超長隧道涌水量預(yù)測

蔣 亮，劉遠明，楊家曌，堯 林

(1.貴州高速公路集團有限公司 貴陽市 550001； 2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院 貴陽市 550025；3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

桐梓隧道是蘭州至海口國家高速公路重慶至遵義段(貴州境)擴容工程控制性工程，為分離式雙向六車道大跨度隧道，左幅起止樁號為 ZK34+508～ZK45+005，長10497 m，進出口底板標高分別為895.87m、1079.35m，最大埋深649m；右幅起止樁號為 YK34+530～YK45+015，長10485m，最大埋深約639.07m，進出口底板標高分別為896.30m、1079.25m；隧道縱坡為2%。桐梓隧道長度大于10000m，是貴州省境內(nèi)第一條超長高速公路隧道。

若處治不當， 隧道易發(fā)生涌水、突水以及突泥災(zāi)害，不僅導(dǎo)致工程重大損失、工期延誤, 甚至造成人員傷亡。文獻[1-10]詳細分析了隧道涌水量預(yù)測方法特點，提出了合理隧道涌水量預(yù)測的建議。桐梓隧道施工分為兩個標段，出口施工標段面臨長距離反坡排水問題。正確地預(yù)測隧道涌水量有助于合理預(yù)防隧道涌突水災(zāi)害和節(jié)省工程費用。

經(jīng)現(xiàn)場實際調(diào)查、地質(zhì)資料收集和詳細分析，并在現(xiàn)場進行深孔壓水試驗獲取滲透系數(shù)。按照文獻[1]要求，結(jié)合文獻[11]提出的不同預(yù)測方法，分別采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式對桐梓隧道涌水量進行了預(yù)測。預(yù)測的隧道涌水量可作為桐梓隧道設(shè)計和施工的依據(jù)，也可為同類工程提供參考。

1 水文地質(zhì)概況

桐梓隧道穿越的褶皺構(gòu)造有東山背斜、高橋向斜、茅壩向斜，穿過的斷裂主要為開肩堡斷層、令狐家埡口斷層、出水孔斷層和夜貓洞斷層。測區(qū)地處松坎河、桐梓河和清溪河的上游，分別屬長江流域綦江水系、赤水河水系與烏江水系。松坎河、桐梓河和清溪河差異較大，但均為山區(qū)雨源型河流，主要由降水補給徑流，局部地下水有一定調(diào)節(jié)作用。場區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫 14.7℃，極端最高 36.6℃，極端最低-6.9℃；多年平均降水量1037.3mm，年最大降雨量 1374mm，最大日降雨量173.3mm。隧址區(qū)地表無常年地表徑流。因山體高程落差大，地形坡度較陡，地表水分散排泄速度快，僅在雨季因降水及泉點水出露排泄于沖溝內(nèi)集中徑流，形成短淺溪流。以地表分水嶺為界，重慶端地表徑流流入松坎河，遵義端流入桐梓河。

隧址區(qū)地層眾多，巖性多樣，組合復(fù)雜。上覆第四系土層分布零星，厚度不大。出露的基巖有：三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r、夜郎組灰?guī)r(T1y )泥巖夾泥灰?guī)r，二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)灰?guī)r、龍?zhí)督M(P3l)煤系地層，二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)灰?guī)r、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖，志留系中統(tǒng)韓家店組(S1h)泥巖、石牛欄組(S1sh)泥質(zhì)泥巖、下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)泥質(zhì)灰?guī)r與泥巖互層，奧陶系中上統(tǒng)五峰組(O3w)、澗草溝組(O3j)、寶塔組(O2b)灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r。隧道穿越的碳酸鹽巖地層有二疊系中統(tǒng)棲霞組-茅口組(P2q-m)灰?guī)r，二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)茅草鋪組段(T1m)灰?guī)r。巖溶發(fā)育形態(tài)主要為巖溶洼地、落水洞、溶洞、溶隙及暗河管道，受巖性和構(gòu)造限制，多呈帶狀和塊狀出現(xiàn)。

