深埋隧道斷裂帶涌水量預(yù)測(cè)分析

程小勇 黃勤健

摘要： 深埋特長(zhǎng)隧道是高速公路建設(shè)當(dāng)中的控制性工程，開(kāi)挖過(guò)程中如遇到高壓涌水，必定對(duì)工程施工造成不利影響。鴻圖特長(zhǎng)隧道因其受到蓮花山深大斷裂構(gòu)造影響，隧道開(kāi)挖過(guò)程中在火成巖張性裂隙中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的高壓大流量涌水。以鴻圖特長(zhǎng)隧道為例，選取受斷裂構(gòu)造帶控制涌水的代表性洞段，采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式對(duì)基巖段與斷裂帶涌水量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。結(jié)果顯示：隧道K91+010～K91+550段主要斷層F2系列的預(yù)測(cè)最大涌水量為192 258 m3/d，與實(shí)際開(kāi)挖最大涌水量189 576 m3/d基本吻合。該計(jì)算方法所得的涌水量更加貼合工程實(shí)際情況，對(duì)于該地質(zhì)條件下的涌水量計(jì)算有著更強(qiáng)的適配性。

關(guān) 鍵 詞： 涌水量預(yù)測(cè); 古德曼經(jīng)驗(yàn)式; 鴻圖特長(zhǎng)隧道; 蓮花山斷裂

中圖法分類號(hào)： ?U452.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.020

0 引 言

隧道涌水預(yù)測(cè)研究已經(jīng)有近半個(gè)多世紀(jì)的歷史，在涌水量預(yù)測(cè)問(wèn)題上，人們根據(jù)隧道環(huán)境地下水所處地質(zhì)體的不同性質(zhì)、水文地質(zhì)條件的不同復(fù)雜程度、施工的不同方式及生產(chǎn)的不同要求等因素，提出了隧道涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算的確定性數(shù)學(xué)模型和隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型兩大類方法。其中確定性數(shù)學(xué)模型方法包括水文地質(zhì)比擬法[1-2]、徑流模數(shù)法[3]、簡(jiǎn)易水均衡法[4-6]、地下水動(dòng)力學(xué)法[7-9]和數(shù)值模擬法等。其中，王建秀[10]、Hwang[11]、左乾坤[12]、羅雄文[13]等學(xué)者對(duì)隧道涌水機(jī)制及其涌水量的預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，推動(dòng)了隧道涌水問(wèn)題的發(fā)展，并且豐富了涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算的相關(guān)方法。

深埋隧道的涌水量預(yù)測(cè)由于其具有埋深大、地質(zhì)勘察難度大等特點(diǎn)，在預(yù)測(cè)上難度較大。本文以鴻圖特長(zhǎng)隧道為例，由于其穿越蓮花山斷裂帶核部，在開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生了高壓大流量涌水，其進(jìn)口段左線ZK91+163、右線K91+169涌水量高達(dá)3 000 m3/h以上，瞬時(shí)最大水壓達(dá)4.8 MPa，加之其位于火成巖地區(qū)，在工程案例中十分罕見(jiàn)，涌水量預(yù)測(cè)具有一定的難度。因此，使用合適的涌水預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道涌水類型、部位、涌水強(qiáng)度及涌水量對(duì)隧道建設(shè)而言至關(guān)重要。

1 隧址區(qū)地質(zhì)條件概述

大（埔）豐（順）（五）華高速公路是廣東省擬規(guī)劃高速公路網(wǎng)中的加密聯(lián)絡(luò)線，是梅州市南部區(qū)縣相互連接的交通主干線，也是梅州市高速路網(wǎng)的橫向連接線。鴻圖特長(zhǎng)隧道起點(diǎn)位于豐順縣湯西鎮(zhèn)高己石以北約500 m處山坡，終點(diǎn)位于五華縣郭田鎮(zhèn)三渡水水庫(kù)南側(cè)的下麻石東約 120 m處山坡。

