確定性涌水量預(yù)測模型在中梁山地鐵隧道中的應(yīng)用研究

王先義，吳 強(qiáng)，王元元

（重慶交通大學(xué)研究生部，重慶 400074）

0 引言

隧道的修建會打破隧道所經(jīng)區(qū)域原有的水平衡，嚴(yán)重的將給上部區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成嚴(yán)重影響。目前對于隧道涌水量的預(yù)測，大多依賴于經(jīng)驗(yàn)預(yù)測。本文結(jié)合重慶市軌道交通一號線中梁山隧道，將采用多種確定性模型方法，在中梁山隧道工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報告基礎(chǔ)上，對涌水量進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的定量計算和預(yù)測，結(jié)合具體工況的基礎(chǔ)上，為施工提出防治涌水的相應(yīng)措施。

1 隧道涌水量預(yù)測方法

1.1 比擬法

1.1.1 比擬法是根據(jù)已建與新建隧道的水文地質(zhì)相似性，對涌水的預(yù)測，計算公式如下［1］：

式中：Q——擬建隧道的涌水量，m3/d；

Q0——導(dǎo)坑或已建隧道的涌水量，m3/d；

F——擬建隧道過水面積，m2；

F0——導(dǎo)坑或已建隧道的過水面積，m2；

S——擬建隧道正洞地下水位下降值，m；

S0——導(dǎo)坑或已建隧道正洞地下水位下降值，m；

B——擬建隧道的洞身斷面周長，m；

B0——導(dǎo)坑或已建隧道的洞身斷面周長，m；

L——擬建隧道通過含水體的寬度，m；

L0——導(dǎo)坑或已建隧道通過含水體的寬度，m。

據(jù)比擬法預(yù)測，隧道施工期最大涌水量10450.1 m3/d，雨洪期最大涌水取2倍，即20900.2（m3/d）。

1.2 徑流模數(shù)法

徑流模數(shù)法是把山區(qū)河流的枯水期流量當(dāng)做地下水的補(bǔ)給量，隧道預(yù)測涌水量計算可用下式［1］：

式中：Q——為地下水徑流量，m3/d；

M——地下徑流模數(shù)；

F——含水層出露面積，km2；

L——擬建隧道距分水嶺的距離（km），擬建隧道距南側(cè)分水嶺13km；

B——擬建隧道出露寬度，km。

利用徑流模數(shù)法計算涌水量，結(jié)果如表1所示。

表1 徑流模數(shù)法、大氣降水入滲法、解析法涌水計算

1.3 大氣降水入滲法

適用于埋藏深度較淺的越嶺隧道，也適用于巖溶區(qū)［2］，計算式為：

式中：Q——大氣降水滲入法計算的隧道涌水量，m3/d；

α——入滲系數(shù)；

W——年平均降雨量，mm，擬建隧道年平均降水量為1 222mm；

A——集水面積，km2；

L——擬建隧道距分水嶺的距離，擬建隧道距南側(cè)分水嶺13km；

B——擬建隧道出露寬度，km。

大氣降水入滲法計算涌水量如表1。

1.4 解析法

解析法是以地下水動力學(xué)原理為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)的解析的方法對給定邊界條件和初值條件下的地下水運(yùn)動運(yùn)動解析關(guān)系式，進(jìn)而預(yù)測隧道涌水。解析法預(yù)測隧道涌水，包括穩(wěn)定和非穩(wěn)定流理論，分別以裘布衣和泰斯公式為代表。在他們的基礎(chǔ)上，人們根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了很多預(yù)測用水量的經(jīng)驗(yàn)公式，較為常見的有：前蘇聯(lián)的柯斯嘉科夫公式、吉爾斯基公式、日本的佐藤邦明公式和落合敏郎公式等。