區(qū)內(nèi)出露地層多樣，根據(jù)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水，以碳酸鹽巖巖溶水為主。

地表分水嶺與地下分水嶺總體一致，依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用， 將區(qū)內(nèi)分為三個水文地質(zhì)區(qū)：松坎河流域水文地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)、桐梓河流域水文地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)、清溪河流域水文地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)，再按構(gòu)造單元、地貌形態(tài)類型，劃分為 7 個亞區(qū)，亞區(qū)邊界是以隔水巖層和阻水斷層為界，見圖1。

2 桐梓隧道滲透系數(shù)試驗

結(jié)合桐梓隧道區(qū)水文地質(zhì)情況，選擇有代表性鉆孔 ZK5(YK35+782左8m)、ZK6( ZK37+990右10m)、ZK7 (ZK42+395左8m)進行壓水試驗，以獲取各巖性段滲透系數(shù)。

參照文獻[12]進行壓水試驗，采用三級壓力五個壓水段進行，即按 P1—P2—P3—P4(=P2)—P5(=P1)進行，P1、P2、P3 壓力級分別為 0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa。安裝好實驗設(shè)備后，每隔 5min 進行一次觀測，當相鄰讀數(shù)之差小于最終讀數(shù) 10%時結(jié)束本次觀測。采用文獻[12]附錄D式D.1計算巖石的滲透系數(shù)，試驗壓力按照 1m=9.8kPa 進行折算。

根據(jù)桐梓隧道圍巖情況，將桐梓隧道劃分為40段分別計算滲透系數(shù)，其中YK44+055～YK44+290段滲透系數(shù)最小為0.012，YK42+315～YK42+395段滲透系數(shù)最大為0.435。

3 桐梓隧道涌水量預(yù)測

隧道各段涌水量采用降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式進行預(yù)測，并對各方法預(yù)測結(jié)果進行對比分析。

3.1 大氣降水入滲法

Q=2.74α·W·A

(1)

式中：Q—隧道通過含水巖體地段的涌水量(m3/d)；

α—降水入滲系數(shù)；

W—降雨量；

A—隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。

通過現(xiàn)場水文試驗并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗值選取降水入滲系數(shù)，降雨量選桐梓隧道區(qū)內(nèi)日最大降水量173.3mm。隧道各段涌水量采用大氣降水入滲法，計算結(jié)果見表1。將各段降雨量累加得隧道最大涌水量為202093m3/d。

表1 大氣降水入滲法計算隧道涌水量

3.2 地下徑流模數(shù)法

Q=86.4×M×A

(2)

式中：Q—隧道通過含水巖體地段的涌水量(m3/d)；

M—地下徑流模數(shù)(l3/(s·km2))；

A—隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。

根據(jù)《桐梓幅1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告》及相關(guān)經(jīng)驗選取隧道區(qū)域最大徑流模數(shù)。根據(jù)隧道地下水匯水范圍，在1∶1萬地形地質(zhì)圖上量測匯水面積。桐梓隧道各段涌水量采用地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果見表2。桐梓隧道最大涌水量為189119m3/d。

表2 地下徑流模數(shù)計算隧道涌水量

3.3 古德曼經(jīng)驗式

(3)

式中：Q—隧道通過含水體底端的最大涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(shù)(m/d)；

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)；

L—隧道通過含水體的長度(m)。

根據(jù)圍巖情況，將桐梓隧道劃分為40段，洞身橫斷面等價圓直徑取為22m。各段含水體滲透系數(shù)根據(jù)水文地質(zhì)試驗所得數(shù)據(jù)及相關(guān)經(jīng)驗綜合取值，靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離根據(jù)各鉆孔的穩(wěn)定水位及水流坡度綜合確定。

