京張高鐵正盤臺(tái)隧道強(qiáng)涌水段單次開挖瞬時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

曾祥福 錢國(guó)玉 胡勇偉 張 健 陳永軍

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.晉豫魯鐵路通道股份有限公司，山西太原 030013)

自20世紀(jì)80年代起，隨著技術(shù)水平和施工要求的提高，我國(guó)開始對(duì)隧道涌水量的預(yù)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在20世紀(jì)90年代取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從基于定性分析逐步發(fā)展成為定量評(píng)價(jià)和計(jì)算[1-5]。依據(jù)不同的預(yù)測(cè)方法和模型，不同的學(xué)者提出了種類繁多而復(fù)雜的計(jì)算模型和公式，如在計(jì)算滲透系數(shù)K時(shí)，根據(jù)不同的適用范圍和約束條件，在《供水水文地質(zhì)手冊(cè)》(第二冊(cè))中就列舉了140個(gè)計(jì)算公式之多。因此，如何選擇合適的公式十分關(guān)鍵[6]。目前，隧道涌水量常用的預(yù)測(cè)方法主要有：大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法、水均衡法、比擬法、解析法(水動(dòng)力學(xué)法)、軟件數(shù)值計(jì)算法以及隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型法。大氣降水入滲法適用于埋深較淺的隧道，可從宏觀上概括隧道的涌水情況，但由于未考慮含水層厚度、滲透系數(shù)等，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有較大出入，其他計(jì)算方法由于適用的環(huán)境不同，結(jié)果也各不相同，且因?yàn)榈刭|(zhì)條件復(fù)雜多變，易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差和錯(cuò)誤，故需要采用多種方法進(jìn)行綜合計(jì)算[7]。

某勘測(cè)設(shè)計(jì)院在小相嶺公路隧道采用了比擬法、評(píng)分法、地下水徑流模數(shù)法、大氣降水入滲法、古德曼公式、裘布依公式、鐵路經(jīng)驗(yàn)法等7種方法進(jìn)行了隧道涌水量預(yù)測(cè)，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明：采用地下水徑流模數(shù)法計(jì)算的涌水量偏小，其他方法計(jì)算的涌水量相互接近[8]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有學(xué)者開始轉(zhuǎn)向數(shù)值計(jì)算方向，例如劉佳[9]、李錚[10]分別采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道涌水量的預(yù)測(cè)研究主要集中于對(duì)整個(gè)隧道或分段涌水量的預(yù)測(cè)研究[11-21]，鐵路領(lǐng)域未見對(duì)單次開挖長(zhǎng)度內(nèi)的瞬時(shí)涌水量進(jìn)行研究的實(shí)例。

在隧道順坡排水時(shí)，隨著隧道的不斷掘進(jìn)，瞬時(shí)涌水一般可順坡排走，不會(huì)造成淹井。而在反坡排水段，單次開挖瞬時(shí)涌水量很大時(shí)，容易導(dǎo)致反坡段涌水量大于水泵的剩余抽排能力，可能造成淹井，嚴(yán)重影響施工安全和工程進(jìn)度。因此，對(duì)于反坡排水段單次開挖瞬時(shí)涌水量的預(yù)測(cè)就顯得非常重要。

結(jié)合工程實(shí)例，采用了大島洋志、古德曼、鐵路經(jīng)驗(yàn)公式及水文地質(zhì)比擬法等涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算法，計(jì)算單次開挖掘進(jìn)時(shí)瞬時(shí)涌水量。

1 工程概況

正盤臺(tái)隧道是北京2022年冬季奧運(yùn)會(huì)配套的控制性交通工程，其進(jìn)口位于張家口市宣化區(qū)，出口位于張家口市赤城縣，進(jìn)口里程為DK30+425，高程1047.50 m；出口里程為DK43+399，高程1 436.70 m，坡度為30‰的單面坡，隧道全長(zhǎng)12 974 m，最大埋深約635 m。

正盤臺(tái)隧道共設(shè)4處斜井，且1號(hào)斜井和3號(hào)斜井間平導(dǎo)貫通。1號(hào)斜井與線路相交于DK32+550，相交點(diǎn)埋深194 m，斜井平面投影長(zhǎng)度為667 m；2號(hào)斜井與線路相交于DK35+300，相交點(diǎn)埋深224 m，平面投影長(zhǎng)度為896 m；3號(hào)斜井與線路相交于DK38+200， 相交點(diǎn)埋深262 m，平面投影長(zhǎng)度為1 470 m；4號(hào)斜井與線路左線相交于DK40+500，相交點(diǎn)埋深251 m，平面投影長(zhǎng)度為585 m。

