隧道涌水量預(yù)測方法的分析與對比

鐘小勇

（福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院，福建漳州363000）

·隧道與建設(shè)工程·

隧道涌水量預(yù)測方法的分析與對比

鐘小勇*

（福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院，福建漳州363000）

隨著我國隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道涌水量問題仍是隧道工程中亟待解決的主要問題。隧道涌水量的預(yù)測方法多種多樣，主要對隧道涌水量不同的預(yù)測方法進(jìn)行分析比較，結(jié)合工程的實際情況，為工程的順利進(jìn)行提供一定的技術(shù)支持，并為同行之間提供一些借鑒。

隧道工程，涌水量計算，計算方法分析；案例分析

眾多的工程實踐中證明，低山丘陵地區(qū)的隧道涌水量的計算，雖然已經(jīng)研究了有半個世紀(jì)之多，總結(jié)出了一定的方法和計算公式。但是不同的計算方法之間卻仍然存在著較大的差異性，即使是最好的預(yù)測結(jié)果仍然與實際的涌水量之間存在著差距，計算的精度也有待加強(qiáng)。所以在對隧道涌水量預(yù)測的問題上，我們應(yīng)該采用多種方法對比分析，最大程度地減少涌水量問題對隧道施工的影響，減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。本文所主要針對的禾豐隧道位于低山丘陵地區(qū)，隧道涌水情況時有發(fā)生，因此涌水量的預(yù)測顯得尤其重要。

1 隧道涌水量預(yù)測方法

1.1 水均衡法

水均衡法的主要適用條件主要是地質(zhì)環(huán)境條件比較簡單的環(huán)境，可以進(jìn)行簡單的隧道正常情況下涌水量和最大涌水量的預(yù)測計算。該方法主要指的是在特定的范疇內(nèi)，水的接入和輸出控制在某種平衡的狀態(tài)，對隧道施工段的地下水之間的收支關(guān)系進(jìn)行研究，從而獲得該施工段的隧道涌水量的大小。若施工段的涌水補(bǔ)給資源不足時，該方法是校核其他方法的一個重要的補(bǔ)充。采用水均衡法對正常涌水量進(jìn)行預(yù)測時，通?？梢苑譃橐韵聨追N方法：地下徑流模數(shù)法和地下徑流深度法以及降水入滲法。

1.1.1 地下徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)法主要的環(huán)節(jié)便是對地下徑流模數(shù)的求解，主要有2個方法對地下徑流模數(shù)進(jìn)行評論，一方面是根據(jù)實際測得的溪流的面流量進(jìn)行計算，另一方面是按照泉流量的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行的分析。該方法適用于巖溶區(qū)以及隧道工程通過不止一個的地表水域的地區(qū)。計算公式主要如下：

1.1.2 降水入滲法

該方法是考慮大氣降水的入滲量來衡量一個地區(qū)的地下水量的一種計算方法，該方法的參數(shù)較少，計算方法也比較簡單，所以經(jīng)常應(yīng)用該法作為其他計算方法的驗證或者是進(jìn)行區(qū)域性地下水儲蓄量的評價標(biāo)準(zhǔn)。計算公式如下：

1.2 水文地質(zhì)比擬法

該方法主要適合于在工程附近存在類似工程的，兩工程水文地質(zhì)情況比較接近的情況。所以該方法主要是應(yīng)用類比的方式，以已經(jīng)存在的隧道工程來計算需要建設(shè)的隧道工程。所以該方法的計算精度主要由擬建和已建工程的相似度，相似性越高，則計算的精度越高，主要的近似計算公式如下所示：

1.3 地下水動力學(xué)法

該方法是一種常規(guī)的進(jìn)行隧道涌水量計算的方式，通過對介質(zhì)中地下水動力學(xué)的基本理論方法的研究，建立地下水運(yùn)動規(guī)律的基本方程，然后運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的方法進(jìn)行進(jìn)一步的求解和運(yùn)算，以此來獲得特定邊界區(qū)域條件內(nèi)的涌水量的計算，該方法可以進(jìn)行正常和最大涌水量的計算分析。