按古德曼經(jīng)驗式法預(yù)測隧道正常涌水量排前5的隧道計算結(jié)果見表3。

表3 古德曼經(jīng)驗式法預(yù)測隧道涌水量

將桐梓隧道40個段預(yù)測涌水量相加可得到總涌水量。通過各段預(yù)測涌水量累加，按古德曼經(jīng)驗式法預(yù)測隧道涌水量為192467m3/d。

3.4 鐵路經(jīng)驗公式法

(1)按鐵路經(jīng)驗公式I預(yù)測正常涌水量見式(4)

Q0=KH(0.676-0.06K)·L

(4)

式中：Q0—正常涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(shù)(m/d)；

H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)；

L—隧道通過含水體的長度(m)。

(2)按鐵路經(jīng)驗公式II預(yù)測最大涌水量見式(5)

Q=(0.0255+1.9224KH)·L

(5)

式中：Q—最大涌水量(m3/d)；

K—含水體滲透系數(shù)(m/d)；

H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)。

同樣地，將桐梓隧道劃分為40段，各段含水體滲透系數(shù)、靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離的取值與古德曼經(jīng)驗式法相同。

按鐵路經(jīng)驗式法I預(yù)測隧道正常涌水量排前5的計算結(jié)果及按鐵路經(jīng)驗式法II預(yù)測隧道最大涌水量排前5的計算結(jié)果見表3。

表4 鐵路經(jīng)驗式法預(yù)測隧道涌水量

將桐梓隧道40段預(yù)測涌水量相加可得到總涌水量。通過各段預(yù)測涌水量累加，按鐵路經(jīng)驗公式I預(yù)測隧道正常涌水量為82256m3/d，按鐵路經(jīng)驗公式II預(yù)測隧道最大涌水量為238955m3/d。

4 桐梓隧道涌水量預(yù)測分析

將大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式預(yù)測隧道最大涌水量列入表5。

表5 隧道涌水量表(單位： m3/d)

由表5可見：

(1)鐵路經(jīng)驗公式法預(yù)測的隧道最大涌水量值最大，降水入滲法次之，古德曼經(jīng)驗式法再次之，地下徑流模數(shù)法預(yù)測的隧道涌水量值最小。預(yù)測的隧道最大涌水量值介于189119～238955m3/d。

(2)地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、大氣降水入滲法等預(yù)測隧道最大涌水量較為接近。

(3)桐梓隧道涌水量很大，在設(shè)計和施工中應(yīng)引起重視。特別是YK39+480～YK39+970段、YK41+425～YK41+545段涌水量、YK42+395～YK43+180段局部涌水量大，施工中應(yīng)做好超前預(yù)報工作，采取合理措施，防止涌突水災(zāi)害。

5 結(jié)論

通過分析桐梓隧道區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，并按水文地質(zhì)條件進行區(qū)段劃分，選擇降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式等方法進行計算，并相互核對，確定桐梓隧道涌水量。

(1)依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用，將桐梓隧道區(qū)分為三個水文地質(zhì)區(qū)，再按構(gòu)造單元、地貌形態(tài)類型，劃分為 7 個亞區(qū)，亞區(qū)邊界是以隔水巖層和阻水斷層為界。

(2)選取桐梓隧道區(qū)內(nèi)日最大降水量(173.3mm)，按照隧道圍巖特性先計算隧道各段涌水，然后匯總得整個隧道涌水量。

(3)鐵路經(jīng)驗公式法預(yù)測的隧道最大涌水量為238955m3/d，是4種方法預(yù)測隧道最大涌水量中最大的；地下徑流模數(shù)法預(yù)測的隧道最大涌水量為189119m3/d，是4種方法預(yù)測隧道最大涌水量中最小值。

(4)對于YK39+480～YK39+970段、YK41+425～YK41+545段涌水量、YK42+395～YK43+180段局部涌水量大，施工中應(yīng)做好超前預(yù)報工作，采取合理措施，防止涌突水災(zāi)害。