隧道涌水量的類型劃分及預(yù)測方法

熊道錕，熊婧偲

（1.四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都 610081；2.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

隧道涌水量的類型劃分及預(yù)測方法

熊道錕1，熊婧偲2

（1.四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都 610081；2.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

根據(jù)工程應(yīng)用的目的不同將隧道的涌水量劃分為施工涌水量和長期涌水量，針對涌水量預(yù)測方法常常存在使用不當(dāng)?shù)膯栴}，在全面分析隧道涌水量預(yù)測方法的適用條件的基礎(chǔ)上，按不同的水文地質(zhì)條件提出了正確選擇隧道涌水量預(yù)測方法及其計算參數(shù)的建議。

隧道涌水量；類型；預(yù)測；方法

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，基本建設(shè)的速度不斷加快，無論是在鐵路、公路和水電建設(shè)中還是在城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中都興建了大量的隧道工程。雖然隧道的類型各不相同，既有穿越山地丘陵的山嶺隧道，也有穿越江河、湖泊和海洋的水下隧道，但處在水文地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是穿越溶隙和溶洞發(fā)育的強(qiáng)巖溶化地段的隧道，在施工和運行期間都不同程度地遭受過地下水的危害。日本東海道干線的舊丹那隧道，在1918年開工之后曾產(chǎn)生過6次大的突泥和突水，水壓高達(dá)1.4～4.2MPa，突水量最大達(dá)134.4m3/min，造成嚴(yán)重的人員傷亡，致使施工期長達(dá)16a之久，在貫通后的總涌水量仍然達(dá)到145 152m3/d。我國至1989年底，在穿越碳酸鹽巖的26座長隧道中發(fā)生過較大巖溶涌水災(zāi)害的達(dá)10座，占總數(shù)的38.64%。在西南和中南地區(qū)的17座巖溶長隧道中，有近50%的隧道發(fā)生過較大的巖溶涌水災(zāi)害。大瑤山隧道的班古坳豎井平導(dǎo)洞在施工時突發(fā)裹挾大量泥沙的巖溶水，造成豎井和洞內(nèi)設(shè)備被淹，中斷施工達(dá)1a之久；京原鐵路的驛馬嶺隧道于1972年產(chǎn)生高壓突水，造成停運1a；廣渝高速公路的華鎣山隧道也曾發(fā)生過水量高達(dá)686 880m3/d的涌水[1-2]。大量的涌水災(zāi)害實例表明，準(zhǔn)確地預(yù)測隧道的涌水量對隧道的設(shè)計、施工和運營都具有十分重要的價值。

近年來雖然大量的文獻(xiàn)都探討和論述過隧道涌水量的預(yù)測方法[1-5]，而且《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》對隧道涌水量的預(yù)測方法還作了較為詳細(xì)的規(guī)定[6]，但對于不同預(yù)測方法的適用條件和可能產(chǎn)生的偏差卻闡述得很少，致使在實際應(yīng)用中對預(yù)測方法的選擇和計算參數(shù)的選取普遍不合理，造成預(yù)測的涌水量偏差較大。

1 隧道涌水量類型劃分

1.1 影響涌水量預(yù)測精度的主要因素

在工程實踐中，盡管常常采用多種方法綜合預(yù)測隧道的涌水量，但其準(zhǔn)確性仍然不高。據(jù)統(tǒng)計，在我國的10多座有名的隧道中，預(yù)測的最大涌水量接近實際的僅占10%左右，預(yù)測的正常涌水量接近實際的僅占20%～30%[3]。鐵路隧道的預(yù)測涌水量與實際涌水量的誤差小于20%的僅占15%，誤差在20%～80%之間的占60%，誤差超過80%的達(dá)25%以上，部分隧道的預(yù)測誤差竟然達(dá)到數(shù)十倍，如襄渝線大巴山隧道的預(yù)測涌水量為4.14×104m3／d，施工時的最大涌水量達(dá)20.55×104m3／d[7]。造成實際涌水量與預(yù)測涌水量存在較大偏差的原因除水文地質(zhì)條件復(fù)雜之外主要有：

1）預(yù)測模型運用不當(dāng)。在文獻(xiàn)中提及的隧道涌水量預(yù)測方法大都沒有詳細(xì)論述涌水量計算公式適用的水文地質(zhì)條件，尤其是含水層的邊界條件，《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》也是如此，致使在預(yù)測涌水量時無法正確選擇適用于實際條件的計算公式。如用來預(yù)測陸地隧道涌水量的計算公式實際上只適合于水下隧道，預(yù)測施工期間涌水量的計算公式未包含掌子面的涌水量等。