正盤臺(tái)隧道位于中低山區(qū)，地面高程1 047.0～1 888.0 m，最大高差841 m，地形起伏較大，山勢(shì)陡峭，沖溝發(fā)育，山體處大部分可見基巖出露，地表植被發(fā)育，主要為雜草及灌木等，植被覆蓋率60%～80%。

1.1 地層巖性

地質(zhì)調(diào)繪及現(xiàn)場(chǎng)勘探揭示，隧址區(qū)地層巖性主要為：(1)第四系全新統(tǒng)沖洪積層漂石土、粗角礫土；(2)第四系上更新統(tǒng)沖洪積層砂質(zhì)黃土、粗角礫土、細(xì)角礫土；(3)燕山早期花崗巖，強(qiáng)-弱風(fēng)化狀態(tài)；(4)侏羅系上統(tǒng)張家口組噴出巖，為一套酸性及中偏堿性的火山噴出巖，主要巖性有熔結(jié)角礫凝灰?guī)r和角礫凝灰?guī)r，包括粗面巖、流紋巖、凝灰質(zhì)礫巖及粗面安山巖，該套地層分布有多期噴發(fā)火山碎屑巖軟弱夾層，工程性質(zhì)差，易產(chǎn)生大變形及塌方等；(5)太古界桑干群化家營(yíng)組，強(qiáng)-弱風(fēng)化，花崗質(zhì)混合巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

(1)區(qū)域構(gòu)造

本區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為由火山活動(dòng)形成的構(gòu)造裂隙帶。隧址區(qū)大地構(gòu)造位置屬于橫跨華北地臺(tái)的2個(gè)Ⅱ級(jí)單元，以橫亙東西的崇禮—赤城斷裂為界，北側(cè)為內(nèi)蒙地軸，南為燕山臺(tái)褶帶，均經(jīng)歷了數(shù)次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

①晚侏羅系以前的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了隧道所在區(qū)域的基底構(gòu)造層，以變質(zhì)巖、花崗質(zhì)混合巖及侵入巖為主。

②晚侏羅系時(shí)期以大龍王堂為噴發(fā)中心的火山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，環(huán)狀和放射狀構(gòu)造裂隙帶發(fā)育，且多為寬張裂隙。

③火山盆地邊緣為晚侏羅系火山巖與基底變質(zhì)巖的不整合接觸帶，接觸帶附近巖體破碎。

(2)結(jié)構(gòu)面及節(jié)理

寬張裂隙寬度為0.1～0.3 m，傾角一般較大，巖體破碎，呈碎石、塊石狀。

1.3 地下水

隧道所在區(qū)域地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要接受大氣降水補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給。

(1)第四系孔隙潛水

主要賦存于山間谷地第四系松散層中。本隧道埋深較大，該層地下水對(duì)隧道影響小。

(2)基巖裂隙水

基巖中存在的節(jié)理裂隙、構(gòu)造裂隙及巖性接觸破碎帶往往賦存地下水，主要接受大氣降水補(bǔ)給和少量側(cè)向補(bǔ)給。

①構(gòu)造裂隙水：構(gòu)造裂隙帶發(fā)育的寬張裂隙為地下水賦存創(chuàng)造了有利條件，側(cè)向補(bǔ)給充分，強(qiáng)富水，水量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

②巖性接觸破碎帶水：盆地西側(cè)為太古界花崗質(zhì)混合巖與侏羅系火山巖不整合接觸帶，巖體破碎，強(qiáng)富水，水量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

1.4 施工涌水情況

(1)2號(hào)斜井涌水

2號(hào)斜井施工至DK35+407(出水點(diǎn)位于拱頂下約2 m，高程1 204.89 m)發(fā)生涌突水淹井(拱頂未見塌方)，淹沒斜井與正洞相交的拱頂(淹沒斜井里程段XJ0+0～XJ0+81)，5 h平均涌水量約為5 400 m3/h。之后由于水的反壓作用，涌水量逐步減少，最終水面穩(wěn)定在斜井里程420.6 m，高程1 238.93 m，地下水頭高34.04 m(見圖1)。

