某高速公路隧道涌水量預(yù)測研究

鐘貴莉

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610000)

近年來，隨著我國高速公路的快速發(fā)展，我國修建道路的大量隧道工程長度和寬度也日益擴(kuò)大[1-2]。然而，隧道工程的建設(shè)常常面臨圍巖變形、涌水、突水、地面沉降及塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。在諸多地質(zhì)災(zāi)害中，涌水(尤其是攜帶大量碎屑物質(zhì)時) 被認(rèn)為是危害性最大的地質(zhì)災(zāi)害之一[3-5]。而公路隧道技術(shù)指標(biāo)要求高，要克服地形地貌影響，特別是山區(qū)地貌的影響，地下水條件復(fù)雜，如果未能查明隧道區(qū)水文地質(zhì)條件，當(dāng)隧道施工時，則可能出現(xiàn)隧道涌、突水，惡化圍巖穩(wěn)定，從而導(dǎo)致施工困難、施工人員人身安全受到嚴(yán)重威脅，因此隧道涌水量的計算變得至關(guān)重要[6]。朱大力、王建秀等[7-11]國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國工程實際提出和發(fā)展適合公路隧道涌水量計算的一些方法，但是由于涌水量和地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文氣象等諸多因素有關(guān)，所以至今尚無成熟的理論和公認(rèn)的準(zhǔn)確計算方法。本文運(yùn)用兩種方法預(yù)測隧道的涌水量，為隧道工程的設(shè)計及施工安全提供依據(jù)。

1 自然地理概況

某高速公路擬建隧道位于四川盆地北東緣大巴山區(qū)，為分幅隧道，右幅起訖里程K1+587～K2+692，長1 105 m，最大埋深約124.74 m；左幅起訖里程為Z1K1+614～Z1K2+712，長1 098 m，最大埋深約129.12 m，屬長隧道。

1.1 地形、地貌

隧址區(qū)海拔高程最低為587.251 m，最高為724.935 m，相對高差137.684 m，屬低山區(qū)。隧址區(qū)內(nèi)多為緩坡和陡坎相間地形，進(jìn)、出口段路基為溝谷,為水田，溝谷以上地形坡度較陡，平均坡度約5°～42°，山腰緩坡段多為旱地和叢林，陡坡處植被較茂密。

隧道進(jìn)口無道路直接相連，交通條件較差，隧道出口有鄉(xiāng)村道路相通，交通較為便利。

1.2 氣候

隧址區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明,多年平均氣溫16.7℃，累年各旬平均氣溫最高為8月上旬27.8℃，最低為1月上旬5.9℃；多年極端最高氣溫39.3℃，最低-4.6℃?？h境多年平均降雨量1 046 mm，全年各季節(jié)降雨分布不均，夏季4-10月為豐水期，雨水充沛，降水占全年總降水量46%～50%，2010年7月18日，單次最大降雨量達(dá)117.5 mm；冬季降雨較少，約占全年總降雨量3%。區(qū)內(nèi)風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯，夏半年盛行偏南風(fēng)，冬半年盛行偏北風(fēng)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

隧址區(qū)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土；白堊系下統(tǒng)白龍組(K1b)泥巖；白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖；白龍組砂巖出露于隧道洞頂，蒼溪組地層以泥巖為主，夾砂巖，砂質(zhì)泥巖呈透鏡體分布。各地層巖性分布及特征分述如下：

2.1.1 第四系全新統(tǒng)(Q4)

可塑粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)：黃褐色，稍濕，呈可塑狀，主要由黏粒和少量粉粒組成，土質(zhì)較均勻，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部含有植物根系。鉆探揭露厚度為0.8～1.0 m，土石工程分級為Ⅱ級普通土。

2.1.2 白堊系下統(tǒng)白龍組(K1b)

(1)強(qiáng)風(fēng)化泥巖(K1b)：紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造大部分破壞，水平層理節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)軟，巖芯多為碎塊狀、短柱狀，錘擊聲低沉。厚度約1.5 m，土石工程分級為Ⅲ級硬土。

(2)中風(fēng)化泥巖(K1b)：紫紅色，主要由黏土礦物組成，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)。巖芯較完整，多呈塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，質(zhì)軟，局部含砂質(zhì)較重，遇水易軟化，曝曬易開裂，巖心錘擊聲較沉悶。土石工程分級為Ⅳ級軟石。

2.1.3 白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)

(1)強(qiáng)風(fēng)化泥巖(K1c)：紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造大部分破壞，水平層理節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)軟，巖芯多為碎塊狀、短柱狀，錘擊聲低沉。厚度約1.5 m，土石工程分級為Ⅲ級硬土。

(2)中風(fēng)化泥巖(K1c)：紫紅色，主要由黏土礦物組成，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)。巖芯較完整，多呈塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，質(zhì)軟，局部含砂質(zhì)較重，遇水易軟化，曝曬易開裂，巖心錘擊聲較沉悶。土石工程分級為Ⅳ級軟石。

(3)強(qiáng)風(fēng)化砂巖(K1c)：灰白色，硅質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造大部分破壞，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)較軟，巖芯多為碎塊狀，角礫狀，錘擊聲啞。土石工程分級為Ⅳ級軟石。

