湖南省农林工业勘察设计研究总院 长沙 410007
摘要：准确的预测隧道涌水量能为设计和施工提供科学的指导，而选择正确的预测模型对准确预测隧道涌水量至关重要。结合某高速公路隧道工程实例，利用现场钻孔压水试验获取渗透系数，通过对隧址区水文地质、构造及地形地貌的分析，选择地下水动力学方法以及降雨入渗法对隧道涌水量进行计算量化并进行预测分析，研究结果对实际设计施工提供了依据，同时提出预测模型的对比与验证，动态预测贯穿整个建设过程，以提高准确率。
关键词：公路隧道；涌水量计算；预测方法；动态预测
1 前言
近年来，随着国内基础建设的不断推进，地形条件相对容易地区的高速公路走廊带基本建设完毕，目前规划建设的高速公路基本分布于地形复杂、地质条件变化大、水文条件复杂的地区。这些地区的高速公路隧道涌水量的准确判定显得更加的至关重要，准确的预测可以大大的减少建设过程中的安全问题，更节约造价与工期。
结合某高速公路隧道的水文、地质情况，隧道穿越多条断层破碎带，且水文地质复杂，隧道开挖极有可能遇到大规模突涌水，对安全带来巨大隐患，因此对其涌水量的计算预测和分析研究显得十分的重要。常用的隧道涌水量预测方法可分为两大类，即确定性数学模型方法和随机性数学模型分析方法[1][2][3][4][5]。确定性数学模型方法可分为：水均衡法、水位地质比拟法、降雨入渗法、地下径流模数法、地下水动力学法、数值计算法、黑箱理论；随机性数学模型分析方法可分为：灰色关联度理论和时间序列分析法。
2 工程概况
2.1 地形地貌
拟建隧道位于湖南省安化县境内，属低山地貌，拟建隧道总长4354m，属于特长隧道，隧道最大埋深约463.2m，隧道范围内中线高程289.5m～784.3m，最大高差约495m。隧道进口端山坡坡度陡峻，隧道进口端山坡坡度较陡，自然坡度一般25°～35°；出口端山坡坡度较陡，自然坡度一般25°～45°，地表植被较发育，根据勘察，隧道区地层较复杂，上部有少量第四系覆盖层分布，震旦系下统、板溪群五强溪组砂岩、板岩、砂质板岩，局部构造发育地段有碎裂岩。隧道工程地质纵断面图见图1。
2.2地质构造
隧道区大地构造部位处于安化县大地构造处于雪峰山孤形构造北端部位，邻近祁阳弧北段，北为扬子陆块的雪峰弧形隆起带，南为华夏陆块的湘中凹陷区，地质构造复杂。
根据外业地质调查、物探成果及钻探成果，隧道区附近断层较发育，隧址区内发育11条断层破碎带，详情如下：
1）F1位于ZK37+860～ZK37+880，产状43°∠37°，断层破碎带宽约20m，其走向与隧道走向小角度相交，影响隧道长度约30米，地层节理特别发育，岩体破碎，岩体呈散体结构。
2）F2位于ZK38+300～ZK38+320，产状64°∠55°，断层破碎带带宽约20m，其走向与隧道走向小角度相交，影响隧道长度约25米，地层节理特别发育，岩体破碎，岩体呈散体结构。
3）F3位于ZK39+260～ZK39+280，产状36°∠85°，断层破碎带带宽约20m，其走向与隧道走向大角度相交，影响隧道长度约25米，地层节理特别发育，岩体破碎，岩体呈散体结构。
4）F4位于ZK39+700～ZK39+720，产状337°∠42°，断层破碎带带宽约10m，影响隧道长度约15米，地层节理特别发育，岩体破碎，岩体呈散体结构。
5）F5位于ZK40+240～ZK40+260，产状360°∠87°，断层破碎带带宽约20m，影响隧道长度约25米，地层节理特别发育，岩体破碎，岩体呈散体结构，隧道开挖时隧道围岩稳定性差。地下水丰富，隧道开挖时以淋雨状出水和线状为主，可能出现涌流状出水。
6）F6位于ZK40+680～ZK40+710，产状151°∠72°，断层破碎带带宽约30m，影响隧道长度约40米，地层节理特别发育，岩体破碎，地下水丰富，可能出现涌流状出水。
7）F7位于ZK40+800～ZK40+825，产状151°∠85°，断层破碎带带宽约25m，影响隧道长度约35米，地层节理特别发育，岩体破碎，地下水丰富，可能出现涌流状出水。
8）F8位于ZK40+990～ZK41+010，产状151°∠85°，断层破碎带带宽约20m，影响隧道长度约35米，地层节理特别发育，地下水丰富，可能出现涌流状出水。
9）F9位于ZK41+510～ZK41+530，产状43°∠62°，断层破碎带带宽约20m，其走向与隧道走向大角度相交，影响隧道长度约25米，地层节理特别发育，岩体破碎，岩体呈散体结构。
10）F10位于ZK41+840～ZK41+860，产状183°∠88°，断层破碎带带宽约20m，影响隧道长度约25米，地层节理特别发育，岩体破碎。
11）F11位于ZK42+010～ZK42+030，产状360°∠88°，断层破碎带带宽约20m，影响隧道长度约25米，地层节理特别发育，岩体破碎，地下水丰富，隧道开挖时以淋雨状出水和线状为主，可能出现涌流状出水。
2.3水文地质条件
2.3.1地表水发育补给特征