鴻圖特長(zhǎng)隧道位于構(gòu)造抬升侵蝕剝蝕中低山地貌區(qū)，山體寬厚、起伏較大，隧道的最大埋深達(dá)740 m。隧址區(qū)的地層巖性主要為侏羅系熔結(jié)凝灰?guī)r和燕山期花崗巖[14-15]。隧道洞身以中、微風(fēng)化巖為主，圍巖等級(jí)為Ⅱ～Ⅴ級(jí)。受區(qū)域性蓮花山深大斷裂多期次活動(dòng)影響，隧址區(qū)整體呈現(xiàn)南東-北西兩側(cè)斷陷中間抬升的地壘式地貌特征。隧道洞身斷層構(gòu)造等十分發(fā)育，又穿越熔結(jié)凝灰?guī)r與花崗巖以及不同期次花崗巖的接觸帶，形成一個(gè)交錯(cuò)的區(qū)域構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，其巖性和構(gòu)造條件都較為復(fù)雜。在隧道施工中出現(xiàn)了高壓大流量涌水問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程施工安全。

該地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫21.2（五華）～21.7 ℃（豐順），多年平均降雨量1 519.7（五華）～1 865.6 mm（豐順），位于韓江和榕江兩大水系的分水嶺區(qū)域，溪溝發(fā)育，多年平均徑流量27.356億m3。

隧址區(qū)地下水類型根據(jù)其形成自然條件，運(yùn)移規(guī)律、賦存空間特征可分為兩類，即松散巖類孔隙水和基巖構(gòu)造裂隙水，松散巖類孔隙水呈局部分布，基巖裂隙水廣泛分布于工作區(qū)。根據(jù)資料，該地區(qū)的巖（土）層按風(fēng)化強(qiáng)度依次可分為[16]：

（1） 地表風(fēng)化殘積層。包括粉質(zhì)黏土、碎石、粉質(zhì)（砂質(zhì)）黏土等，厚度8.0～15.5 m，滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=0.1 m/d。碎石的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=50 m/d。

（2） 全風(fēng)化帶。黃褐色，巖芯呈堅(jiān)硬土狀，結(jié)構(gòu)清晰，巖石已完全風(fēng)化，手捏易散。零星分布，厚度6.0～8.5 m。滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=0.100 m/d。

（3） 強(qiáng)風(fēng)化帶。巖質(zhì)較軟，半巖半土狀巖芯遇水易軟化。局部分布，厚度1～40 m。滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=0.050～0.100 m/d。

（4） 中風(fēng)化帶。巖石節(jié)理裂隙很發(fā)育，裂隙面多見(jiàn)鐵銹浸染，巖質(zhì)較硬，局部分布厚度4～30 m。滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=0.03 m/d。

（5） 微風(fēng)化帶。巖體堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度低，呈塊狀結(jié)構(gòu)，最大揭示厚度為25 m。滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=0.008 m/d。

由于區(qū)域受到蓮花山深大斷裂帶的影響，該地區(qū)呈現(xiàn)南東-北西兩側(cè)斷陷中間抬升的地壘式地貌特征[17]，主要表現(xiàn)為由復(fù)式向斜以及廣泛發(fā)育的以北東向斷裂帶為主，北西、東西向斷裂為次的構(gòu)造格局。隧址區(qū)的涌水構(gòu)造大都是與北東向主干斷裂帶有關(guān)的次一級(jí)束狀平行或斜切斷裂，而次一級(jí)的北西向斷裂和東西向斷裂則將多條北東向主干斷裂連通了起來(lái)，這些斷裂互相交錯(cuò)連通，構(gòu)成了區(qū)域構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，為地區(qū)的基巖裂隙水提供了發(fā)育條件。而錯(cuò)綜復(fù)雜的構(gòu)造也使得該區(qū)域的水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變[18]，隧道涌水變得難以預(yù)測(cè)，對(duì)施工也造成了很大的困擾。

2 隧道早期涌水量預(yù)測(cè)

鴻圖特長(zhǎng)隧道的最大涌水量預(yù)測(cè)主要使用了古德曼經(jīng)驗(yàn)式[19-20]，見(jiàn)公式（1）。各個(gè)區(qū)段內(nèi)的最大涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

