隧道工程勘察階段涌水預測的問題探討

袁廣祥，李建勇，黃志全，王朋姣

(華北水利水電大學，河南鄭州 450045)

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隧道工程勘察階段涌水預測的問題探討

袁廣祥，李建勇，黃志全，王朋姣

(華北水利水電大學，河南鄭州 450045)

隧道涌水量預測對隧道的設計和施工至關重要，相關勘察規(guī)范要求在一定階段預測隧道涌水量。目前有多種方法用于預測隧道涌水量，但每種方法都有其適用范圍。通過對這些方法進行分析，結合對實際隧道工程涌水量的預測，對于裂隙巖體中的隧道，要準確預測隧道涌水量，需要解決兩個問題：地下水位和滲透系數(shù)。以鉆孔水位為基礎，利用物探技術，建立等效的虛擬基巖裂隙水連續(xù)水位線。滲透系數(shù)一般由鉆孔水文地質試驗測得，在涌水預測時，應根據(jù)優(yōu)勢結構面產狀進行修正。

隧道 勘察 涌水 預測

Yuan Guang-xiang，Li Jian-yong，Huang Zhi-quan，Wang Peng-jiao. On prediction of water inflow into tunnels during engineering surveys [J]. Geology and Exploration, 2015, 51(5):0993-0998.

隧道在施工和運營期間發(fā)生涌水，會嚴重影響隧道的施工和運營，造成巨大的經濟財產損失，甚至會造成人員傷亡。如日本的舊丹那隧道1918年開工后曾6次遇到大突水，造成嚴重傷亡，致使工期達16年之久。我國的大瑤山隧道豎井平導洞施工時，發(fā)生突水，造成豎井和洞內設備被毀，中斷施工1年之久。雅礱江錦屏二級水電站施工探硐發(fā)生大型突水，沖毀了施工設備，并廢棄了一條施工隧道(王建秀等，2004)。因此，在勘察階段，準確預測隧道涌水量，對隧道設計、安全施工和運營管理都是相當重要的，尤其對合理選擇隧道防排水措施特別重要。為此一些勘察規(guī)范要求在勘察階段預測隧道的涌水量，如《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)規(guī)定在地下洞室的詳細勘察階段應預測開挖期間出水狀態(tài)、涌水量；《鐵路工程地質勘察規(guī)范》(TB10012-2007)要求預測洞身最大涌水量和正常分段涌水量；《鐵路工程水文地質勘察規(guī)程》(TB10049-2004)對山嶺隧道工程的水文地質調繪要求分段預測施工階段可能發(fā)生的最大涌水量和正常涌水量；《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB50487-2008)對初步設計階段隧洞的勘察要求估算最大涌水量；《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》(GB50287-2006)對可行性研究階段地下廠房系統(tǒng)的勘察，要求預測掘進時發(fā)生突水、突泥的可能性，估算最大涌水量和穩(wěn)定涌水量；《公路工程地質勘察規(guī)范》(JTGC20-2011)對初步勘察階段要求查明地下水涌水量。

1 涌水量預測方法的探討

關于隧道涌水量預測的方法，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)、《鐵路工程地質勘察規(guī)范》(TB10012-2007)《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》(GB50487-2008)和《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》(GB50287-2006)中并未提及。《公路工程地質勘察規(guī)范》(JTGC20-2011)只提出“隧道的地下水涌水量應根據(jù)隧址水文地質條件選擇水文地質比擬法、水均衡法、地下水動力學方法等進行綜合分析評價?！辈⑽唇o出具體的計算方法?！惰F路工程水文地質勘察規(guī)程》(TB10049-2004)給出了幾種預測隧道涌水量的方法：簡易水均衡法(包括地下徑流深度法、地下徑流模數(shù)法及降雨入滲法)、地下水動力學法(古德曼經驗公式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、裘布依理論公式及佐藤邦明經驗式)和水文地質比擬法。