(4)中風(fēng)化砂巖(K1c)：灰白色，主要由石英、長石、云母等礦物成分組成，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)較硬，巖體較完整，巖芯多為柱狀、短柱狀，錘擊較清脆。土石工程分級為Ⅴ級次堅石。

(5)強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖(K1c)：紫紅色，主要由黏土礦物組成，含砂質(zhì)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造大部分破壞，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯較破碎，多呈塊狀，局部呈短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)軟。土石工程分級為Ⅳ級軟石。

(6)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖(K1c)：紫紅色，主要由黏土礦物組成，含砂質(zhì)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層層狀構(gòu)造，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較完整，多呈柱狀。土石工程分級為Ⅳ級軟石。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造與新構(gòu)造運(yùn)動

隧址區(qū)地處四川盆地東北部，大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的二級構(gòu)造單元中四川臺坳的川北臺陷，屬四川盆地弱活動斷裂構(gòu)造區(qū)(見圖1)。

圖1 四川活動斷裂構(gòu)造分區(qū)示意圖

隧址區(qū)緊鄰九龍山背斜，該背斜位于工程區(qū)北東角蒼溪小淅河處，以西背斜軸向北65°東，以東軸向北60°東，全長37 km，背斜兩翼平緩開闊，傾角1°～3°。北東段主要出露地層為蒼溪組，南西段出露地層為蒼溪組、白龍組，向南西傾沒與劍閣楊家山附近。

擬建隧道穿越九龍山背斜的東南翼，無區(qū)域性斷裂構(gòu)造。區(qū)內(nèi)巖層傾角平緩，巖層產(chǎn)狀為100°∠3°。

2.2.2 地震

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)、《地震動峰值加速度區(qū)劃圖》及《地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，結(jié)合《四川省汶川8.0級地震災(zāi)后重建地震評價規(guī)劃用圖，2008.06》，隧址區(qū)地震動峰值加速度0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震基本烈度為VI度。

場地屬對建筑抗震一般地段，場地類別為Ⅱ類，巖土地震穩(wěn)定性較好。

2.3 隧道圍巖分級

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露，隧道圍巖巖體主要為白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)泥巖、砂質(zhì)泥巖，依據(jù)巖石硬度及巖體完整性，將隧道圍巖劃分為強(qiáng)、中風(fēng)化兩層。圍巖級別及長度統(tǒng)計見表1。

表1 隧道圍巖級別統(tǒng)計表

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地表水

隧道進(jìn)出口有沖溝發(fā)育，隧址區(qū)無常年地表徑流，沖溝內(nèi)一般夏季暴雨期間會有少量地表水。沖溝水補(bǔ)給源短，逕流量受區(qū)內(nèi)降雨量控制，具有季節(jié)性變化大的特征。隧道右線進(jìn)口附近有16×30 m、64×71 m魚塘兩個，水深約2 m的64×71 m池塘為村民筑壩堵截山坡沖溝形成，主要水源來自坡面匯水。

3.2 地下水

3.2.1 地下水的類型及埋藏條件

隧址區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。前者賦存于隧址區(qū)第四系粉質(zhì)黏土中，該含水土層厚度薄，分布不均，埋藏較淺，主要由降雨補(bǔ)給，匯水補(bǔ)給面積有限，水量較小。后者主要賦存于砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等基巖風(fēng)化裂隙帶中，受基巖裂隙發(fā)育程度不均影響，受季節(jié)性影響，水位變化較大，測區(qū)主要以砂泥巖互層為主，巖層呈單層產(chǎn)出，砂巖層中地下水可能存在承壓性。

3.2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄

隧址區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要靠大氣降雨的垂直入滲，具匯水補(bǔ)給面積小、徑流途徑短、排泄速度快等特點。大氣降雨匯積、入滲、補(bǔ)給第四系松散土層后，少部分賦存于松散土層孔隙內(nèi)及向下伏基巖節(jié)理裂隙，大部分雨水匯積后以地表漫流形式向地勢低洼處排泄。

為了評價含水層的富水性，查明含水層水文地質(zhì)參數(shù)，為預(yù)測隧道涌水量提供依據(jù)。在隧址區(qū)所有鉆孔進(jìn)行了簡易水文地質(zhì)觀測，在勘察野外施工期間對隧道洞身鉆孔施工回次水位進(jìn)行觀測，觀測表明，隧道洞身鉆孔地下水位深度為3.8～57.8 m。

3.3 水化學(xué)特征

本次相鄰茶店大橋工點的水質(zhì)分析試驗報告(見表2)，對隧道周邊地區(qū)進(jìn)行調(diào)查研究，從表2可知，地表水主要為HCO3-Ca。

依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTGC20-2011)判定，隧址區(qū)屬二類環(huán)境類型，隧址區(qū)地表水對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性、隧址區(qū)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

