談山嶺隧道涌水量計算方法在勘察中的應(yīng)用

許 亞 軍

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司工程勘察分院，天津 300133)

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談山嶺隧道涌水量計算方法在勘察中的應(yīng)用

許 亞 軍

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司工程勘察分院，天津 300133)

介紹了隧道涌水量預(yù)測的主要理論及方法，結(jié)合杭黃鐵路紫高尖隧道的工程及水文地質(zhì)條件，采用評分法、地下水徑流模數(shù)法、降水入滲法，預(yù)測計算了該隧道的涌水量，得到了較為客觀的預(yù)測結(jié)果。

隧道，涌水量，評分法，降水入滲法

0 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通更是先行。隧道建設(shè)作為土建施工中的重要一環(huán)，在交通建設(shè)中的地位越來越突出，隧道長度及跨度越來越大，遇到的地質(zhì)情況也越來越復(fù)雜。在隧道施工中常遇到各種不良地質(zhì)如斷層、煤層、破碎帶、溶洞、富水帶等，其中最關(guān)鍵的就是開挖中隧道涌水的因素，不僅會對隧道施工期間造成重大干擾及災(zāi)害，甚至在隧道運(yùn)營期間也會因為水的問題影響到車輛通行。所以如何能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測隧道開挖期間的涌水量，對項目開展的全過程都有重大意義。本文以新建杭州至黃山鐵路紫高尖隧道為例，闡明了勘察期間隧道涌水量的常用預(yù)測方法的選擇及考慮。

1 隧道涌水量預(yù)測主要理論及方法

表1 幾種預(yù)測隧道涌水量方法及應(yīng)用條件

隨著技術(shù)水平和施工要求的提高，我國自20世紀(jì)80年代開始對隧道涌水量的預(yù)測進(jìn)行系統(tǒng)研究，并在90年代取得了長足的進(jìn)步。隧道涌水預(yù)測研究由最初的定性分析逐漸發(fā)展成為定

量評價與計算，多種隧道涌水量預(yù)測的方法和適用條件也隨之出現(xiàn)(見表1)[1]。

2 工程及水文地質(zhì)概況

杭黃鐵路紫高尖隧道位于浙江省杭州市西部，隧道走向320°，自南向北穿越紫高尖山脈，隧道全長約9.775 km，最大埋深約700 m，屬深埋長大隧道，為全線控制性工程之一。工程場區(qū)地表水系發(fā)育，多為山區(qū)性河流，河谷深切，峽谷眾多，河床縱坡降大，源短流急，水位、水量變化幅度大，河水漲落時間短促。區(qū)內(nèi)河流均屬雨源型，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。

2.1 地表水系

測區(qū)的主要河流為新安江，最大的水體為千島湖(新安江水庫)。新安江屬錢塘江的正源和上游河段，其漲水期在5月份，6月份，與全年降水集中的梅雨期相對應(yīng)，多年平均水位22.92 m，水位變化幅度9 m～12 m，多年平均流量為285 m3/s。其中新安江水庫從四面八方接納了近千條河流和山澗，集水區(qū)域達(dá)到10 442 km2，水面積573 km2，平均水深34 m，庫容量178.4億m3。隧址區(qū)水系為新安江水系，隧道進(jìn)、出口側(cè)均有其支流通過，其中隧道進(jìn)口端的洋溪、出口端的富文溪均為新安江一級支流。洋溪自北向南匯入新安江，富文溪則自北東至南西匯入千島湖區(qū)。

2.2 地下水儲存類型

區(qū)內(nèi)地層是以巖屑砂巖、石英砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖為主的沉積巖地層，均屬于富水程度貧乏的裂隙含水巖組，實測的泉流量一般不超過0.1 L/s，且泉點較少，地下水埋深10 m～50 m。從區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造情況分析，相對于地層巖性特征，構(gòu)造是影響測區(qū)地下水賦存最主要的因素。

