確定性涌水量預測模型在中梁山地鐵隧道中的應用研究

王先義，吳 強，王元元

（重慶交通大學研究生部，重慶 400074）

0 引言

隧道的修建會打破隧道所經區域原有的水平衡，嚴重的將給上部區域的工農業生產和居民生活造成嚴重影響。目前對于隧道涌水量的預測，大多依賴于經驗預測。本文結合重慶市軌道交通一號線中梁山隧道，將采用多種確定性模型方法，在中梁山隧道工程地質詳細勘察報告基礎上，對涌水量進行了較為準確的定量計算和預測，結合具體工況的基礎上，為施工提出防治涌水的相應措施。

1 隧道涌水量預測方法

1.1 比擬法

1.1.1 比擬法是根據已建與新建隧道的水文地質相似性，對涌水的預測，計算公式如下［1］：

式中：Q——擬建隧道的涌水量，m3/d；

Q0——導坑或已建隧道的涌水量，m3/d；

F——擬建隧道過水面積，m2；

F0——導坑或已建隧道的過水面積，m2；

S——擬建隧道正洞地下水位下降值，m；

S0——導坑或已建隧道正洞地下水位下降值，m；

B——擬建隧道的洞身斷面周長，m；

B0——導坑或已建隧道的洞身斷面周長，m；

L——擬建隧道通過含水體的寬度，m；

L0——導坑或已建隧道通過含水體的寬度，m。

據比擬法預測，隧道施工期最大涌水量10450.1 m3/d，雨洪期最大涌水取2倍，即20900.2（m3/d）。

1.2 徑流模數法

徑流模數法是把山區河流的枯水期流量當做地下水的補給量，隧道預測涌水量計算可用下式［1］：

式中：Q——為地下水徑流量，m3/d；

M——地下徑流模數；

F——含水層出露面積，km2；

L——擬建隧道距分水嶺的距離（km），擬建隧道距南側分水嶺13km；

B——擬建隧道出露寬度，km。

利用徑流模數法計算涌水量，結果如表1所示。

表1 徑流模數法、大氣降水入滲法、解析法涌水計算

1.3 大氣降水入滲法

適用于埋藏深度較淺的越嶺隧道，也適用于巖溶區［2］，計算式為：

式中：Q——大氣降水滲入法計算的隧道涌水量，m3/d；

α——入滲系數；

W——年平均降雨量，mm，擬建隧道年平均降水量為1 222mm；

A——集水面積，km2；

L——擬建隧道距分水嶺的距離，擬建隧道距南側分水嶺13km；

B——擬建隧道出露寬度，km。

大氣降水入滲法計算涌水量如表1。

1.4 解析法

解析法是以地下水動力學原理為基礎，用數學的解析的方法對給定邊界條件和初值條件下的地下水運動運動解析關系式，進而預測隧道涌水。解析法預測隧道涌水，包括穩定和非穩定流理論，分別以裘布衣和泰斯公式為代表。在他們的基礎上，人們根據實踐經驗提出了很多預測用水量的經驗公式，較為常見的有：前蘇聯的柯斯嘉科夫公式、吉爾斯基公式、日本的佐藤邦明公式和落合敏郎公式等。

對于基巖山地越嶺隧道，含水體為無界潛水，含水體為無線寬度，涌水量采用柯斯嘉科夫法［3］為：

涌水影響半徑采用庫金公式：

式中：Q——隧道涌水量，m3/d；

K——含水層滲透系數；

R——隧道寬度的一半，m；

B——隧道通過含水層長度，m；

H——靜止水位至隧道底的厚度，m；

h——水位下降曲線在隧道邊墻上的高度（m），S＝H－h，當H足夠大、h值較小時，取S＝H；

R——隧道涌水影響半徑，m；

α——修正系數，α＝π/2＋H/R。

解析法隧道涌水量計算見表1，其中r=5.72m。

2 隧道涌水預測與實際驗證

2.1 隧道涌水預測與實測涌水情況對比

2.1.1 通過對中梁山地鐵隧道涌水量的實測，比擬法和地下徑流模數法計算的涌水量與實際較接近。而大氣降水入滲法以及解析法計算結果與實測涌水量偏差較大。

2.1.2 隧道開挖至K26+522和K26+502，經鉆孔，出現了大量涌水，最大涌水量分別為10 000m3/d和10 560m3/d，水壓最大達到了2.1MPa。隧道施工至K26+546時，歌樂山鎮金剛村余家灣水庫提灌站室內發生面積約3m2的地面塌陷，疑似與隧道涌水有關。經隧道涌水量實測，其值遠小于預測值［4］，排除了隧道涌水的影響。

2.2 涌水處理方法和效果

對上述隧道涌水情況，現場對K26+522～K26+497和K26+502～K26+474段注漿堵水修護，使受損巖體得到很好修護。經注漿堵水后，檢查孔內水流量均小于0.2L/min·m，注漿修護效果好。對于地面塌陷，也及時用混凝土進行了封堵，并及時跟蹤監測分析，塌陷情況得到了很好的控制。

3 結論

3.1 隧道涌水量的預測，單一的預測方法顯然是不夠的，應采用多種預測方法相互印證，本例中比擬法和地下徑流模數法預測結果相近，并接近實測涌水量。其一是作為本中梁山地鐵隧道與比擬的幾條隧道水文地質條件基本相同。其二是地下徑流模數法計算式簡明，計算所選參數較準確。

3.2 大氣降水入滲法和解析法預測值與實測涌水量相差較大。大氣降水入滲法和解析法做為確定性隧道涌水量計算模型，公式本身是經過相關試驗并在一定工程經驗基礎上提出的，他們的準確性是不容懷疑的。造成與隧道實測值相差較大的原因，一是隧道實際受到應力場、滲流場、溫度、時間及空間場等相互影響，給參數的確定造成了誤差；二是公式所用參數較多，誤差傳遞值就會增大。

3.3 對隧道涌水量的預測工作，應該在熟悉勘察資料基礎上，結合超前地質預報，由豐富經驗的人擔任，才能較準確的預測隧道涌水情況，更可以對隧道突發涌水采取積極有效的應對措施。

［1］朱大力，李秋風.預測隧道涌水量的方法［J］.工程勘察，2000，（4）：18-23.

［2］方振華，王鷹，馮濤.貴廣高速鐵坪山隧道涌水預測及涌水防治［J］.路基工程，2010，（1）：197-199.

［3］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質實例［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［4］付開隆.渝遂高速公路中梁山隧道巖溶預測塌陷及涌水量分析［J］.水文地質工程地質，2005，（2）：107-110.