山嶺隧道涌水量預(yù)測方法分類及相關(guān)因素分析

顧博淵， 史寶童， 黃　嫚

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安　710075)

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山嶺隧道涌水量預(yù)測方法分類及相關(guān)因素分析

顧博淵， 史寶童， 黃嫚

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安710075)

摘要：準確預(yù)測隧道涌水量能有效減少隧道病害，保護生態(tài)環(huán)境，科學(xué)指導(dǎo)隧道的設(shè)計與施工，而如何正確選擇和應(yīng)用預(yù)測方法，是準確預(yù)測的前提條件。通過廣泛調(diào)研，在總結(jié)分析各類涌水量預(yù)測方法的原理和適用范圍基礎(chǔ)上，以六盤山隧道某斷面為例，深入探討了圍巖滲透系數(shù)、洞室尺寸、地下水位凈高變化、注漿圈厚度、注漿水平和襯砌抗?jié)B等級等因素對隧道涌水量的影響，重點指出各類解析方法的局限性和適用條件，突出了注漿水平在實際工程中的作用，并建議山嶺公路隧道襯砌抗?jié)B等級不宜小于S8。

關(guān)鍵詞：隧道涌水量； 地下水動力學(xué)； 注漿； 抗?jié)B等級； 預(yù)測方法

0引言

涌水量是隧道動態(tài)設(shè)計信息化施工的關(guān)鍵參數(shù)，同時也是隧道修建對區(qū)域環(huán)境影響評價的關(guān)鍵因素之一。目前,我國已建、在建的隧道均存在不同程度的涌水和滲漏水問題。鑒于隧道地下水問題的重要性，國內(nèi)外學(xué)者對隧道地下水涌水量問題進行了大量研究。王曉明等[1]采用降水入滲法，結(jié)合蒙特卡洛隨機模擬技術(shù)，對河北省水峪隧道的涌水量進行概率研究，為隧道涌水量預(yù)測提供了一種概率分析方法；陳冬等[2]試用SWMM模型，模擬以管道為主的巖溶隧洞涌水過程，分析SWMM模型對巖溶隧道涌水量動態(tài)變化模擬的適用性；王建宇[3]從地下水的滲流作用出發(fā)對作用于隧道襯砌的水壓力荷載的計算進行了討論，著重指出了不同水頭高度情況下水壓力的折減方法和排導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)置方式；喻成云[4]通過收集隧道實際涌突水樣本數(shù)量，從數(shù)學(xué)統(tǒng)計的角度分析隧道涌突水量的主要影響因素，并從統(tǒng)計角度建立了回歸方程；肖智興等[5]使用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，建立了水下隧道涌水量的遺傳-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并進行了計算分析。從調(diào)研的成果不難發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)者針對某一種涌水量預(yù)測方法研究的比較深入、透徹，但缺少預(yù)測方法之間橫向、定量的比較，本文在歸納總結(jié)常用涌水量預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，重點針對影響隧道涌水量的幾個主要因素進行分類討論，詳細分析了相同水文地質(zhì)條件下不同預(yù)測方法的變化規(guī)律，希望為實際應(yīng)用中涌水量預(yù)測方法的選擇和有效預(yù)測提供借鑒和參考。

1隧道涌水量預(yù)測方法對比分析

1.1隧道涌水量預(yù)測方法簡介

我國自20世紀80年代起，隨著技術(shù)水平和施工要求的提高，開始對隧道涌水量的預(yù)測進行系統(tǒng)的研究，尤其是在90年代取得了長足的進步，從定性分析逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價與計算，而隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展和滲流理論的不斷完善，提出了很多新的隧道涌水量計算方法，歸納起來主要有2大類，即確定性數(shù)學(xué)模型方法和隨機性數(shù)學(xué)模型分析方法[6-9]。前者主要包括比擬法、徑流模數(shù)法、解析法等，后者主要包括灰色關(guān)聯(lián)度法、時間序列分析及頻譜分析法等，詳細分類及應(yīng)用條件如表1所示。