1)測區(qū)地層受多期構(gòu)造運(yùn)動的影響，形成了獅子巖向斜構(gòu)造以及隧道進(jìn)口附近奧陶系文昌組為核部的洪村背斜。在獅子巖向斜、汪家向斜核部地段呈現(xiàn)匯流型特征。從構(gòu)造條件上看，位于向斜核部的泥盆系西湖組、志留系唐家塢組地層具有一定程度的富水性，但由于其巖性主要為石英砂巖、巖屑砂巖、砂巖等硬質(zhì)巖，地形陡峭，所以其富水部位主要為節(jié)理、構(gòu)造裂隙密集帶。測區(qū)區(qū)域內(nèi)的向斜地貌形態(tài)為褶皺中、低山區(qū)，雖未形成明顯的向斜谷地，但在核部段仍是地下水易于富集的部位。2)伴隨褶皺，共發(fā)育有8條斷層，多數(shù)斷層傾角陡傾，近于直立。斷裂及其影響帶巖體破碎，構(gòu)造裂隙密集，既為地下水的富集、運(yùn)移創(chuàng)造了條件，同時也控制并制約著地下水的富集部位及富水程度。但由于其力學(xué)性質(zhì)及其充填性的不同，有的是地下水賦存、運(yùn)移的空間，有的則為攔阻地下水的隔水帶。測區(qū)內(nèi)分布的數(shù)條北東、北西向斷裂與向斜構(gòu)造復(fù)合聯(lián)合，從而形成了該區(qū)域近北東向的構(gòu)造體系，致使巖體裂隙發(fā)育，形成以斷裂為主的儲水構(gòu)造區(qū)域，地下水主要賦存和運(yùn)動于這些構(gòu)造裂隙之中，多在斷裂或裂隙交匯帶排泄。

3 本隧道所采用的預(yù)測方法

預(yù)測隧道涌水量的方法較多,為了能準(zhǔn)確預(yù)測涌水量的大小，采用有效的預(yù)測和計算方法是保證安全設(shè)計和正常施工的前提。本文選取3種常用方法對新建杭黃鐵路紫高尖隧道涌水量進(jìn)行計算，以相互對比印證。根據(jù)含水體的富水性、埋深、水的流通條件變化對隧道進(jìn)行分區(qū)。對于隧道每個區(qū)段，由于長度相對較小，巖性較為單一、埋深相對平穩(wěn)，可以簡化視為一個各向同性的地質(zhì)體，可以提供基本符合該區(qū)段水文地質(zhì)條件的運(yùn)算參數(shù)，經(jīng)套用理論公式計算，可以給出各區(qū)(段)的預(yù)測涌水量,然后綜合相加得到整個隧道的預(yù)測涌水量。

3.1 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?？砂幢?評分，累計相加確定。

表2 隧道最大涌水量概略預(yù)測評分表 m3/d

評分法預(yù)測隧道涌水量見表3。

表3 評分法預(yù)測隧道涌水量

3.2 地下水徑流模數(shù)法

表4 地下水徑流模數(shù)法計算表

本法常用于隧道方案的比選或者初測階段，定測階段完全采用該方法預(yù)測隧道涌水量則精度偏低。由于該方法計算涌水量需要區(qū)域水文地質(zhì)研究大量的勘探投入，較長的勘測周期，區(qū)域經(jīng)驗數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。因此該方法具有較強(qiáng)的實用性，比較適用于巖性較為單一，水文地質(zhì)條件較簡單的地區(qū)。

Qs=M·A

(1)

地下水徑流模數(shù)法計算表見表4。

表5 降水入滲法計算表

3.3 降水入滲法

當(dāng)隧道位于潛水層且埋藏深度較淺時，可采用降水入滲法預(yù)測隧道正常涌水量。本方法可以作為核對其他方法計算結(jié)果的一種補(bǔ)充校正的常用方法。

Qs=2.74α·W·A

(2)

降水入滲法計算表見表5。

4 隧道涌水量的分析判定

通過以上3種方法計算，大氣降水入滲系數(shù)法預(yù)測隧道正常涌水量Q=15 378 m3/d；用徑流模數(shù)法預(yù)測的正常涌水量Q=4 446 m3/d；評分法預(yù)測的正常涌水量Q=25 188 m3/d。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗，評分法預(yù)測的隧道涌水量往往較大，它所計算出來的值僅是在項目初期階段缺乏氣象及水文資料的情況下，做一預(yù)估，滿足項目可行性研究的需要。在本次計算中僅作為隧道正常涌水量的最大參考值。