圖1 2號(hào)斜井大里程側(cè)突涌水點(diǎn)情況

(2)1號(hào)斜井涌水

1號(hào)斜井左導(dǎo)開挖至1PDDK0+143發(fā)生較大涌水(如圖2)，呈噴射狀，噴射水平距離達(dá)10.5 m。監(jiān)測(cè)水頭高度14.59 m，實(shí)測(cè)瞬時(shí)涌水量為1 162 m3/h。由于瞬時(shí)涌水量較大，隧道停止掘進(jìn)，同時(shí)采用超前水平鉆孔對(duì)工作面前方進(jìn)行探測(cè)。此時(shí)，剩余抽水能力為2 000 m3/h，需評(píng)估淹井可能性。

圖2 1號(hào)斜井左導(dǎo)涌水情況

1.5 涌水后工期保障措施

2號(hào)斜井涌突水淹井發(fā)生后，抽水約1個(gè)月(抽至斜井工區(qū)正洞)，具備重新施工條件。為保障工期，經(jīng)研究，在正盤臺(tái)隧道1～3號(hào)斜井之間正洞右側(cè)設(shè)置平行導(dǎo)洞。此時(shí)，2號(hào)斜井抽水能力剩余量為2 000 m3/h。開口橫通道進(jìn)入20 m時(shí)又發(fā)生涌水，涌水呈噴射狀。由于平導(dǎo)均在正洞內(nèi)開口，泄水洞未貫通，所有涌水均匯入泵站，此時(shí)平導(dǎo)超前掘進(jìn)時(shí)單次涌水量是否超過(guò)抽水能力成為迫切需要解決的問(wèn)題。2號(hào)斜井平導(dǎo)開口處涌水情況見圖3。

圖3 2號(hào)斜井平導(dǎo)開口處涌水情況

2 涌水量預(yù)測(cè)

2.1 預(yù)測(cè)方法

(1)大島洋志法

(1)

式中Qmax——預(yù)測(cè)隧洞通過(guò)含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數(shù)/(m/d)；

H——含水層中原始靜水位至隧洞底板的垂直距離/m；

L——隧洞通過(guò)含水層的長(zhǎng)度/m；

r——為隧洞洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑/m;

d——為隧洞洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑/m，d=2r；

m——轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取0.86；

(2)古德曼法

(2)

式中Qmax——預(yù)測(cè)隧洞通過(guò)含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數(shù)/(m/d)；

H0——原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離/m；

d——為隧洞洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑/m。

(3)鐵路經(jīng)驗(yàn)公式法

q0=0.025 5+1.922 4KH

(3)

式中q0——預(yù)測(cè)隧洞通過(guò)含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數(shù)/(m/d)；

H——含水層中原始靜水位至隧道底板的距離/m。

(4)佐藤邦明非穩(wěn)定流式

(4)

式中Qmax——預(yù)測(cè)隧洞通過(guò)含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數(shù)/(m/d)；

H0——原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離/m；

hc——含水體厚度/m；

h0——隧底至下伏隔水層的距離/m；

r0——為隧洞洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑/m。

(5)水文地質(zhì)比擬法

Q=Q′·F·s/(F′·s′)

(5)

F=B·L

(6)

F′=B′·L′

(7)

式中Q、Q′——新建、既有隧道(坑道)通過(guò)含水體地段的正常涌水量或最大涌水量/(m3/d)；

F、F′——新建、既有隧道(坑道)通過(guò)含水體地段的面積/m2；

s、s′——新建、既有隧道(坑道)通過(guò)含水體中自靜止水位計(jì)起的水位降深/m；

B、B′——新建、既有隧道(坑道)洞身橫斷面周長(zhǎng)/m；

L、L′——新建、既有隧道(坑道)通過(guò)含水體長(zhǎng)度/m。

正洞平均周長(zhǎng)取37.9 m，平導(dǎo)平均周長(zhǎng)取23.2 m。

2.2 巖體滲透系數(shù)

DK35+407處前一個(gè)循環(huán)開挖長(zhǎng)度為3 m，涌水后前5 h平均涌水量為5 400 m3/h，地下水頭高34.04 m。正洞等價(jià)圓半徑6 m。代入公式(1)至公式(4)反算滲透系數(shù)，計(jì)算如果見表1。其中古德曼反算的滲透系數(shù)最小，佐藤邦明反算的滲透系數(shù)最大，大島洋志和鐵路經(jīng)驗(yàn)反算的巖體滲透系數(shù)值相當(dāng)。