1.1 水均衡法

水均衡法是地下水資源評價的一種基本方法，根據(jù)質量守恒原理，視均衡區(qū)為一整體時，某一均衡時段內地下水補給量與消耗量之差，應等于該均衡區(qū)含水層中地下水總量的變化量(林壢等，2011)?；谒獾脑?，可以查明隧道施工期水量的補給與消耗之間的關系，進而可以獲得施工段的涌水量。常用的水均衡方法有地下徑流深度法(式1)、地下徑流模數(shù)法(式2)和大氣降水入滲法(式3)。

Qs=2.74h·A

(1)

Qs=M·A

(2)

Qs=2.74α·W·A

(3)

式中：Qs——隧道通過含水體地段的正常涌水量(m3/d)；

h——年地下徑流深度(mm)；

A——隧道通過含水體地段的集水面積(km2)；

M——地下徑流模數(shù)[m3/(d·km2)]；

W——年降水量(mm)；

α——降水入滲系數(shù)。

地下徑流深度法(式1)：假定在某一流域內，大氣降水是地表水、地下水、蒸發(fā)蒸散和地面滯水等的總源。

由式1可見，地下徑流深度法預測隧道涌水量，需要考慮的因素很多，包括滲流域的氣候、降水量及其強度、植被、地形地貌和地質(巖性、構造)條件等，而且關系復雜。

地下徑流模數(shù)法(式2)和大氣降水入滲法(式3)：假設隧道涌水是通過大氣降水入滲造成的，入滲到隧道的水量受地下徑流模數(shù)(M)和降水入滲系數(shù)(α)的影響。而這兩個參數(shù)又受地形地貌、植被、地質和水文地質條件的影響。

由此可見，水均衡法只能針對獨立的地表水流域內或水文地質單元，預測進入施工段總的“可能涌水量”，而不能用來計算單獨隧道的涌水量，更不能對隧道進行分段預測涌水量。由于水均衡法考慮的是地下水的補給與排泄之間的關系，而補給的主要來源是大氣降水，因此，采用水均衡法計算時，要求有比較豐富的氣象、水文及水文地質資料。此外，埋深較大時，水量的變化受外界影響較小，因此，水均衡法一般適用于淺埋隧道。

1.2 地下水動力學法

1962年Polubarinova-Kochina(1962)導出了隧道單位長度涌水量的近似計算公式，自此之后許多學者以地下水動力學理論為基礎，基于如圖1所示的計算模型，對隧道涌水量進行了預測研究，推導出來了一系列的公式(袁廣祥等，2013)：

q=2πKh·f(h/r)

(4)

式中：q——隧道單位長度穩(wěn)定滲流量[m3/(d·m)]

K——滲透系數(shù)(m/d)

r——隧道半徑(m)

h——地下水位與隧道中心線之間的距離(m)。

f(h/r)是h/r的函數(shù)，不同的計算公式，其表達式不同。

圖1 簡化的計算模型Fig.1 Simplified model of calculation

對于這一系列公式，當h>>r時其值近似相同。由于在這些公式中古德曼公式(式5)表達最簡單，所以可以用古德曼公式表示。

(5)

《鐵路工程水文地質勘察規(guī)程》(TB10049-2004)推薦了古德曼公式和佐藤邦明非穩(wěn)定流式(6)兩種計算方法用于預測最大涌水量，同時推薦了裘布依理論式(7)和佐藤邦明經驗式預測正常涌水量(8)。

(6)

式中：q——隧道通過含水體地段的單位長度最大涌水量[m3/(s·m)]；

m——換算系數(shù)，一般取0.86；

hc——含水體厚度(m)。

(7)

式中：qs——隧道通過含水體地段的單位長度正常涌水量[m3/(s·m)]；

H——洞底以上潛水含水體厚度(m)；

h1——洞內排水溝假設水深(一般考慮躍水值)(m)；

Ry——隧道涌水地段的引用補給半徑(m)。

(8)

由于這些方法是以地下水動力學理論為基礎的，為滿足地下水動力學的條件，一般要對簡化地質模型做一些基本假定，這些假定會導致在計算的過程中與實際情況有出入。

《鐵路工程水文地質勘察規(guī)程》(TB10049-2004)編寫組根據(jù)工程實例總結出預測隧道正常涌水量(式9)和隧道最大涌水量(式10)的經驗公式：

qs=K·H(0.676-0.06K)