Q0=L 2πKH ln 4H d?? （1）

式中：Q 0 為隧道通過(guò)含水體地段的最大涌水量，m3/d;K為含水體滲透系數(shù)，m/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m，本次采用塊段平均距離;d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m;L為隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度，m。

本次預(yù)測(cè)的隧道正常涌水量為單線涌水量，由于該隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，左右線洞室間距約為35 m，故整體隧道洞室建議正常涌水量按2倍計(jì)算，即按26 484.36 m3/d考慮。另外，在特大暴雨等極端情況下，預(yù)測(cè)整體隧道洞室的最大涌水量總和達(dá)144 274.74 m3/d（22.76 m3/（d·m））。

3 開(kāi)挖后實(shí)際涌水量及其影響因素

3.1 開(kāi)挖后涌水量變化

隧道開(kāi)挖后，涌水地段如圖1如示。在K91+010～K91+380段的涌水量較大，根據(jù)古德曼經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算該段單線最大涌水量為40 548.38 m3/d。實(shí)際開(kāi)挖中，在2019年11月14日，左線出現(xiàn)最大涌水量為66 456 m3/d;2020年1月13日，右線K91+343處出現(xiàn)最大涌水量為80 520 m3/d。2019年11月14日，該地段施工中雙線最大涌水量最高達(dá)到107 256 m3/d，此時(shí)左洞該區(qū)段涌水量為66 456 m3/d，右洞該區(qū)段為40 800 m3/d，在開(kāi)挖過(guò)程中在此段揭露斷層F2-1。

K91+380～K91+550段，根據(jù)古德曼經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算單線最大涌水量為19 619.04 m3/d。實(shí)際開(kāi)挖中，在2020年5月20日，左線于ZK91+465處出現(xiàn)該段最大涌水量，為38 448 m3/d;在2020年4月23日，右線于K91+397處出現(xiàn)最大涌水量，為64 800 m3/d，同時(shí)在這一天出現(xiàn)了該區(qū)段的雙線最大涌水量，最高達(dá)到82 320 m3/d，此時(shí)左洞涌水量為17 520 m3/d，斷層F2-2～F2-5、F2-6和F4-5經(jīng)過(guò)該區(qū)段。

可以看出實(shí)際涌水量與前期古德曼經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測(cè)的數(shù)值相差較大，其原因主要是鴻圖特長(zhǎng)隧道位處火成巖，巖體本身的滲透系數(shù)較小，主要的涌水多來(lái)自于該區(qū)域的富水?dāng)嗔褞?，因此?duì)斷裂帶的研究分析對(duì)閘明這一區(qū)域高壓大流量涌水的由來(lái)十分重要，而原預(yù)測(cè)方法未凸顯出富水?dāng)嗔褞г谟克坑?jì)算中的影響。

3.2 相關(guān)斷層概況

斷層F2-1～F2-5都為F2-6的次級(jí)斷裂面，F(xiàn)2-1、F2-3和F2-5這3條斷裂在隧道開(kāi)挖過(guò)程中均有揭露且都有程度不一的滲水漏水現(xiàn)象。

F2-1斷層走向北東，傾向南東，傾角63°，為張性斷層，大概位置為K91+300左120 m處，破碎帶的可見(jiàn)寬度大于3 m，其中發(fā)育構(gòu)造巖，并且有明顯滲水現(xiàn)象。

F2-3斷層走向北東，傾向北西，傾角80°，為張性斷層，大概位置為K91+400處，位于高壓富水段落中。破碎帶的可見(jiàn)寬度大于3 m，其中發(fā)育構(gòu)造巖，斷裂帶中巖體破碎，裂隙十分發(fā)育，并且有著明顯的滲水現(xiàn)象。

F2-5斷層走向北東，傾向北西，傾角65°，為張性斷層，大概位置為K91+424處，位于高壓富水段落中。其在鴻圖特長(zhǎng)隧道上部的引水隧洞中揭露，破碎帶可見(jiàn)寬度大于5 m，其中發(fā)育構(gòu)造巖，斷裂帶中有強(qiáng)烈的蝕變現(xiàn)象，并且漏水較為嚴(yán)重。

