于這幾條斷層及其周邊的次級斷裂和裂隙，因此將斷裂涌水量單獨計算，剩余基巖段則看作微風化巖體進行計算，取其平均滲透系數經驗值K=0.008 m/d，另外隧道通過含水體的長度L也將減去斷裂帶的寬度進行計算。計算得到表2。

4.2 斷裂帶涌水量計算

由于K91+010～K91+550段埋深較大，在斷裂帶涌水中體現的承壓性強，因此使用承壓含水層裘布依理論公式[21]，即公式（2）對斷裂帶涌水量進行計算，得到表3結果。

Qs=2.73 KMS lgR-lgr? （2）

式中：Qs為計算段的隧道正常涌水量，m3·d;K為含水體滲透系數，m/d;S為含水層水位降深，m;R為影響半徑，m，一般可利用經驗公式計算;r為洞身橫斷面等價圓半徑，m;M為含水層厚度，m。

其中斷裂帶的滲透系數K值為前期勘探報告中總結的經驗值，含水體厚度是根據該區域風化層厚度資料結合隧道地形剖面圖計算得出的中微風化部分與新鮮基巖段的厚度選取，影響半徑是通過水文地質條件大致所取的平均值。

根據以上數據可看出：在K91+010～K91+550這一區段處，該區段隧道左右線的最大涌水量為斷層涌水量與基巖涌水量之和，192 258 m3/d，實際測得的最大涌水量189 576 m3/d，在總量上二者較為相近。但將區段分離為K91+010～K91+380段與K91+380～K91+580段時可以看出前者的最大涌水量較之后者多出24 936 m3/d;而在計算結果中可以看出，K91+380～K91+580段的最大涌水量則是遠遠大于K91+010～K91+380段。這說明了斷層之間存在著水力聯系，當開挖到某一斷層時會導致該斷層聯動周邊甚至是外開挖區段斷層中的構造裂隙水，從揭露的斷層中一同涌出，出現大于預期的涌水量，這也解釋了在開挖至K91+380段之后，雖然導水斷裂更加發育，涌水量卻未能達到預測值這一現象。

古德曼經驗公式計算中將各個區段都概化為均質含水層，而實際的涌水量則取決于該區段的斷層揭露位置、寬度和斷層間水力聯系等因素，因此與實際涌水量比起來數值偏小。同時整個計算區段的最大涌水量計算值與實際涌水量相近也可以體現出該區段的斷層雖然分布不均，但是其在總體上涌水量則符合實際，可以看出這些斷層在隧址區內存在著一定的水力聯系。

5 結論及建議

（1） 由于隧址區地處蓮花山斷裂的核部，區域呈地壘式構造，其中發育有縱橫交錯的構造網絡，因此在針對類似涌水問題時，由于基巖裂隙水占隧道涌水的主要部分，在涌水量的計算上應當以斷裂帶為涌水的主要影響因素，增加構造裂隙水在其中的權重，方能使計算結果更加契合實際工程。

（2） 估算涌水量時將含水層概化為均質各向同性的理想狀態，實際上隧址區含水層（體）為非均質的各向異性巖體，且隧道埋深大，受地形地貌及構造等因素影響，難以準確界定隧道開挖時的匯流面積，且隧道開挖時地下水流場變得復雜，在計算中易產生誤差。

（3） ?在計算中可以看出，當區域構造網絡發達時，對于單一斷裂帶涌水量的計算往往會因為其連通了周邊富水斷裂中的構造裂隙水而使得實際涌水量偏大，甚至遠遠超過預期值，而區域構造網絡的一體化以及隧道的大埋深也使得涌水呈現出高壓力、大流量等特點。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

程小勇，黃勤健.深埋隧道斷裂帶涌水量預測分析

[J].人民長江，2021，52（8）：133-136，150.

Prediction of water inflow in deep-buried tunnel controlled by fault zone

CHENG Xiaoyong 1，HUANG Qinjian 2

（ 1.Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510507，China; 2.School of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China ）

Abstract：

The deep-buried extra-long tunnel is a control project in the construction of expressway.If the high-pressure water gushing is encountered in the process of excavation，it will have an adverse impact on the construction of the project.The Hongtu extra-long tunnel was affected by the deep and large Lianhuashan fault.During the tunnel excavation，there was a strong high-pressure and large-flow water gushing in the tensile fissure of igneous rock.Taking the Hongtu extra-long tunnel as an example，for representative tunnel section of water gushing controlled by fault structure zone，we calculate the water gushing quantity of bedrock section and fault zone respectively by Goodman empirical formula.The results show that the predicted maximum water inflow of the main fault F2 series in K91+010～K91+550 is 192 258 m3/d，which is basically consistent with the actual excavation maximum water inflow 189 576 m3/d.The water inflow calculated by this method is more suitable to the actual situation of the project and has a stronger adaptability to the calculation of water inflow under this geological condition.

Key words：

prediction of water inflow;Goodman Empirical Formula;Hongtu extra-long tunnel;Lianhuashan fault