表1　隧道涌水量計算方法分類

1.2各種預(yù)測方法適用范圍

水均衡法原理簡單明了，但預(yù)測結(jié)果偏差較大，適用于工程可行性研究階段宏觀概略地預(yù)測隧道涌水量；若初測、定測階段已逐步開展了相應(yīng)的地勘工作，氣象水文地質(zhì)資料詳盡，可采用地下水動力學(xué)法、降雨入滲法和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測隧道涌水量；數(shù)值計算法建立在正確的水文地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，是目前解決復(fù)雜條件下水文地質(zhì)問題的有效方法，其計算精度主要取決于模型參數(shù)的準確性，特別適用于運營期隧道排水量的預(yù)測。

從隧道埋深、地層巖性等角度考慮，淺埋隧道適合采用降雨入滲法和水文地質(zhì)比擬法；深埋隧道適合采用地下水動力學(xué)法和數(shù)值計算方法；泥巖、砂巖等均質(zhì)圍巖地區(qū)適合采用水文地質(zhì)比擬法和地下水動力學(xué)法；巖溶區(qū)隧道或地下水系發(fā)育的地區(qū)適合采用隨機性數(shù)學(xué)模型分析方法和地下徑流模數(shù)法等方法綜合預(yù)測。

2地下水動力學(xué)法預(yù)測隧道涌水量影響因素分析

2.1地下水動力學(xué)法預(yù)測隧道最大涌水量

隧道涌水量預(yù)測通常包括正常涌水量預(yù)測和最大涌水量預(yù)測。正常涌水量是指隧道的涌水達到大致穩(wěn)定時的涌水量，最大涌水量是指隧道在含水體中掘進時的峰值涌水量。預(yù)測隧道涌水量是隧道工程建設(shè)的重要內(nèi)容之一，而地下水動力學(xué)法理論成熟，原理簡單，推導(dǎo)方便，相對于隨機性數(shù)學(xué)模型分析方法或數(shù)值計算方法，現(xiàn)場勘察和計算工作量較少，便于應(yīng)用，是宏觀研究山嶺公路隧道涌水量控制的有效方法之一，也是高速公路隧道工程地質(zhì)勘察中最常用的方法。其簡化模型如圖1所示。

隧道最大涌水量常用計算公式有以下幾種[10-13]：

1) Goodman(1965)

(1)

h—隧道中心到地下水位線的距離；r—隧道半徑；pa—大氣壓力水頭，一般pa=0； d—地表水深度，若無地表水，則d=0。

圖1計算模型簡圖

Fig. 1Computation model diagram

2)karlsrud (2001)

(2)

3)Lei(1999)

(3)

4)Lombardi(2002)

(4)

5)均質(zhì)解析解

(5)

6)EI Tani(2003)

(6)

7)佐藤邦明

(7)

式中：m為換算系數(shù)，一般取0.86；hc為含水層厚度。

8)大島洋志公式

(8)

比較式(1)和式(8)可知，大島洋志預(yù)測隧道涌水量的公式增加了一個經(jīng)驗修正系數(shù)m(m=0.86)，以綜合考慮實際工程水文地質(zhì)邊界條件的復(fù)雜性和不確定性。

9)朱大力公式

TB 10049—2004《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》根據(jù)工程實例總結(jié)出預(yù)測隧道最大涌水量的經(jīng)驗公式

q0=0.025 5+1.922 4 K×H。

(9)

式中H為含水層中原始靜水位到隧道底板的距離。

上述預(yù)測隧道最大涌水量公式可概括為3個類型，經(jīng)典解析解，式(1)—(6)；半理論半經(jīng)驗公式，式(7)和(8)；純經(jīng)驗公式，式(9)。式(1)—(8)公式組成結(jié)構(gòu)類似，推導(dǎo)原理相似，均可概括為

q0=2πmKh·f(h,r)。

(10)

式中f(h,r)為h、r的函數(shù)[14]，表達式不同，取值不同，可理解為原靜止地下水位的折減系數(shù)。

2.2隧道最大涌水量影響因素比較分析

從式(10)可以看出，地下水動力學(xué)解析解預(yù)測隧道涌水量的因素主要有圍巖滲透系數(shù)、地下靜止水位高度和洞室尺寸3種，為比較分析這3種因素在預(yù)測隧道涌水量中的作用和變化規(guī)律，以六盤山隧道某斷面為例，等效圓半徑為5.85 m，滲透系數(shù)3.20×10-7m/s，隧道埋深為200 m，計算若無特殊說明上述參數(shù)均保持定值不變。