2）參數(shù)選擇不合理。地下水主要接受大氣降水的補給，地下水位隨降水量的變化而出現(xiàn)季節(jié)性的起伏，隧道的涌水量也隨之而產(chǎn)生波動。涌水量的波動幅度一般為數(shù)倍，在巖溶發(fā)育地區(qū)可達(dá)數(shù)十倍甚至數(shù)百倍?？辈炱陂g的地下水位往往低于峰值水位，多年平均降水量則明顯低于峰值降水量，直接用來預(yù)測涌水量顯然偏小。隧道的施工常常也不在地下水位的峰值期，其實測涌水量不能與預(yù)測涌水量直接進(jìn)行比較，而應(yīng)換算為相應(yīng)條件的峰值涌水量。

1.2 隧道涌水量的類型劃分

研究隧道涌水量類型劃分的文獻(xiàn)并不多。石文慧將隧道的涌水量劃分為隧道總涌水量及突水量，其含義前者為隧道相對穩(wěn)定而持續(xù)流出的總水量（含衰減穩(wěn)定后的突水量），后者為突發(fā)性的危害極大的瞬時涌水量[1]；《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》將隧道的涌水量劃分為最大涌水量和正常涌水量，其含義分別為隧道或其他工程某段在含水體中掘進(jìn)時的峰值涌水量和隧道或其他工程的涌水達(dá)到大致穩(wěn)定時的涌水量[6]。上述定義在理論上并不嚴(yán)密，如掘進(jìn)時的峰值涌水量從字面上看是最大涌水量，是唯一的，而實際上隨施工方式、施工速度和施工期間降水量的多少而變化。

隧道在施工中和建成后的涌水量都隨降水補給量的大小而波動，需要加以防范的是比常見涌水量更大的峰值涌水量。按照防范的目的不同將隧道的涌水量劃分為施工涌水量和長期涌水量，前者指隧道在施工中遭遇給定頻率降水的峰值涌（突）水量，作為隧道施工期間排水設(shè)備配置等施工安全防護(hù)的依據(jù)；后者指隧道在運行期間遭遇給定頻率降水的峰值涌水量，作為隧道排水工程設(shè)計的依據(jù)?？紤]到安全性和防范成本的綜合平衡，給定頻率對一般工程可采用5%，重要工程可采用2%。

1.3 涌水量的表達(dá)形式

隧道的總涌水量只表達(dá)了總量的概念，根據(jù)含水層的滲透性和地下水位的差異分段預(yù)測、分段表示的涌水量更具實用價值。建議對長期涌水量自隧道最高點起按單向（單坡隧道）或雙向（人字坡隧道）沿隧道下坡方向分段表示累積涌水量，便于根據(jù)累積涌水量的差異分段設(shè)計不同斷面的排水工程。分段涌水量可用表格或折線圖表示。

2 隧道涌水量預(yù)測方法的適宜性評述

隧道涌水量的預(yù)測方法較多，歸納起來可以分為水文地質(zhì)比擬法、經(jīng)驗公式法、水均衡法、解析法和數(shù)值法。

2.1 水文地質(zhì)比擬法

簡稱比擬法或類比法。根據(jù)比較的因素不同可分為長度比擬法[8]、斷面積降深長度比擬法[1]、涌水面積降深比擬法[3,6]等。當(dāng)用于比較的因子較多時也可以采用模糊數(shù)學(xué)方法[3,9-11]或者灰色系統(tǒng)理論方法[12-14]等進(jìn)行比擬。

比擬法適用于各種隧道的施工涌水量和長期涌水量的預(yù)測，前提是涌水量的類型必須相同，其預(yù)測的精度取決于預(yù)測隧道與既有隧道的水文地質(zhì)條件的相似程度，由于影響因素較多其精度總體上都較低。2.2經(jīng)驗公式法

常見的經(jīng)驗公式有最大涌水量經(jīng)驗公式[2-7]，正常涌水量經(jīng)驗公式[2～7,15]和佐藤邦明經(jīng)驗公式[3,6]等。從本質(zhì)上說，經(jīng)驗公式法也是一種比擬方法，即與用來建立經(jīng)驗公式的那些隧道的涌水量進(jìn)行比擬。由于經(jīng)驗公式法利用的既有隧道的涌水量的數(shù)據(jù)較多，且考慮了滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)的變化，預(yù)測的精度一般較普通比擬法更高。

2.3水均衡法

水均衡法主要包括簡易均衡法[1,16]、降水入滲法[1,3,6～8,17～19]、地下徑流深法[3,6,16,18]和地下徑流模數(shù)法[1,3,4,6,8,16,18,20]等。與降水入滲法類似的還有洼地入滲量法[8,20]和井泉補給法[1,8]等。