表1 DK35+407巖體滲透系數(shù)反算值

1PDDK0+143涌水時(shí)的監(jiān)測(cè)水頭高度為14.59 m，實(shí)測(cè)瞬時(shí)涌水量為1 162 m3/h?，F(xiàn)場(chǎng)核查出水點(diǎn)位于工作面1 m范圍，巖體滲透系數(shù)反算值見表2。

表2 1PDDK0+143地層滲透系數(shù)

2.3 瞬時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

(1)2號(hào)斜井平導(dǎo)瞬時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

2號(hào)斜井平導(dǎo)開口橫通道進(jìn)入20 m時(shí)(工作面里程為PDDK0+20)發(fā)生涌水，巖體與對(duì)應(yīng)正洞基本一致，故可用表1反算巖體滲透系數(shù)(水頭高度為34.04 m，平導(dǎo)等效圓半徑為3.5 m)。瞬時(shí)預(yù)測(cè)涌水量見表3。水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的涌水量最小，鐵路經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)的涌水量最大。

表3 PDDK0+20瞬時(shí)預(yù)測(cè)涌水量

按2號(hào)斜井剩余抽水能力2 000 m3/h考慮，單次開挖長(zhǎng)度為1.5 m、3 m時(shí)，涌水量均超過(guò)了抽排水能力，故只有單次開挖長(zhǎng)度為1 m時(shí)涌水量未超出現(xiàn)場(chǎng)抽排水能力，可以進(jìn)行帶水作業(yè)掘進(jìn)。單次開挖長(zhǎng)度不超過(guò)1 m的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量瞬時(shí)涌水量為1 220 m3/h。

(2)1號(hào)斜井左導(dǎo)瞬時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)1PDDK0+143反算的巖體滲透系數(shù)，計(jì)算繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)單次開挖1.5 m的瞬時(shí)涌水量，由表4可見，各計(jì)算方法預(yù)測(cè)的涌水量接近，具有很高的一致性。根據(jù)剩余抽水能力2 000 m3/h判斷，可帶水作業(yè)施工，不會(huì)造成淹井。實(shí)際施工過(guò)程中，在通過(guò)200 m強(qiáng)富水段時(shí)，單次掘進(jìn)長(zhǎng)度不超過(guò)1.5 m，測(cè)量的實(shí)際最大瞬時(shí)涌水量為1 285 m3/h，比計(jì)算值小約26%(如表4)。

表4 1PDDK0+143單次開挖1.5 m時(shí)瞬時(shí)預(yù)測(cè)涌水量

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)大島洋志、古德曼、鐵路經(jīng)驗(yàn)和佐藤邦明公式計(jì)算的巖體滲透系數(shù)反算值不完全一致，采用鐵路經(jīng)驗(yàn)法滲透系數(shù)反算值預(yù)測(cè)隧道瞬時(shí)涌水量偏安全。

(2)結(jié)合正盤臺(tái)隧道的工程經(jīng)驗(yàn)，如計(jì)算的瞬時(shí)涌水量超過(guò)剩余抽水能力時(shí)，可采用減少單次開挖長(zhǎng)度、降低單次開挖高度、超前預(yù)注漿等方法減少單次開挖瞬時(shí)涌水量。

(3)在使用此方法評(píng)估單次施工開挖淹井的可能性時(shí)，應(yīng)對(duì)比剩余抽水能力，注意預(yù)留一定的安全系數(shù)。

(4)在鐵路隧道強(qiáng)涌水段，首次采用多種方法對(duì)鐵路隧道單次開挖瞬時(shí)涌水量進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，結(jié)合正盤臺(tái)隧道輔助坑道平導(dǎo)及1號(hào)斜井近260 m的強(qiáng)涌水段，進(jìn)行了約190個(gè)單次開挖循環(huán)工作面帶水作業(yè)涌水量預(yù)測(cè)的工程實(shí)踐，根據(jù)反算的巖體滲透系數(shù)，采用水動(dòng)力學(xué)計(jì)算及水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)單次開挖的瞬時(shí)涌水量，且采取針對(duì)性的帶水作業(yè)工程措施，為施工提供了較強(qiáng)的指導(dǎo)性，節(jié)約了工期，可為類似工程提供參考。