1.3.1 隧道正常涌水量的預(yù)測

我國現(xiàn)行《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10049-2004）中推薦了裘布依理論公式和佐藤邦明經(jīng)驗公式，公式如下：

裘布依理論公式：

佐藤邦明經(jīng)驗公式：

除此之外，還有日本的落合敏郎公式、吉林斯基公式、福希海默公式等計算方法。

1.3.2 隧道最大涌水量預(yù)測

現(xiàn)行《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10049-2004）中推薦了古德曼經(jīng)驗式和佐藤邦明非穩(wěn)定式，公式如下：

古德曼經(jīng)驗式：

佐藤邦明非穩(wěn)定流式：

2 工程實例

2.1 工程概況

擬建禾豐隧道為寧都至定南高速公路其中1座山嶺隧道，位于江西省贛州市于都縣境內(nèi)，穿越東西山脈，隧道軸線總體走向約175°，大致呈南北向展布，隧道設(shè)計長度為：左線2572.66m、右線2565m，屬為公路長隧道，最大埋深約306m，洞門采用削竹式洞門、端墻式洞門。

隧址區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏大，進(jìn)出洞口自然山坡坡度約15°～30°，自然斜坡穩(wěn)定，洞身最高點海拔約600m，溝塹較發(fā)育，但寬度較小，切割較深且長，大多呈V型，沿線地表植被較發(fā)育，均為林地。隧址區(qū)地層巖性較多，巖土層主要有泥盆系三門灘組砂巖、泥盆系中棚組砂巖和石英砂巖、震旦系下坊組砂巖及其風(fēng)化層，泥盆系三門灘組與中棚組為整合接觸，泥盆系中棚組與震旦系下坊組為不整合接觸，未見活動性斷裂構(gòu)造，洞身處見有2處節(jié)理裂隙密集區(qū)。

2.2 水文地質(zhì)特征

2.2.1 地下水類型

隧址區(qū)地下水主要為風(fēng)化帶孔隙裂隙水、基巖裂隙水及構(gòu)造裂隙水。

風(fēng)化帶孔隙裂隙水分布于基巖風(fēng)化帶中，其富水性受地形地貌條件和風(fēng)化裂隙發(fā)育程度的影響，富水性不均，由于隧址區(qū)地形起伏大，巖石風(fēng)化帶的厚度有限，一般富水性弱；基巖裂隙水分布于隧址區(qū)內(nèi)的基巖裂隙中，富水性、導(dǎo)水性相對較差，且較不均勻，水量一般較小；構(gòu)造裂隙水賦存于隧址區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙密集區(qū)內(nèi)，富水性、導(dǎo)水性相對較好，局部可形成富水。

2.2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

隧址區(qū)地下水主要接受大氣降水滲入補(bǔ)給，當(dāng)大氣降水至地表后，一部分匯集溝谷中形成地表徑流，另一部分通過地表沿孔隙和裂隙垂直下滲徑流，地下水徑流條件一般，行程一般較短，地下水的排泄方式主要是蒸發(fā)、泉排泄以及向溝谷中排泄。

2.3 隧道涌水量預(yù)測

2.3.1 滲透系數(shù)的確定

為了得到隧址區(qū)有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)注水試驗、壓水試驗及水位恢復(fù)試驗等野外原位測試手段獲取數(shù)據(jù)，采用降水頭注水試驗計算公式、壓水試驗計算公式、潛水非完整井公式等進(jìn)行巖土體滲透系數(shù)計算，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗綜合取值。

2.3.2 正常涌水量預(yù)測

（1）降水入滲法：隧址區(qū)地表水較不發(fā)育，大氣降水是地下水補(bǔ)充的主要方式，通過地表沿孔隙和裂隙垂直下滲，在層間破碎帶、節(jié)理裂隙密集區(qū)形成含水體，隧道影響范圍內(nèi)滲入補(bǔ)給的水量同隧道排出的水量應(yīng)保持平衡狀態(tài)，故可采用降水入滲法來進(jìn)行隧道正常涌水量的預(yù)測，計算如下：