隧道穿越近南北向山体，山坡沟谷较发育，在隧道两端及洞身部位山坡坡脚冲沟中有常年性流水，暴雨时节水量明显增加。隧道距柘溪水库较近，为隧道附近最大的地表水体。资江干流多年年均径流量 805m3/s。每年 4～8 月份多出现高洪水位，10 月至次年 1 月为低水位，柘溪电站建成后，大坝以上水库水位变化较大，每年 4 月开始蓄水，水位变幅接近 30m。
2.3.2地下水发育补给特征
隧道区地下水按含水层特征及埋藏条件可划分为两类：
① 孔隙水：主要赋存于山坡及沟谷地带碎石类土中，其地下水一般与地表水贯通、互补，水位、水量受季节影响明显，孔隙水以潜流及下降泉的形式排于溪沟及洼地中。
② 基岩裂隙水：主要赋存于基岩风化节理裂隙、层面裂隙及构造裂隙中，以构造裂隙含水为主，含水岩组主要为板岩、砂质板岩。基岩裂隙水一般无稳定地下水位，水量随季节变化较大，基岩裂隙水补给以大气降水直接补给及顺延构造横向补给为主。由于隧道洞身穿越构造破碎带，均为拉张、导水性质，地下水径流也与构造作用的强烈程度有关，并随地形变化，地下分水岭与地表分水岭基本一致，地下水流向为垂直或斜交附近冲沟，多以下降泉形式于冲沟或坡脚处排泄，地下水动态随季节变化较大。
3 隧道涌水量预测分析
3.1 隧道涌水量预测
3.1.1地下水动力学法
考虑隧道在长期排水的情况下，位于无限厚的潜水含水带中，按有限含水厚度计算涌水量。采用非完整井的柯斯嘉科夫公式：
Q—预测涌水量（m3/d）；
H—由隧道路肩起算的含水层厚度（m）；
R—隧道排水影响宽度（m）；
B—隧道通过含水层的长度（m）；
r—隧道半宽度（m）；
k—隧道围岩渗透系数（m/d）。
3.1.2 降水入渗系数法
测区内覆盖层厚度较小，坡体表面植被发育，有利于大气降水入渗，因此，本阶段可采用降雨入渗法对各隧道的涌水量进行估算：
Q＝2.74×α×ω×A[6]
其中：Q—计算涌水量（m3/d）；
α—入渗系数；
ω—年降水量（mm）；
A—隧道集水面积（km2）。
查《安化幅区域水文地质普查报告》（1:20万）及参考《铁路工程水文地质勘察规范 (TB 10049-2014)》选择的降水入渗系数α值为0.21，隧道集水面积A为13.6km2，年降水量W为1713.9mm，计算隧道正常涌水量为：
Q＝2.74×0.21×1713.9×13.6＝13412.0（m3/d）
3.2 预测涌水量分析
综上所述，各种方法预测的隧道涌水量接近，基本上反映了隧道涌水量可能变化范围。由于地下水的补给主要是靠大气降水及顺延构造的横向补给，降水量随季节而变化，涌水量也将随时间的变化而变化。上述计算是对隧道总涌水量的估算，在隧道的不同地段，由于岩石裂隙的发育程度、渗透性、含水层厚度、破碎带发育程度的不同，涌水量是不同的，也就是说，隧道涌水量并非平均分布。隧道洞室破碎带发育部位及洞身浅埋段渗水较严重，可能有一定程度的涌水、突水，设计时，应就上述地段采取严密的施工开挖方案和有效的止水、排水等措施。
4 结语
1）通过对高速公路隧道构造、水文地质等特征的分析，运用多种方法进行涌水量计算和分析，提供了较完整的涌水量信息，对于实际工程的设计和施工具有一定的指导意义，也为以后的类似项目提供参考。水文地质和涌水量预测是隧道勘察的一项重点与难点，地质条件的复杂性，使得涌水量预测与实际具有一定差异，应不断修正反演，贯穿整个设计施工过程，动态计算，提高准确率。
2）隧道区岩层风化层起伏变化较大，穿越破碎带，部分段浅埋，岩石较软，易产生突水、涌水等不良情况，采用动态设计与信息化施工，加强施工地质超前预报工作。
3）该隧道较长，不利于地下水的排泄，隧道区上部有村民居住，因此，隧道开挖可能对居民生活及用水有影响，需对其有影响的水源点进行密切监测。
4）由于山区高速公路隧道地下水运动规律的复杂性，涌水量的预测应结合地形地貌，水系走向及水文调查情况，针对性的选择涌水量的预测方法，并且多选取集中符合项目的预测方法进行对比验证和补充，涌水量预测精度也是下一步研究的方向。
参考文献
[1]顾博渊，史宝童，黄嫚.山岭隧道涌水量预测方法分类及相关因素分析[J].隧道建设，2015,35(12):1258-1263.
[2]田海涛，董益华，王延辉.隧道涌水量预测的研究[J].水利与建筑工程学报，2007,5(3):75-77,97.
[3]姜爱民，杨辉，张明.确定数学模型方法预测隧道涌水量研究[J].工程勘察,2012,40(6):37-41
[4]陶玉敬，彭金田，陶炳勋.隧道涌水量预测方法及其分析[J].四川建筑，2007,27(6):109-113.
[5]郑黎明.隧道涌水灾害预测的随机数学模型方法[J].西南交通大学学报，1998,33(3):273-278.
[6]TB10049-2014 铁路工程水文地质勘察规范[S]
论文作者:周立祥
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/11
标签：隧道论文; 水量论文; 产状论文; 节理论文; 地下水论文; 断层论文; 地层论文; 《防护工程》2019年9期论文;