2.2.1圍巖滲透系數(shù)

圍巖滲透系數(shù)是隧道涌水量預(yù)測的重要參數(shù)，施工現(xiàn)場一般通過地質(zhì)鉆孔抽水試驗獲取。在地下水位高度、洞室尺寸不變的情況下，隧道涌水量隨圍巖滲透系數(shù)變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出朱大力經(jīng)驗公式預(yù)測值最大，地下水動力學(xué)經(jīng)典理論解析解預(yù)測值居中，其中，除均質(zhì)解析解預(yù)測值稍大外，其他解析解預(yù)測值基本相同；大島洋志公式在Goodman公式的基礎(chǔ)上考慮了經(jīng)驗系數(shù)m=0.86，實則是對Goodman公式的折減；佐藤邦明公式除了考慮經(jīng)驗系數(shù)m，還考慮了含水層厚度的影響，預(yù)測值最小。

圖2　涌水量隨滲透系數(shù)變化曲線

2.2.2洞室尺寸

在圍巖滲透系數(shù)和地下水位高度不變的情況下，隧道涌水量隨洞室尺寸變化情況如圖3所示。除朱大力公式外，其他公式預(yù)測隧道涌水量隨洞室尺寸增大而增大，變化趨勢基本相同，當隧道洞徑小于5 m時，變化曲率較大，大于5 m時，變化趨勢逐漸平緩。朱大力公式預(yù)測值基本不隨洞徑尺寸變化，這與該公式的計算參數(shù)有較大關(guān)系，僅在H(原始靜水位到隧道底板的距離)中考慮了洞室尺寸效應(yīng)，因一般情況下隧道半徑遠小于H，故其預(yù)測值隨洞室尺寸變化不明顯，且在洞徑尺寸較小時，預(yù)測值明顯偏大。

圖3　涌水量隨洞室尺寸變化曲線

除經(jīng)驗公式外，同一洞徑尺寸各公式預(yù)測隧道涌水量大小關(guān)系與圖2所示規(guī)律基本一致，均質(zhì)解析解預(yù)測值最大，佐藤邦明最小。

2.2.3地下水位凈高變化

地下水位凈高是指地下穩(wěn)定水位面到隧道中心的距離，在圍巖滲透系數(shù)和洞室尺寸不變的情況下，隧道涌水量隨地下水位凈高變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，隧道涌水量隨地下水位的增加出現(xiàn)一個先減小后增大的過程，即存在一特定水位凈高，可使隧道涌水量最小，按本例計算參數(shù)，這一水位凈高約為10 m。在地下水位凈高較小時，均質(zhì)解析解預(yù)測值偏大，其他理論解析解居中，隨著水位的不斷增加，均質(zhì)解析解預(yù)測值與經(jīng)驗公式預(yù)測值擬合度較高，其他理論解析解和半理論半經(jīng)驗解析解預(yù)測值偏小。

圖4　涌水量隨地下水位高度變化曲線

綜合以上隧道涌水量預(yù)測與各因素的變化規(guī)律，經(jīng)典理論解析解(Goodman、karlsrud、Lei、Lom、EI Tanis)適用于地下水位凈高較小時涌水量預(yù)測，當水位凈高較大時預(yù)測結(jié)果偏?。痪|(zhì)解析解適用于高水位隧道涌水量預(yù)測，當水位較低時預(yù)測結(jié)果偏大；在應(yīng)用朱大力經(jīng)驗公式時，應(yīng)注意洞室尺寸規(guī)模，當尺寸較小時預(yù)測結(jié)果偏大；半理論半經(jīng)驗公式(大島洋志、佐藤邦明)折減系數(shù)m=0.86，預(yù)測結(jié)果相對偏小，可做為上述方法的對比和補充。