F2-6斷層走向北東東，傾向南東，傾角83°，為張扭斷層，斷層硅化帶長(zhǎng)度大于1 km，位于高壓富水段落中，與隧道在K91+500位置呈約45°角相交，寬約6～15 m。斷層中可見(jiàn)塊狀石英脈、碎裂巖和硅化破碎火山巖等，滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=20 m/d。在ZK91+320附近，根據(jù)地面物探顯示，該處電阻率等值線陡傾，發(fā)育有斷層。

F4-5斷層走向北北西，傾向多變，北段傾向南西，南段傾向北東及東，傾角84°，為張性斷層，自風(fēng)門坳以北往南東經(jīng)油魚壩坑、礤肚一帶延伸，斷層中可見(jiàn)輝綠巖脈、塊狀石英脈、斷層角礫巖等，斷層局部裂隙較發(fā)育，出露寬度約為6～10 m。

4 分段預(yù)測(cè)涌水量

由于鴻圖特長(zhǎng)隧道位于火成巖區(qū)域，區(qū)域基巖的滲透系數(shù)相對(duì)較小，因此在對(duì)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候，應(yīng)加大斷裂帶在涌水計(jì)算中的權(quán)重。本文以古德曼經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，對(duì)上述區(qū)段內(nèi)的涌水量進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，將區(qū)段內(nèi)的涌水量分為基巖和斷裂帶兩部分分別計(jì)算，最終將二者相加得到該區(qū)域的最大涌水量值。

4.1 基巖段涌水量

在基巖段部分根據(jù)古德曼經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行最大涌水量的計(jì)算，由于該區(qū)段在目前隧道開(kāi)挖部分中屬于涌水量最為異常的部分，在該區(qū)段開(kāi)挖揭露了斷層F2-1～F2-5、F2-6與F4-5，該區(qū)段的主要涌水都集中于這幾條斷層及其周邊的次級(jí)斷裂和裂隙，因此將斷裂涌水量單獨(dú)計(jì)算，剩余基巖段則看作微風(fēng)化巖體進(jìn)行計(jì)算，取其平均滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值K=0.008 m/d，另外隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度L也將減去斷裂帶的寬度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到表2。

4.2 斷裂帶涌水量計(jì)算

由于K91+010～K91+550段埋深較大，在斷裂帶涌水中體現(xiàn)的承壓性強(qiáng)，因此使用承壓含水層裘布依理論公式[21]，即公式（2）對(duì)斷裂帶涌水量進(jìn)行計(jì)算，得到表3結(jié)果。

Qs=2.73 KMS lgR-lgr? （2）

式中：Qs為計(jì)算段的隧道正常涌水量，m3·d;K為含水體滲透系數(shù)，m/d;S為含水層水位降深，m;R為影響半徑，m，一般可利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算;r為洞身橫斷面等價(jià)圓半徑，m;M為含水層厚度，m。

其中斷裂帶的滲透系數(shù)K值為前期勘探報(bào)告中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)值，含水體厚度是根據(jù)該區(qū)域風(fēng)化層厚度資料結(jié)合隧道地形剖面圖計(jì)算得出的中微風(fēng)化部分與新鮮基巖段的厚度選取，影響半徑是通過(guò)水文地質(zhì)條件大致所取的平均值。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可看出：在K91+010～K91+550這一區(qū)段處，該區(qū)段隧道左右線的最大涌水量為斷層涌水量與基巖涌水量之和，192 258 m3/d，實(shí)際測(cè)得的最大涌水量189 576 m3/d，在總量上二者較為相近。但將區(qū)段分離為K91+010～K91+380段與K91+380～K91+580段時(shí)可以看出前者的最大涌水量較之后者多出24 936 m3/d;而在計(jì)算結(jié)果中可以看出，K91+380～K91+580段的最大涌水量則是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K91+010～K91+380段。這說(shuō)明了斷層之間存在著水力聯(lián)系，當(dāng)開(kāi)挖到某一斷層時(shí)會(huì)導(dǎo)致該斷層聯(lián)動(dòng)周邊甚至是外開(kāi)挖區(qū)段斷層中的構(gòu)造裂隙水，從揭露的斷層中一同涌出，出現(xiàn)大于預(yù)期的涌水量，這也解釋了在開(kāi)挖至K91+380段之后，雖然導(dǎo)水?dāng)嗔迅影l(fā)育，涌水量卻未能達(dá)到預(yù)測(cè)值這一現(xiàn)象。