(9)

q=0.0255+1.9224K·H

(10)

這兩個公式是用日本2個隧道、前蘇聯(lián)1個坑道和我國2個隧道的最大涌水量、正常涌水量、平均滲透系數(shù)、平均含水體厚度和涌水影響寬度等實際資料，經相關分析得出的。所以，這兩個公式在實際應用中存在一定的局限性，計算結果一般比上述理論公式要大，和實際結果相比，其預測值也較大。

第四紀松散沉積物中的孔隙水分布較均勻，含水層內水力聯(lián)系密切，具有統(tǒng)一的潛水面或測壓面。位于第四紀松散覆蓋層中的隧道，在預測其涌水量時，上述各公式計算結果與實際較符合。對于山嶺隧道，圍巖多為裂隙巖體，地下水以基巖裂隙水為主。相對于孔隙水，裂隙水的分布與運動要復雜得多。簡單地利用上述公式進行涌水量預測，誤差較大，需要開展專門的研究。但是，對于多數(shù)隧道工程，一般不會開展專門的地下水預測研究，而是利用上述公式中的幾種進行預測。從上述公式中可以看出，要準確預測隧道涌水量，需要解決兩個問題：地下水位和滲透系數(shù)。

2 地下水位的確定

從式(1)～(10)中可以看出，不論哪一個公式，地下水位的確定是進行計算的關鍵。在隧道工程中，尤其是山嶺隧道，只有在鉆孔處知道準確的地下水位。

相對于裂隙而言，基巖中的孔隙很小，尤其是在水體的賦存方面，基巖中的孔隙水可以忽略不計。因此，基巖中的地下水一般為裂隙水。和第四紀松散覆蓋層中的孔隙水相比，基巖裂隙水的埋藏和分布情況復雜。巖石裂隙是基巖裂隙水的儲存空間和運移通道(圖2)，而巖體裂隙的大小和形狀受地質構造、地層巖性和地貌條件等控制。這些因素造成了基巖裂隙水無統(tǒng)一的地下水面，有時呈無壓水和承壓水交替出現(xiàn)的情況，很難確定地下水位，依靠幾個鉆孔，無法建立連續(xù)的地下水位線。而且在實際工作中，鉆孔數(shù)量相對較少，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)規(guī)定， 初步勘察時鉆孔間距宜100～200m，詳細勘察時山區(qū)地下洞室鉆孔間距不應大于50m；《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》(GB50568-2010)規(guī)定，陸上隧道初步勘察時鉆孔間距400～600m。

圖2 裂隙水系統(tǒng)Fig.2 Fissure water system

如上所述，基巖裂隙水沒有統(tǒng)一的地下水面，實際上不存在連續(xù)的地下水位線(圖2)。而在勘察階段對涌水量預測時，需要一個連續(xù)的地下水位。因此，需要對裂隙巖體的滲流模型進行假設。目前常用的滲流模型有等效連續(xù)介質模型、離散裂隙網(wǎng)絡模型及二者聯(lián)合起來的混合模型(王海龍，2012)。從理論上講，離散裂隙網(wǎng)絡模型最符合實際情況，但在應用中需要掌握巖體中每條裂隙的分布情況和幾何形態(tài)。在實踐上是不可能的。因此，目前的計算，一般把裂隙巖體簡化為等效連續(xù)介質模型，在此基礎上確定地下水位。

基巖裂隙富水，導致巖體的地球物理特性表現(xiàn)為明顯的低阻性；地下水的存在，會在一定程度上對巖石起到軟化作用，其波速也會降低?；诤畮r體的這些地球物理特性，可以利用地球物理勘探的方法探測地下水。如地震法、電法等物探方法在探測地下水中得到廣泛應用。

