小相嶺公路隧道幾種預(yù)測涌水量方法的比較

韓志遠(yuǎn) 凌 佳

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

小相嶺公路隧道幾種預(yù)測涌水量方法的比較

韓志遠(yuǎn) 凌 佳

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

以小相嶺公路隧道涌水量預(yù)測為例，詳細(xì)介紹了預(yù)測隧道涌水量的方法，討論了其計(jì)算步驟、公式及適用條件，指出在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)適用條件，合理選擇預(yù)測方法，以獲得較好的預(yù)測效果。

隧道涌水量，地質(zhì)條件，預(yù)測，方法

0 引言

為保證隧道安全設(shè)計(jì)和正常施工，須采用有效的計(jì)算方法來準(zhǔn)確預(yù)測隧道涌水量。我國自20世紀(jì)80年代起開始對隧道涌水量的預(yù)測進(jìn)行系統(tǒng)的研究，提出了很多預(yù)測方法和適用條件[1]，本文結(jié)合小相嶺公路隧道工程實(shí)例來簡單介紹幾種實(shí)際工作中常用的隧道涌水量預(yù)測方法。

1 小相嶺隧道水文地質(zhì)條件

測區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，多為山區(qū)性河流，河谷深切，峽谷眾多，河流屬雨源及雪融型，水位、流量受大氣降水的季節(jié)性變化影響顯著，枯水季節(jié)常以排泄地下水來維持其徑流。隧道穿越區(qū)域分水嶺，進(jìn)出口洞門海拔位置較高，隧道上方地形為單一“人”字坡，有利于地表水的排泄，不利于大氣降水的入滲補(bǔ)給。根據(jù)巖性、構(gòu)造、地形地貌等等條件，可將小相嶺隧道洞身大致分為以下四個(gè)

段落：

K19+030～K19+600段巖性主要為中?！至r屑砂巖及長石砂巖與礫巖互層，厚～巨厚層，節(jié)理一般發(fā)育，巖體較完整，地下水為基巖裂隙水，主要賦存于砂巖、礫巖風(fēng)化裂隙中，透水性較差，地下水發(fā)育較弱。

K19+600～K20+350段為主要的構(gòu)造發(fā)育段，隧道依次穿過“向斜—逆斷層—背斜”構(gòu)造，巖性以厚～巨厚層砂巖為主，背斜核部(K19+928～K20+137段)為厚～巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r。該段受構(gòu)造作用，裂隙發(fā)育，透水性較好，沿構(gòu)造軸線兩端有河流經(jīng)過，可通過構(gòu)造帶補(bǔ)給地下水，該段地下水較發(fā)育。

K20+350～K21+800段巖性主要為厚～巨厚層砂巖，局部夾礫巖、頁巖，節(jié)理不發(fā)育，巖體較完整，透水性差，地下水不發(fā)育。

K21+800～K23+080段巖性主要為砂巖與頁巖互層，節(jié)理不發(fā)育，巖體較完整，透水性差，地下水不發(fā)育。

綜上，可以初步判定隧址區(qū)一般地段地下水富水程度弱，屬貧水區(qū)，褶皺發(fā)育段、斷裂發(fā)育段及可溶巖段內(nèi)，地下水富水程度相對較高，屬中等富水區(qū)。

2 本隧道所采用的預(yù)測方法

本文選取6種常用方法對小相嶺隧道涌水量進(jìn)行計(jì)算，以相互對比印證。在預(yù)測時(shí),需根據(jù)洞身的富水性對隧道進(jìn)行分段，分別計(jì)算出各段的正常涌水量和可能最大涌水量，最后再綜合成整體隧道的涌水量[2]。

2.1 水文地質(zhì)比擬法

該法強(qiáng)調(diào)擬建與已建隧道水文地質(zhì)條件相似，要求已建隧道要有長期的涌水量觀察資料，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。公式如下：

F=B·L

(1)