水均衡法只適用于陸地隧道的涌水量預(yù)測。該方法源于地下水天然資源的評價，考慮到含水層儲存空間對地下水的調(diào)節(jié)作用和地下水資源的保障性，采用多年平均降水量和枯季徑流模數(shù)評價地下水資源量是合適的。但仍然采用與地下水資源評價相同的參數(shù)來預(yù)測隧道的涌水量，其結(jié)果大大偏小。

2.4 解析法

根據(jù)地下水滲流理論導(dǎo)出的預(yù)測隧道涌水量的解析計算公式較多，應(yīng)用也非常廣泛，但由于對公式的適用條件論述較少，實際應(yīng)用比較混亂。

阿拉文和努米洛夫公式[6]、佐藤邦明公式[3,6]、大島洋志公式[2～7,15,20]、Lei Shizhong公式[21]、Dimitrios K.和Peter公式[22]及古德曼公式[6]等用來預(yù)測隧道的最大涌水量往往都是不正確的。因為這些公式都是以地下水位高于地表為條件導(dǎo)出的涌水量計算公式，只是數(shù)學(xué)表達(dá)的形式有所不同，或者由于含水層厚度無限大、隧道橫斷面等價圓半徑與靜止水位至隧道橫斷面等價圓中心的距離之比很小而作了簡化。所以，上述公式只適用于水下隧道涌水量的預(yù)測，而不適用于陸地隧道的涌水量預(yù)測。

落合敏郎公式[3～5,7,8,20]、柯斯嘉科夫公式[1,4,7,20]、福希海默公式[3]、基坑涌水量計算公式[15,23]和裘布依理論公式[6]等都是未考慮洞頂進(jìn)水的隧道涌水量計算公式。落合敏郎公式雖然考慮了洞壁和洞底進(jìn)水，但在不考慮洞頂進(jìn)水條件下又采用地下水位高于地表時的公式計算洞底涌水量也是不當(dāng)?shù)模豢滤辜慰品蚬絼t是掌子面進(jìn)水部分的計算不合理；其它計算公式只考慮了隧道洞壁進(jìn)水而未考慮洞底進(jìn)水，若直接用于預(yù)測洞壁及洞底都有進(jìn)水的隧道的涌水量結(jié)果必然偏小。

2.5 數(shù)值法

數(shù)值法依據(jù)分割近似原理，用由若干彼此銜接的三角形（有限元法） 或方形、矩形（有限差分法）組成的連續(xù)不光滑的水頭面代替滲流場中光滑連續(xù)的水頭曲面，將非線性問題簡化為線性問題求解[24]。

數(shù)值法適用于各種水文地質(zhì)條件的隧道施工涌水量和長期涌水量的預(yù)測。通常采用二維和三維模型計算，預(yù)測的涌水量一般比較準(zhǔn)確，采用三維模型可以獲得更好的預(yù)測結(jié)果[25,26]。黃濤等使用數(shù)值法預(yù)測秦嶺隧道的涌水量為1 490 m3/ d ，實際涌水量為1 482m3/d，誤差僅為0.54%[24]。

3 隧道涌水量預(yù)測方法與計算參數(shù)選取

為避免因預(yù)測方法和計算參數(shù)選擇不當(dāng)造成的隧道涌水量預(yù)測偏差，根據(jù)需要預(yù)測的涌水量的類型和隧道的水文地質(zhì)條件，尤其是邊界條件，建議優(yōu)先選擇下列預(yù)測方法和計算參數(shù)。

3.1 施工涌水量預(yù)測

3.1.1 水文地質(zhì)比擬法

根據(jù)參與比擬的因素不同分別采用下列計算公式[1,3,6,8]式中：Q、0Q分別為擬建和既有隧道的涌水量，m3/d；L、0L分別為擬建和既有隧道通過含水層的長度，m；F、0F分別為擬建和既有隧道的橫斷面面積，m2；s、0s分別為擬建和既有隧道的水位降深，

m；A、0A分別為擬建和既有隧道的涌水?dāng)嗝婷娣e，m2。

3.1.2 經(jīng)驗公式法

可以采用與施工涌水量類似的最大涌水量經(jīng)驗公式[2-7]近似計算：

式中：cQ為隧道的施工涌水量，m3/d；K為含水層的滲透系數(shù)，m/d；H為靜止水位至隧道橫斷面等價圓中心的距離，m。

3.1.3 水均衡法

可以采用計入靜儲量的簡易均衡法[1,16]。

式中：sQ為地下水靜儲量，m3/d；dQ為地下水動儲量，m3/d；μ為含水層的給水度；V為隧道疏干部分的含水層體積，m3；α為降水入滲系數(shù)；A為隧道穿過部分含水層的集水面積，m2；X為隧道區(qū)給定頻率的日降水量，mm/d；其它符號同前。