3洞周注漿技術(shù)及襯砌抗?jié)B等級對隧道涌水量的影響

除地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水位等地理地質(zhì)因素外，隧道施工本身，如施工方案、襯砌參數(shù)等也會對隧道涌水量的大小產(chǎn)生影響，其中，洞周注漿技術(shù)及襯砌抗?jié)B性能是影響最顯著的因素，高水位地區(qū)多采用增設(shè)注漿圈的方法來降低襯砌外水壓力，控制地下排水量；而襯砌抗?jié)B等級的選擇更顯“隨意”性，缺少必要的設(shè)計依據(jù)，本節(jié)主要針對隧道施工過程中該2種因素對隧道涌水量的影響展開論述。

3.1洞周注漿技術(shù)對隧道涌水量的影響

一般而言，作用在隧道上的水荷載是滲流產(chǎn)生的體積力，需要通過對實際地層進行滲流場分析才能確定作用在襯砌上的水荷載以及隧道的排水量。假定圍巖為均質(zhì)各向同性連續(xù)介質(zhì)，王秀英等[15]提出了一種新型隧道涌水量計算方法，假設(shè)隧道為圓形，地下水頭很高，設(shè)為H，水流為穩(wěn)定流，其運動規(guī)律服從達西定律。r0為襯砌內(nèi)徑；r1為襯砌外徑；rg為注漿圈半徑；r2為遠場距離，等于H，計算簡圖如圖5所示。

圖5　隧道涌水量計算簡化模型

根據(jù)滲流連續(xù)性方程(即Laplace方程)，可推導(dǎo)得出未注漿情況下每延米隧道涌水量

(11)

有注漿止水帷幕的情況下每延米隧道涌水量

(12)

式中：kl為襯砌滲透系數(shù)；kg為注漿體滲透系數(shù)；kr為圍巖滲透系數(shù)。

由上述公式可知，隧道涌水量不僅與注漿圈厚度密切相關(guān)，還與圍巖和注漿圈滲透系數(shù)的比值、地下水位高度等條件有關(guān)?，F(xiàn)以六盤山隧道最高水位斷面為例，應(yīng)用式(12)分析圍巖注漿條件下隧道涌水量的變化規(guī)律。

1)不同注漿圈厚度與隧道涌水量的關(guān)系如圖6所示，隧道涌水量隨著注漿圈厚度的增大而逐漸減小，在相同注漿效果情況下，當注漿圈厚度≤10 m時，隧道涌水量隨注漿圈厚度的增加明顯減小，當注漿圈厚度>10 m時減小趨勢變緩，說明注漿水平和注漿圈厚度均存在一個經(jīng)濟合理的范圍，不能盲目地通過增加注漿圈厚度來減少隧道涌水量。

圖6　注漿圈厚度與隧道涌水量的關(guān)系

2)注漿效果與隧道涌水量的關(guān)系如圖7所示，在相同注漿圈厚度Lq的條件下，隨著kr/kg的增大(即注漿效果的提高)，隧道排水量逐漸降低。若設(shè)定隧道涌水量小于5 m3/(d·m)，當注漿圈厚度為3 m時，kr/kg需大于200；當注漿圈厚度為5 m時，kr/kg需大于115；當注漿圈厚度為7 m時，kr/kg需大于85。注漿圈厚度越小，要求注漿圈的滲透系數(shù)越小，即注漿效果更好，而相對于增加注漿圈厚度，進一步提高注漿水平來控制隧道涌水量更合理、經(jīng)濟。

圖7　注漿水平(kr/kg)與隧道涌水量的關(guān)系

3.2襯砌抗?jié)B等級對隧道涌水量的影響

襯砌結(jié)構(gòu)是隧道防排水體系中的重要一環(huán)，同時兼顧承載、安全和防水的目的，其施工質(zhì)量和抗?jié)B性能直接關(guān)系到后期隧道運營安全。目前，山區(qū)高速公路隧道設(shè)計中襯砌抗?jié)B等級多采用S6，部分項目采用S8，主要依據(jù)隧址區(qū)地下水位高度和圍巖滲透性能來定，本節(jié)通過數(shù)值計算方法建立了隧道涌水量與襯砌抗?jié)B等級的關(guān)系曲線，如圖8所示，表2為各抗?jié)B等級混凝土對應(yīng)的滲透系數(shù)。