古德曼經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中將各個(gè)區(qū)段都概化為均質(zhì)含水層，而實(shí)際的涌水量則取決于該區(qū)段的斷層揭露位置、寬度和斷層間水力聯(lián)系等因素，因此與實(shí)際涌水量比起來(lái)數(shù)值偏小。同時(shí)整個(gè)計(jì)算區(qū)段的最大涌水量計(jì)算值與實(shí)際涌水量相近也可以體現(xiàn)出該區(qū)段的斷層雖然分布不均，但是其在總體上涌水量則符合實(shí)際，可以看出這些斷層在隧址區(qū)內(nèi)存在著一定的水力聯(lián)系。

5 結(jié)論及建議

（1） 由于隧址區(qū)地處蓮花山斷裂的核部，區(qū)域呈地壘式構(gòu)造，其中發(fā)育有縱橫交錯(cuò)的構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，因此在針對(duì)類似涌水問(wèn)題時(shí)，由于基巖裂隙水占隧道涌水的主要部分，在涌水量的計(jì)算上應(yīng)當(dāng)以斷裂帶為涌水的主要影響因素，增加構(gòu)造裂隙水在其中的權(quán)重，方能使計(jì)算結(jié)果更加契合實(shí)際工程。

（2） 估算涌水量時(shí)將含水層概化為均質(zhì)各向同性的理想狀態(tài)，實(shí)際上隧址區(qū)含水層（體）為非均質(zhì)的各向異性巖體，且隧道埋深大，受地形地貌及構(gòu)造等因素影響，難以準(zhǔn)確界定隧道開(kāi)挖時(shí)的匯流面積，且隧道開(kāi)挖時(shí)地下水流場(chǎng)變得復(fù)雜，在計(jì)算中易產(chǎn)生誤差。

（3） ?在計(jì)算中可以看出，當(dāng)區(qū)域構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)時(shí)，對(duì)于單一斷裂帶涌水量的計(jì)算往往會(huì)因?yàn)槠溥B通了周邊富水?dāng)嗔阎械臉?gòu)造裂隙水而使得實(shí)際涌水量偏大，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期值，而區(qū)域構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的一體化以及隧道的大埋深也使得涌水呈現(xiàn)出高壓力、大流量等特點(diǎn)。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

程小勇，黃勤健.深埋隧道斷裂帶涌水量預(yù)測(cè)分析

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（8）：133-136，150.

Prediction of water inflow in deep-buried tunnel controlled by fault zone

CHENG Xiaoyong 1，HUANG Qinjian 2

（ 1.Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510507，China; 2.School of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China ）

Abstract：

The deep-buried extra-long tunnel is a control project in the construction of expressway.If the high-pressure water gushing is encountered in the process of excavation，it will have an adverse impact on the construction of the project.The Hongtu extra-long tunnel was affected by the deep and large Lianhuashan fault.During the tunnel excavation，there was a strong high-pressure and large-flow water gushing in the tensile fissure of igneous rock.Taking the Hongtu extra-long tunnel as an example，for representative tunnel section of water gushing controlled by fault structure zone，we calculate the water gushing quantity of bedrock section and fault zone respectively by Goodman empirical formula.The results show that the predicted maximum water inflow of the main fault F2 series in K91+010～K91+550 is 192 258 m3/d，which is basically consistent with the actual excavation maximum water inflow 189 576 m3/d.The water inflow calculated by this method is more suitable to the actual situation of the project and has a stronger adaptability to the calculation of water inflow under this geological condition.

Key words：

prediction of water inflow;Goodman Empirical Formula;Hongtu extra-long tunnel;Lianhuashan fault