3.1.4解析法

隧道施工涌水量為洞壁（包括洞頂、洞底和兩側(cè)壁）涌水量和掌子面涌水量之和。根據(jù)含水層厚度和邊界條件分別采用下列現(xiàn)有或作者提出的公式[式（8）-式（11）]計算洞壁的涌水量。當(dāng)隧道只有單側(cè)進(jìn)水時，預(yù)測的涌水量減半。

1）水下隧道。當(dāng)D<2/R，含水層厚度有限時[3,6]，

當(dāng)D<2/R，含水層厚度無限時[6]，

式中：D為隧道橫斷面等價圓中心的埋藏深度，m；R為隧道涌水的影響半徑，m，按或R=215.5+510.5K計算；Qs為隧道洞壁的涌水量，m3/d；r為隧道橫斷面等價圓半徑，m；T為含水層厚度，m；其它符號同前。

當(dāng)D>R/2時，采用陸地隧道的涌水量計算公式計算。

2）陸地隧道。

當(dāng)靜止水位高于隧道頂部，含水層厚度有限時，

當(dāng)靜止水位高于隧道頂部，含水層厚度無限時，

當(dāng)靜止水位低于隧道頂部，含水層厚度無限時，

當(dāng)靜止水位低于隧道頂部，含水層厚度有限時，

式中：b為含水層底板在隧道橫斷面等價圓中心下的深度（m）；其它符號意義同前。

當(dāng)含水層厚度無限大時，掌子面的涌水量采用下式計算[1]：

當(dāng)隧道底面為含水層底板時，掌子面的涌水量按下式計算[1]

需要特別說明的是，只要含水層底板在洞底下的深度大于影響半徑，均認(rèn)為含水層厚度是無限的。

3.1.5數(shù)值法

該方法適用于各種隧道的施工涌水量預(yù)測，精度較高。計算參數(shù)采用給定頻率的日降水量及相應(yīng)的靜止地下水位和含水層厚度。

3.2 長期涌水量預(yù)測

3.2.1比擬法

計算公式仍為式（1）、式（2）和式（3）。但既有隧道的涌水量采用長期涌水量。

3.2.2經(jīng)驗公式法

采用與長期涌水量類似的正常涌水量公式[2～7,15]和佐藤邦明公式[3,6]近似計算

式中：Ql為隧道的長期涌水量，m3/d；為經(jīng)驗系數(shù)，一般取12.8；其他符號同前。

3.2.3水均衡法

采用不考慮靜儲量的降水入滲法[1,3,6,8,,17-19]：

式中符號的意義同前，參數(shù)取值方法相同。

3.2.4解析法

長期涌水量只包括洞壁涌水量，不包括掌子面涌水量。

1）水下隧道。由于水文地質(zhì)條件相同，仍采用與施工涌水量相同的公式式（6）和式（7）計算。

2）陸地隧道。由于地下水疏干，洞頂無進(jìn)水，采用條件相同的計算公式式（9）和式（10）計算。

3.2.5數(shù)值法

適用于各種隧道的長期涌水量預(yù)測。參數(shù)的取值方法與施工涌水量的預(yù)測相同。

4 結(jié)論

1）目前得到廣泛應(yīng)用的隧道最大涌水量和正常涌水量的涵義不明確，考慮到地下水的波動，將給定頻率的峰值涌水量作為隧道的涌水量，按作用不同劃分為施工涌水量和長期涌水量，作為隧道施工期間的安全防護(hù)和隧道排水工程設(shè)計的依據(jù)。

2）隧道涌水量的預(yù)測方法并不是普遍適用的，不同的方法有不同的適用條件，應(yīng)用時必須按水文地質(zhì)條件選擇合適的預(yù)測方法，不可濫用。比擬法必須具有相似的水文地質(zhì)條件。

3）由于地下水位的波動性，預(yù)測隧道涌水量必須選擇合適的峰值參數(shù)，曾經(jīng)采用過的多年平均降水量和勘察時的地下水位都是不合理的，應(yīng)采用給定頻率的日降水量和相應(yīng)的地下水位進(jìn)行隧道涌水量的預(yù)測。

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Classification and Prediction of Tunnel Water Influx

XIONG Dao-kun1XIONG Jing-si2
(1-Chengdu Centre of Hydrogeology and Engineering Geology, BGEEMRSP, Chengdu 610081; 2-China Railway No.24 Bureau Group co., ltd, Shanghai 200071)

The tunnel water influx may be divided into construction water influx and long-term water influx according to different purposes of engineering application. This paper makes a suggestion on correctly selecting the methods and parameters for tunnel water influx prediction in different hydrogeological conditions.

tunnel water influx; prediction; method selection; parameter selection.

P64

A

1006-0995（2014）04-0561-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.020

2013-08-21

熊道錕(1958-)，男，漢族，重慶市萬州區(qū)人，工程碩士，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作及其基礎(chǔ)理論研究