圖8　隧道涌水量與襯砌滲透系數(shù)的關(guān)系曲線

Table 2Impermeability grade and permeability coefficient of tunnel lining

滲透等級滲流系數(shù)/(cm/s)隧道滲流量/(m3/(d·m))S10.32×10-73.219S20.16×10-71.095S40.66×10-80.554S60.34×10-80.234S80.21×10-80.077S100.14×10-80.056S120.10×10-80.041

由圖8可以看出，隨著襯砌抗?jié)B等級的提高，隧道涌水量逐步減少，當襯砌抗?jié)B等級由S1提高到S8時，隧道的涌水量顯著減少，減小量達97.61%；而當抗?jié)B等級由S8提高到S10、S12時，減小量分別為0.66%、1.1%，抗?jié)B等級超過S8之后，隧道涌水量減小程度明顯變緩，逐漸趨于平穩(wěn)，綜合目前我國施工技術(shù)水平及環(huán)境保護的需求，建議山嶺公路隧道襯砌抗?jié)B等級不宜小于S8，同時在混凝土凝膠材料中可摻入CMA抗裂劑等摻料25～30 kg/m3，以進一步提高襯砌的自防水能力和結(jié)構(gòu)的耐久性。

4結(jié)論與體會

1)預(yù)測隧道最大涌水量的方法可概括為以下3個類型： 地下水動力學(xué)經(jīng)典理論解析解、半理論半經(jīng)驗公式和純經(jīng)驗公式。經(jīng)典理論解析解適用于地下水位凈高較小時涌水量預(yù)測；純經(jīng)驗公式不能考慮洞室尺寸的效應(yīng)，斷面較小時預(yù)測結(jié)果偏大；半理論半經(jīng)驗公式存在折減系數(shù)，預(yù)測結(jié)果相對偏小。

2)隧道涌水量隨著注漿圈厚度的增大及注漿水平的提高逐步減小，注漿水平和注漿圈厚度均存在一個經(jīng)濟合理的范圍，不能盲目地通過增加注漿圈厚度來減少隧道涌水量，而相對于增加注漿圈厚度，進一步提高注漿水平來控制隧道涌水量更合理、經(jīng)濟。

3)建議山嶺公路隧道襯砌抗?jié)B等級不宜小于S8，同時在混凝土凝膠材料中可摻入CMA抗裂劑，進一步提高襯砌抗?jié)B性、抗裂性和耐久性。

由于山嶺隧道地下水運動規(guī)律復(fù)雜，涌水量預(yù)測應(yīng)根據(jù)項目具體的工程地質(zhì)條件、地形地貌特征和水文邊界條件有針對性地選擇，目前較為常用的是確定性數(shù)學(xué)模型方法，隨機性方法涉及因素多，計算復(fù)雜，一般做為確定性方法的補充和驗證。但各種預(yù)測方法就實際應(yīng)用情況來看，預(yù)測精度還遠遠不夠，特別是針對運營期隧道排水量的預(yù)測還有待進一步研究。

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Classification of Water Inflow Prediction Methods for

Mountain-crossing Tunnels and Analysis on Related Factors

GU Boyuan, SHI Baotong, HUANG Man

(CCCCFirstHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Xi’an710075,Shaanxi,China)

Abstract:The accurate prediction of the tunnel water inflow is helpful in minimizing the tunnel disease, protecting the environment and guiding the design and construction of the tunnel. However, the selection of proper water inflow prediction method, as well as its proper application, is a prerequisite for the accurate prediction of the water inflow. In the paper, the principles and application scopes of various water inflow prediction methods are summarized and analyzed, and the influence of the surrounding rock permeability coefficient, tunnel dimension, groundwater level, grouting ring thickness, grouting effect and lining impermeability grade on the water inflow is analyzed, with Liupanshan tunnel as an example. Furthermore, the limitations and application scopes of the analytical methods are provided, the application of the grouting effect in the water inflow prediction is highlighted, and it is proposed that the impermeability grade of the lining of mountain-crossing highway tunnels should not be inferior to S8.

Keywords:tunnel water inflow; groundwater dynamics; grouting; impermeability grade；prediction methods

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1258-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.004

作者簡介：第一 顧博淵(1981—)，男，上海崇明人，2003年畢業(yè)于同濟大學(xué)，隧道及地下工程專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事高速公路隧道設(shè)計工作。

收稿日期：2015-03-30; 修回日期: 2015-05-13