F′=B′·L′

其中，Q，Q′分別為擬建、已建隧道的正常涌水量或最大涌水量，m3/d；F，F(xiàn)′分別為擬建、已建隧道的涌水面積，m2；s，s′分別為擬建、已建隧道自靜止水位計(jì)起的水位降深，m；B，B′分別為擬建、已建隧道洞身橫斷面的周長，m；L，L′分別為擬建、已建隧道通過含水體的長度，m。

從巖性、構(gòu)造、地形地貌、降雨量等條件綜合考慮，選取已貫通的合福鐵路五城隧道作為參考來計(jì)算小相嶺隧道正常涌水量(見表1)。

表1 小相嶺隧道與五城隧道水文地質(zhì)條件對比

五城隧道貫通后枯水期實(shí)測正常涌水量Q枯′=1 866.2 m3/d，豐水期正常涌水量按枯水期涌水量兩倍考慮，Q豐′=3 732.4 m3/d，全年正常涌水量按枯水期1.5倍考慮，Q′=2 799.36 m3/d。

五城隧道斷面周長B′=42.8 m，小相嶺隧道斷面周長B=33.4 m。

據(jù)比擬法計(jì)算公式可得小相嶺隧道的正常涌水量Q枯=1 203.2 m3/d，Q豐=2 406.4 m3/d，Q=1 804.8 m3/d。

2.2 評分法

在踏勘和初測階段，可采用評分法概略預(yù)測隧道最大涌水量。根據(jù)TB 10049-2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程表B.3.3-2《隧道最大涌水量概略預(yù)測表》，累計(jì)相加確定，計(jì)算過程及結(jié)果見表2。

表2 評分法預(yù)測隧道涌水量

2.3 地下水徑流模數(shù)法

該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，對巖性較為單一，水文地質(zhì)條件較簡單的地區(qū)較為實(shí)用。

Qs=M·A

M=Q′/F

(2)

A=L·B

其中，Qs為隧道通過某含水體范圍的正常涌水量，m3/d；A為隧道通過某含水體范圍的集水面積，km2；M為地下水徑流模數(shù)，m3/(d·km2)；Q′為枯水期地下水補(bǔ)給的河流的流量或下降泉流量，m3/d；F為與Q′相當(dāng)?shù)牡乇砹饔蛎娣e，km2；L為隧道通過某含水體范圍的長度，km；B為隧道涌水地段L長度內(nèi)對兩側(cè)的影響寬度，km。

涌水影響寬度的確定是該法的重點(diǎn)之一。首先應(yīng)考慮用調(diào)查法確定涌水影響寬度，當(dāng)隧道通過匯水盆地(洼地或富水構(gòu)造等)，該匯水盆地可作為該段隧道的集水面積，用其平均寬度作為該段隧道的涌水影響寬度。若難以通過調(diào)查法確定涌水影響寬度時(shí)，可用《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》的經(jīng)驗(yàn)式來計(jì)算。

R=215.5+510.5K

(3)

其中，R為隧道涌水影響半徑，m；K為含水體滲透系數(shù)，m/d。

本隧道K20+150～K21+800段因難以通過調(diào)查法確定影響寬度，故采用經(jīng)驗(yàn)式來計(jì)算，其余范圍用調(diào)查法確定，具體數(shù)值見表3。

表3 地下水徑流模數(shù)法計(jì)算表

2.4 降水入滲法

該方法適用于隧道通過潛水體且埋藏深度較淺。本方法可以作為核對其他方法計(jì)算結(jié)果的一種補(bǔ)充性計(jì)算方法，如果條件適合，預(yù)測結(jié)果也較為理想。

Qs=2.74α·W·A

(4)

其中，α為降水入滲系數(shù)；W為年降雨量，其他符號意義同式(2)。

降水入滲法計(jì)算表見表4。

表4 降水入滲法計(jì)算表

2.5 地下水動力學(xué)法

地下水動力學(xué)法又稱水文地質(zhì)解析法，該方法簡化了水文地質(zhì)條件，經(jīng)過了水文地質(zhì)模型概化，獲得在給定邊界和初值條件下的涌水量，具有快速實(shí)用的特點(diǎn)[3]?；谕瑯拥脑?，該方法計(jì)算結(jié)果與隧道開挖后的實(shí)際情況可能有一定出入[4]。