隧道工程在勘察階段一般不進行地下水探測，但為查明地下地質條件，一般要采取地球物理勘探方法。如《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)要求地下洞室在初步勘察階段，應采用在淺層地震剖面法或其他有效方法圈定隱伏斷裂、構造破碎帶，查明基巖埋深、劃分風化帶；在詳細勘察階段，可采用淺層地震勘探和孔間地震CT或孔間電磁波CT測試等方法，詳細查明基巖埋探、巖石風化程度、隱伏體的位置。在分析地球物理數(shù)據(jù)時，可以結合當?shù)氐膶嶋H情況，分析地下水的賦存情況。由于裂隙水不存在連續(xù)的地下水位線，在實際工作中應結合物探結果和鉆孔中的地下水位，給出虛擬的連續(xù)地下水位線。

圖3 西氣東輸某隧洞工程地質剖面圖Fig.3 Geological profile of a tunnel in west-east gas transmission project1-第四系；2-上元古界長英質糜棱巖；3-上元古界黑云石英片巖；4-地層界線；5-斷層破碎帶；6-地下水位及水位線；7-強 風化；8-弱風化；9-微風化；10-風化界線；11-鉆孔及其編號；12-探井及其編號；13-隧道設計位置1-Quaternary; 2-Upper Proterozoic felsic mylonite; 3-Upper Proterozoic biotite quartz schist; 4-stratigraphic boundary; 5-fault broken zones; 6-underground water level and level line; 7-intensely weathering; 8-moderate weathering; 9-weak weathering; 10- weathering boundary; 11-drill hore and number; 12-wells and number; 13-tunnel design location

3 滲透系數(shù)的確定

從上述各式中可以看出，確定地下水位后，為準確預測涌水量，還需要準確的滲透系數(shù)。目前確定滲透系數(shù)的方法主要是進行水文地質試驗，包括抽水、壓水、注水和提水試驗等。這些水文地質試驗都是在鉆孔中進行的。一般在隧道勘察階段都需要選擇一定數(shù)量的鉆孔，在一定的深度進行水文地質試驗，測定巖體的滲透系數(shù)。

通過水文地質試驗求得的巖體滲透系數(shù)應該是最符合實際的。但水文地質試驗是在鉆孔內進行的，所求的滲透系數(shù)是地下水向鉆孔滲流時的系數(shù)?；鶐r裂隙水在巖體中的流動與裂隙的產狀有密切關系，巖體中裂隙的各向異性導致裂隙水滲流的各向異性。也就是說，滲透系數(shù)也表現(xiàn)為明顯的各向異性。利用地下水向垂直鉆孔滲流測得的滲透系數(shù)，很難適用于近水平隧道的地下水的滲流。即水文地質試驗測得的是水平方向的滲透系數(shù)，而隧道涌水量預測時需要的是垂直方向的滲透系數(shù)。目前幾乎沒有在勘察或設計期間求取垂直方向上的滲透系數(shù)。一般直接利用鉆孔水文地質試驗的結果。

巖體及其滲透系數(shù)的各向異性均受巖體裂隙的控制。滲透系數(shù)與裂隙的密度、產狀應該有密切的關系。同一巖體，水平方向和垂直方向上的差異應該主要表現(xiàn)為裂隙傾角的差異?？辈祀A段進行的工程地質測繪及鉆孔巖芯編錄，可以得知巖體裂隙的優(yōu)勢傾角。因此，已知巖體水平方向上的滲透系數(shù)，可以通過裂隙傾角的修正，求得更符合實際的垂直方向上的滲透系數(shù)。

4 工程實例

西氣東輸某隧道圍巖主要是上元古界黑云石英片巖、上元古界長英質糜棱巖和斷層破碎帶，地表覆蓋很薄的第四系碎石土(圖3)。在勘察階段，測出了鉆孔中的地下水位，如圖3中所示；同時進行了鉆孔注水試驗，測得了不同巖性的滲透系數(shù)(表1)。

表1 鉆孔注水試驗結果

圖4 隧洞物探綜合解釋剖面圖Fig.4 Cross section of comprehensive interpretation of geophysical exploration for the tunnel