考慮到大氣降水入滲系數(shù)法適用于埋藏深度較淺的隧道，其難點僅在于降水入滲系數(shù)的選取，它與隧道洞身周圍及其上方所覆巖層的巖性、地形地貌、風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度有密切關(guān)系，而徑流模數(shù)法得出的入滲量反映的是區(qū)域性地質(zhì)條件下的地下水滲流情況，它的應(yīng)用一定程度上是隨著埋深越大，計算區(qū)域越大、流動條件反而穩(wěn)定，隧道涌水量也預(yù)測的越準(zhǔn)。就紫高尖隧道而言，其微地貌主要以獅子巖分水嶺同時也是5區(qū)與6區(qū)的分界線為隧道控制性界線，把整個隧道的地表水系及地下水系分為兩個大的區(qū)域，隧道進(jìn)口段區(qū)域總體地形起伏變化較頻繁，隧道埋深最淺約85 m，巖性以砂巖、泥巖為主，地表強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，故1區(qū)～5區(qū)隧道涌水量按大氣降水入滲系數(shù)法考慮較為接近實際情況；6區(qū)～9區(qū)隧道出口段總體埋深較大，地形較為陡峭，巖體較完整，降水入滲系數(shù)法控制該段地下水發(fā)育情況的因素小，采用區(qū)域穩(wěn)定的徑流模數(shù)法預(yù)測較為實際。故本隧道涌水量將根據(jù)不同的埋深及地層條件在各段采用不同方法計算出的涌水量預(yù)測值，其中進(jìn)口DK147+065～DK153+300段采用大氣降水入滲系數(shù)法計算結(jié)果，DK153+300至出口DK156+835段采用地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果，具體如表6所示。

表6 隧道涌水量計算成果表 m3/d

推薦隧道的正常涌水量為12 438 m3/d，鑒于測區(qū)位于梅雨主控區(qū)，同時會受到臺風(fēng)雨的影響，降雨集中，故雨季涌水量按正常涌水量的3倍計，即最大涌水量為37 314 m3/d。

5 結(jié)語

1)目前山嶺隧道施工期間的涌水量預(yù)測，同區(qū)段的最大值的安全系數(shù)取2倍～3倍。但是在特殊構(gòu)造地段，如斷層破碎帶、褶皺帶、臨近地表河流溝谷等匯水區(qū)，建議實施鉆孔提(抽)水試驗，實測單位時間涌水量，最大涌水量按3倍～6倍計。

2)對于設(shè)計有平行導(dǎo)坑的隧道涌水量，隧道與平導(dǎo)的預(yù)測涌水量是分別單獨計算的，是理論上可能的最大值，施工階段隧道開挖中的出水量大小與平導(dǎo)出水量是此消彼長的關(guān)系。

3)山嶺隧道場區(qū)地下水的運(yùn)行路徑是復(fù)雜的，其各種計算參數(shù)都是多年總結(jié)的經(jīng)驗值，是可以根據(jù)相鄰類似工程的實際統(tǒng)計值做出修正，以期最大限度接近客觀真實的情況。

4)我國國土遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，規(guī)范及手冊提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)都不同程度的存在地方局限性，所以勘察階段的隧道涌水量預(yù)測僅是宏觀判定。施工中根據(jù)隧道各區(qū)段富水性的差異，需要開展針對性的超前地質(zhì)預(yù)報手段，采取措施預(yù)防突水涌泥災(zāi)害發(fā)生。

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A brief analysis of the application of calculation method of tunnel water inflow in reconnaissance

Xu Yajun

(EngineeringInvestigationBranch,ChinaRailwayTunnelSurveyDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133，China)

This paper introduced the main theory and method of tunnel water inflow forecast, combining with the engineering and hydrology geology conditions of Hanghuang rail Zigaojian tunnel, using the grading method, groundwater runoff modulus method, rainfall infiltration method, forecast and computation of the tunnel water inflow, obtained relatively objective prediction results.

tunnel, water inflow, evaluation method, rainfall infiltration method

1009-6825(2016)11-0171-03

2016-02-01

許亞軍(1977- )，男，高級工程師

TU453.6

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