國內(nèi)外學(xué)者依據(jù)該方法研究得出了許多計(jì)算隧道涌水量的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。以下選取常用的兩個(gè)公式來分別計(jì)算隧道最大涌水量和正常涌水量。

1)古德曼經(jīng)驗(yàn)式：

(5)

其中，Q0為隧道通過某含水體范圍的最大涌水量，m3/d；K為含水體滲透系數(shù)，m/d；H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m；d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m；L為隧道通過某含水體范圍的長度，m。

古德曼經(jīng)驗(yàn)式法計(jì)算表見表5。

表5 古德曼經(jīng)驗(yàn)式法計(jì)算表

2)裘布依理論式:

(6)

其中，Qs為隧道通過某含水體范圍的正常涌水量，m3/d；Ry為隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑，m，即隧道涌水影響寬度；其他符號意義同上。

該式適用于淺埋隧道，當(dāng)隧道埋深較大時(shí)，含水體厚度和涌水時(shí)水位降深值須準(zhǔn)確確定。

裘布依理論式法計(jì)算表見表6。

表6 裘布依理論式法計(jì)算表

2.6 鐵路經(jīng)驗(yàn)公式法

Qs=L·K·H(0.676-0.06K)

(7)

Q0=L(0.025 5+1.922 4K·H)

(8)

式中符號意義同上。

鐵路經(jīng)驗(yàn)式法正常涌水量，最大涌水量計(jì)算表見表7，表8。

表7 鐵路經(jīng)驗(yàn)式法正常涌水量計(jì)算表

表8 鐵路經(jīng)驗(yàn)式法最大涌水量計(jì)算表

3 結(jié)語

1)從以上幾種方法結(jié)果的比較可以看出，地下水徑流模數(shù)法計(jì)算正常涌水量的結(jié)果偏小，主要原因是把隧址區(qū)復(fù)雜的地下水條件進(jìn)行了簡化，采用了區(qū)域性的地下水徑流模數(shù)值，該值可能偏小。2)其余方法計(jì)算的正常涌水量及最大涌水量結(jié)果均比較接近，計(jì)算結(jié)果得到互相印證，說明參數(shù)選取合理，預(yù)測結(jié)果可信度較高。3)在工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)驗(yàn)公式法對理論公式法的計(jì)算模型進(jìn)行了修正，使得預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確。故選取鐵路經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果作為最終計(jì)算結(jié)果。4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，K19+500～K20+150范圍為強(qiáng)富水段，需加強(qiáng)防排水措施。在該隧道設(shè)計(jì)中，本研究結(jié)果為隧道防排水設(shè)計(jì)提供了合理依據(jù)。

[1] TB 10049-2004，鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[2] 朱大力，李秋楓.預(yù)測隧道涌水量的方法[J].工程勘察,2000,28(4):18-22.

[3] 徐國鋒,楊建鋒,陳侃福.臺縉高速公路蒼嶺隧道水文地質(zhì)勘察與涌水量預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(S2):5531-5535.

[4] 王建秀,朱合華,葉為民.隧道涌水量的預(yù)測及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004，23(7):1150-1153.

[5] 陳水龍.談隧道圍巖滲透系數(shù)的測定及預(yù)測隧道開挖涌水量[J].山西建筑，2013，39(22)：166-167.

The comparison of several methods prediction of water inflow of Xiaoxiangling highway tunnel

HAN Zhi-yuan LING Jia

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignResearchInstitute,Tianjin300133,China)

Taking the water inflow prediction of Xiaoxiangling highway tunnel for example, this paper introduced the predicting method of tunnel water inflow, discussed the calculation steps, formula and applicable condition, pointed out that in actual engineering, according to the applicable conditions, selected reasonable prediction methods, so as to obtain better prediction effect.

tunnel water inflow, geological condition, prediction, method

1009-6825(2014)07-0195-03

2013-12-26

韓志遠(yuǎn)(1985- )，男，助理工程師； 凌 佳(1986- )，男，助理工程師

U452

A