對于基巖山地越嶺隧道，含水體為無界潛水，含水體為無線寬度，涌水量采用柯斯嘉科夫法［3］為：

涌水影響半徑采用庫金公式：

式中：Q——隧道涌水量，m3/d；

K——含水層滲透系數(shù)；

R——隧道寬度的一半，m；

B——隧道通過含水層長度，m；

H——靜止水位至隧道底的厚度，m；

h——水位下降曲線在隧道邊墻上的高度（m），S＝H－h(huán)，當(dāng)H足夠大、h值較小時，取S＝H；

R——隧道涌水影響半徑，m；

α——修正系數(shù)，α＝π/2＋H/R。

解析法隧道涌水量計算見表1，其中r=5.72m。

2 隧道涌水預(yù)測與實(shí)際驗(yàn)證

2.1 隧道涌水預(yù)測與實(shí)測涌水情況對比

2.1.1 通過對中梁山地鐵隧道涌水量的實(shí)測，比擬法和地下徑流模數(shù)法計算的涌水量與實(shí)際較接近。而大氣降水入滲法以及解析法計算結(jié)果與實(shí)測涌水量偏差較大。

2.1.2 隧道開挖至K26+522和K26+502，經(jīng)鉆孔，出現(xiàn)了大量涌水，最大涌水量分別為10 000m3/d和10 560m3/d，水壓最大達(dá)到了2.1MPa。隧道施工至K26+546時，歌樂山鎮(zhèn)金剛村余家灣水庫提灌站室內(nèi)發(fā)生面積約3m2的地面塌陷，疑似與隧道涌水有關(guān)。經(jīng)隧道涌水量實(shí)測，其值遠(yuǎn)小于預(yù)測值［4］，排除了隧道涌水的影響。

2.2 涌水處理方法和效果

對上述隧道涌水情況，現(xiàn)場對K26+522～K26+497和K26+502～K26+474段注漿堵水修護(hù)，使受損巖體得到很好修護(hù)。經(jīng)注漿堵水后，檢查孔內(nèi)水流量均小于0.2L/min·m，注漿修護(hù)效果好。對于地面塌陷，也及時用混凝土進(jìn)行了封堵，并及時跟蹤監(jiān)測分析，塌陷情況得到了很好的控制。

3 結(jié)論

3.1 隧道涌水量的預(yù)測，單一的預(yù)測方法顯然是不夠的，應(yīng)采用多種預(yù)測方法相互印證，本例中比擬法和地下徑流模數(shù)法預(yù)測結(jié)果相近，并接近實(shí)測涌水量。其一是作為本中梁山地鐵隧道與比擬的幾條隧道水文地質(zhì)條件基本相同。其二是地下徑流模數(shù)法計算式簡明，計算所選參數(shù)較準(zhǔn)確。

3.2 大氣降水入滲法和解析法預(yù)測值與實(shí)測涌水量相差較大。大氣降水入滲法和解析法做為確定性隧道涌水量計算模型，公式本身是經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)并在一定工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，他們的準(zhǔn)確性是不容懷疑的。造成與隧道實(shí)測值相差較大的原因，一是隧道實(shí)際受到應(yīng)力場、滲流場、溫度、時間及空間場等相互影響，給參數(shù)的確定造成了誤差；二是公式所用參數(shù)較多，誤差傳遞值就會增大。

3.3 對隧道涌水量的預(yù)測工作，應(yīng)該在熟悉勘察資料基礎(chǔ)上，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報，由豐富經(jīng)驗(yàn)的人擔(dān)任，才能較準(zhǔn)確的預(yù)測隧道涌水情況，更可以對隧道突發(fā)涌水采取積極有效的應(yīng)對措施。

［1］朱大力，李秋風(fēng).預(yù)測隧道涌水量的方法［J］.工程勘察，2000，（4）：18-23.

［2］方振華，王鷹，馮濤.貴廣高速鐵坪山隧道涌水預(yù)測及涌水防治［J］.路基工程，2010，（1）：197-199.

［3］鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)實(shí)例［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［4］付開隆.渝遂高速公路中梁山隧道巖溶預(yù)測塌陷及涌水量分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，（2）：107-110.