式中：Qs——隧道通過含水體地段的正常涌水量，m3/d；

a——降水入滲系數(shù)，取0.18；

W——年降雨量，取當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅浚?507mm；

A——隧道通過含水體地段的集水面積，取3.30km2。

計算得：Qs＝2452.73m3/d。

（2）佐藤邦明經(jīng)驗式：

Qs＝q0·L

qs＝q0-0.584ε·K·r0

式中：q0——隧道單位長度正常涌水量，m3/(d·m)；

L——洞身長度，m；

ε——試驗系數(shù)，取12.80；

K——含水體的滲透系數(shù)，m/d；

r0——洞身橫斷面的等價圓半徑，m，取5.25m。計算結(jié)果詳見表1。

表1 隧道正常涌水量預(yù)測

2.3.3 最大涌水量預(yù)測

（1）古德曼經(jīng)驗式：

式中：Q0——隧道通過含水體地段的最大涌水量；

L——洞身長度，m；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m；

d——洞身橫斷面等價圓直徑，m，取10.50m。

計算結(jié)果詳見表2、表3。

表2 左線隧道最大涌水量預(yù)測

（2）佐藤邦明非穩(wěn)定流式：

表3 右線隧道最大涌水量預(yù)測

式中：Q0——隧道通過含水體地段的最大涌水量；

h2——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m；

hc——含水體厚度，m；

r0——洞身橫斷面的等價圓半徑，m，取5.25m。

其它符號意義同上，計算結(jié)果詳見表2、表3。

2.4 隧道涌水量建議取值

通過采用降水入滲法、佐藤邦明經(jīng)驗式計算隧道正常涌水量以及古德曼經(jīng)驗式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式計算隧道最大涌水量，主要數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 涌水量計算成果匯總表

從表4中可以看出，采用降水入滲法與佐藤邦明經(jīng)驗式計算的隧道正常涌水相差較大，降水入滲法所用到的計算參數(shù)較少，未考慮含水體的厚度、滲透系數(shù)等因素，計算成果與實際情況偏差相對較大，建議采用佐藤邦明經(jīng)驗式計算求得的3761.57m3/d作為隧道正常涌水量建議值；利用古德曼經(jīng)驗式與佐藤邦明非穩(wěn)定流式計算得到的隧道最大涌水量較為相近，但古德曼經(jīng)驗式計算過程沒有充分考慮地下水含水體厚度等因素，計算結(jié)果相對偏大，因此建議采用佐藤邦明非穩(wěn)定流式計算求得的4989.82m3/d作為隧道最大涌水量建議值。

3 結(jié)語

隧道涌水量預(yù)測是隧道工程的一大重點和難點，工程師們研究出了各種各樣的方法來進(jìn)行涌水量的分析預(yù)測。由于各種方法所適用的環(huán)境不同，因此產(chǎn)生的結(jié)果也可能各有不同，且因為地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜多變，使得計算過程中存在著較大的誤差和錯誤，所以需要我們采用不同的方法進(jìn)行計算分析，以期望可以得到最符合實際情況的涌水量預(yù)測值。

[1]陳國輝，劉宗祥，吳森.中衛(wèi)—貴陽天然氣聯(lián)絡(luò)線長江隧道穿越水文地質(zhì)特征及涌水量預(yù)測[J].工程勘察，2015（1）：59-63.

[2] 張雷,趙劍,張和平.隧道涌水量預(yù)測的計算方法研究[J].公路交通技術(shù),2007(1):121-1231.

[3] 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,2011,23(7):1150-11531.

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TheAnalysis and Comparison of Predicting Method of Water Inflow in Tunnel

ZHONG Xiao-yong
(The Hydrogeological Engineering Geology Prospecting Research

Institute of Fujian Province,Zhangzhou Fujian 363000,China)

With the continuous development of China's tunnel construction,the problem of tunnel water inflow is still the main problem to be solved in the tunnel engineering.Combined with the actual situation of the project,for the variety of forecasting methods the paper compared different predicting methods of the water inflow in tunnel,provide technical support for the project,and provide some reference for the colleague.

tunnel project；calculation of water inflow；analysis of calculating method；case analysis

U453.6

A

1004-5716(2015)10-0169-05

2015-04-01

2015-04-03

鐘小勇（1981-），男（漢族），江西崇義人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)及工程地質(zhì)勘察技術(shù)工作。