表2 水質(zhì)分析試驗報告簡表

4 隧道涌水量預(yù)測

結(jié)合隧道資料、地質(zhì)資料和水文地質(zhì)資料等，由于地下水形成條件簡單，基本上是靠大氣降水補(bǔ)給，故采用水均衡法較適宜。水均衡法預(yù)測涌水量時，常分為降雨入滲法和地下徑流模數(shù)法。故本隧道涌水量預(yù)測采用降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法對隧道進(jìn)行估算，綜合評定隧道整體涌水量。

4.1 降雨入滲法

此法適用于埋藏深度較淺的越嶺隧道，亦適用于巖溶區(qū)。根據(jù)隧道通過地段的年均降水量、集水面積并考慮地形地貌、植被、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件選取合適的降水入滲系數(shù)經(jīng)驗值，可宏觀、概略預(yù)測隧道正常涌水量[7]。

根據(jù)隧道地形及水文地質(zhì)條件，采用《鐵路工程地質(zhì)手冊》(修訂版，2000年)中降雨入滲法進(jìn)行估算，具體計算及公式如下：

Q=2.74α·W·A

(1)

式中：Q為隧道涌水量(m3/d)；α為降水入滲系數(shù)；W為區(qū)域多年年降雨量(mm)；A為隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。

(1)計算隧道正常涌水量(Qs)

代入公式:Qs=2.74×α×W×A=2.74×0.12×1 046×1.35=464 m3/d

(2)計算隧道最大涌水量 (Qmax)。

考慮區(qū)域降水量的增加或雨季降大暴雨等原因，入滲法計算結(jié)果應(yīng)按預(yù)測正常涌水量的2倍考慮，預(yù)測隧道最大涌水量Qmax=2×Qs=928 m3/d。

4.2 地下徑流模數(shù)法

此法適用于越嶺隧道通過一個或多個地表水流域地區(qū),亦適用于巖溶區(qū)。本法采用假設(shè)地下徑流模數(shù)等于地表逕流模數(shù)的相似原理,根據(jù)大氣降水入滲補(bǔ)給的下降泉流量或由地下水補(bǔ)給的河流流量,求出隧道通過地段的地表徑流模數(shù),作為隧道流域的地下徑流模數(shù),再確定隧道的集水面積,便可宏觀、概略地預(yù)測隧道的正常涌水量[7]。

地下徑流模數(shù)法公式計算如下：

Q徑=86.4·M·A

(2)

式中：Q徑為隧道涌水量(m3/d)；86.4為換算系數(shù)；M為地下水徑流模數(shù)；A為計算匯水面積。

隧址區(qū)主要以砂泥巖互層，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料綜合取M=4.0，A=1.35 km2。

(1)計算隧道正常涌水量(Qs)

代入公式計算得：Qs=86.4×M×A =86.4×4×1.35=467 m3/d。

(2)計算隧道最大涌水量 (Qmax)。

由于地下水動態(tài)受降水影響，地下水流量隨降雨量的變化而變化較大。在特殊氣候情況下，隧道涌水會有一定變化。另外，隧道內(nèi)開挖也可能擴(kuò)大裂隙的連通性，而導(dǎo)致隧道涌水量增大。根據(jù)以往隧道工程經(jīng)驗，建議施工中隧道最大涌水量按正常涌水量的2倍取值，預(yù)測最大涌水量Qmax=2×Qs=934 m3/d。

4.3 隧道涌水量預(yù)測評價

結(jié)合地區(qū)及工程經(jīng)驗，建議以地下徑流模數(shù)法預(yù)測的最大涌水量作為設(shè)計依據(jù)，即隧道預(yù)計雙洞總體涌水量：正常涌水量約467 m3/d，最大涌水量約934 m3/d，在開挖過程中揭穿砂巖富集段的泥巖時，可能產(chǎn)生短時集中涌水，瞬時涌水量可能達(dá)到每天近千立方米。

5 結(jié)語

公路隧道涌水量一般采用兩種或兩種以上的方法進(jìn)行預(yù)測計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行比較，選擇最可信預(yù)測結(jié)果[6]。

(1)由于隧址區(qū)的地下水形成條件簡單，所以本文采用降雨入滲法和地下水地下徑流模數(shù)法兩種計算方法對擬建隧道的正常及最大涌水量進(jìn)行宏觀預(yù)測。為了最大限度地保證施工安全，選取最大涌水量作為最終結(jié)果。在本隧道的經(jīng)驗公式計算中，地下徑流模數(shù)法的計算結(jié)果最大，建議用其結(jié)果來指導(dǎo)設(shè)計和施工，故本隧道推測正常涌水量約467 m3/d，最大涌水量約934 m3/d。但由于隧道水文地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，人對隧道的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件認(rèn)識不夠全面，精度不夠，地下徑流模數(shù)法的計算結(jié)果未必是最大的，所以隧道涌水量的預(yù)測必須采取綜合勘探手段。

(2)本文運(yùn)用的兩種計算方法，適于宏觀概略地預(yù)測隧道涌水量，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)用多種方法來相互印證，提高預(yù)測精度。其次要在施工階段加強(qiáng)監(jiān)測，對涌水量預(yù)測的成果進(jìn)行修正，總結(jié)經(jīng)驗，提升隧道涌水量預(yù)測的精度。