圖5 節(jié)理傾角直方圖Fig.5 Histogram of joint dip angles of the tunnel

在對隧道涌水量進行預測時，首先根據(jù)物探結果(圖4)，建立了虛擬的連續(xù)地下水位線，如圖3中所示。其次，根據(jù)結構面的發(fā)育情況和對滲透系數(shù)進行了修正。根據(jù)現(xiàn)場調查結果，片理是工程區(qū)最主要的結構面，其平均產狀為199°∠89°，與隧道軸線(走向131°)方向呈小角度相交。

工程區(qū)的節(jié)理以陡傾角為主(圖5)，受區(qū)域構造的影響，其主導走向105～114°，間距0.1m～1.0m，與隧道軸線(走向131°)方向呈小角度相交。

由此可知，隧洞圍巖向隧洞方向的滲透系數(shù)要比鉆孔測得的滲透系數(shù)大。在進行涌水量預測計算時，所取的滲透系數(shù)K值比表1所列的值大，黑云石英片巖取K=0.9m/d，長英質糜棱巖取K=0.5m/d。

根據(jù)上述建立的虛擬的連續(xù)地下水位線和修正的滲透系數(shù)，對隧洞涌水量進行了預測，其結果和當?shù)仄渌淼篱_挖的實際涌水量相近，符合該隧洞的實際情況。但滲透系數(shù)的具體修正值和修正方式，需等到該隧洞開挖后和實際涌水量進行對比，才能得出更可靠的結論。

5 結論

在勘察階段準確預測隧道開挖時的涌水量，對保障施工和運營期間隧道的安全相當重要，因此相關的勘察規(guī)范要求在隧道勘察的一定階段預測可能涌水量。但對于基巖裂隙水，其賦存和滲流規(guī)律都很復雜，導致預測的涌水量與實際涌水量出入較大。通過對多個隧道進行涌水預測發(fā)現(xiàn)，目前存在兩個問題直接影響預測結果。

(1) 地下水位線的確定?；鶐r裂隙水不存在統(tǒng)一的地下水位線，但現(xiàn)在多采用有限的鉆孔確定連續(xù)的地下水位線。這顯然與實際不符。在勘察中一般要進行地球物理勘探，因此可借助物探在基巖裂隙水探測中的成果，建立等效的虛擬的地下水位線。

(2) 滲透系數(shù)的確定。由于巖體的各向異性，利用鉆孔測得的滲透系數(shù)進行近水平隧道的涌水預測，顯然與實際不符。根據(jù)巖體優(yōu)勢結構面產狀對鉆孔測得的滲透系數(shù)進行修正，其預測結果可能更加準確。

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On Prediction of Water Inflow into Tunnels during Engineering Surveys

YUAN Guang-xiang，LI Jian-yong，HUANG Zhi-quan，WANG Peng-jiao

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450045 )

Prediction of water inflow into a tunnel is very important for design and construction．The relevant codes require predict water yield into the tunnel during some stage of a survey. There are many methods for such prediction, while each has its own applicable limit. When predicting water yield into tunnel during investigation, we find that two questions should be solved to realize precise prediction: determination of the water table and the coefficient of permeability. An equivalent water table of bedrock fissure water can be obtained based on drill holes and geophysical methods. The coefficient of permeability can be measured by hydrogeological tests, which should be amended based on occurrence of main discontinuities.

tunnel, survey, water inflow, prediction

2015-01-18；

2015-07-23；[責任編輯]陳偉軍。

國家自然科學基金項目(編號：41402269)、河南省科技創(chuàng)新人才計劃、華北水利水電大學青年科技創(chuàng)新人才項目聯(lián)合資助。

袁廣祥(1981年-)，男，2009年畢業(yè)于中國科學院地質與地球物理研究所，獲博士學位，副教授，現(xiàn)主要從事工程地質方面的科研與教學工作。E-mail：yuanguangxiang@126.com。

黃志全(1970年-)，男，教授，博士，現(xiàn)主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：huangzhiquan@ncwu.edu.cn。

TV672

A

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