小相嶺公路隧道幾種預測涌水量方法的比較

韓志遠 凌 佳

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

小相嶺公路隧道幾種預測涌水量方法的比較

韓志遠 凌 佳

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

以小相嶺公路隧道涌水量預測為例，詳細介紹了預測隧道涌水量的方法，討論了其計算步驟、公式及適用條件，指出在實際工程中，應根據適用條件，合理選擇預測方法，以獲得較好的預測效果。

隧道涌水量，地質條件，預測，方法

0 引言

為保證隧道安全設計和正常施工，須采用有效的計算方法來準確預測隧道涌水量。我國自20世紀80年代起開始對隧道涌水量的預測進行系統的研究，提出了很多預測方法和適用條件[1]，本文結合小相嶺公路隧道工程實例來簡單介紹幾種實際工作中常用的隧道涌水量預測方法。

1 小相嶺隧道水文地質條件

測區內水系較發育，多為山區性河流，河谷深切，峽谷眾多，河流屬雨源及雪融型，水位、流量受大氣降水的季節性變化影響顯著，枯水季節常以排泄地下水來維持其徑流。隧道穿越區域分水嶺，進出口洞門海拔位置較高，隧道上方地形為單一“人”字坡，有利于地表水的排泄，不利于大氣降水的入滲補給。根據巖性、構造、地形地貌等等條件，可將小相嶺隧道洞身大致分為以下四個

段落：

K19+030～K19+600段巖性主要為中粒～粗粒巖屑砂巖及長石砂巖與礫巖互層，厚～巨厚層，節理一般發育，巖體較完整，地下水為基巖裂隙水，主要賦存于砂巖、礫巖風化裂隙中，透水性較差，地下水發育較弱。

K19+600～K20+350段為主要的構造發育段，隧道依次穿過“向斜—逆斷層—背斜”構造，巖性以厚～巨厚層砂巖為主，背斜核部(K19+928～K20+137段)為厚～巨厚層白云質灰巖。該段受構造作用，裂隙發育，透水性較好，沿構造軸線兩端有河流經過，可通過構造帶補給地下水，該段地下水較發育。

K20+350～K21+800段巖性主要為厚～巨厚層砂巖，局部夾礫巖、頁巖，節理不發育，巖體較完整，透水性差，地下水不發育。

K21+800～K23+080段巖性主要為砂巖與頁巖互層，節理不發育，巖體較完整，透水性差，地下水不發育。

綜上，可以初步判定隧址區一般地段地下水富水程度弱，屬貧水區，褶皺發育段、斷裂發育段及可溶巖段內，地下水富水程度相對較高，屬中等富水區。

2 本隧道所采用的預測方法

本文選取6種常用方法對小相嶺隧道涌水量進行計算，以相互對比印證。在預測時,需根據洞身的富水性對隧道進行分段，分別計算出各段的正常涌水量和可能最大涌水量，最后再綜合成整體隧道的涌水量[2]。

2.1 水文地質比擬法

該法強調擬建與已建隧道水文地質條件相似，要求已建隧道要有長期的涌水量觀察資料，以保證數據的可靠性。公式如下：

F=B·L

(1)

F′=B′·L′

其中，Q，Q′分別為擬建、已建隧道的正常涌水量或最大涌水量，m3/d；F，F′分別為擬建、已建隧道的涌水面積，m2；s，s′分別為擬建、已建隧道自靜止水位計起的水位降深，m；B，B′分別為擬建、已建隧道洞身橫斷面的周長，m；L，L′分別為擬建、已建隧道通過含水體的長度，m。

從巖性、構造、地形地貌、降雨量等條件綜合考慮，選取已貫通的合福鐵路五城隧道作為參考來計算小相嶺隧道正常涌水量(見表1)。

表1 小相嶺隧道與五城隧道水文地質條件對比

五城隧道貫通后枯水期實測正常涌水量Q枯′=1 866.2 m3/d，豐水期正常涌水量按枯水期涌水量兩倍考慮，Q豐′=3 732.4 m3/d，全年正常涌水量按枯水期1.5倍考慮，Q′=2 799.36 m3/d。

五城隧道斷面周長B′=42.8 m，小相嶺隧道斷面周長B=33.4 m。

據比擬法計算公式可得小相嶺隧道的正常涌水量Q枯=1 203.2 m3/d，Q豐=2 406.4 m3/d，Q=1 804.8 m3/d。

2.2 評分法

在踏勘和初測階段，可采用評分法概略預測隧道最大涌水量。根據TB 10049-2004鐵路工程水文地質勘察規程表B.3.3-2《隧道最大涌水量概略預測表》，累計相加確定，計算過程及結果見表2。

表2 評分法預測隧道涌水量

2.3 地下水徑流模數法

該方法具有較強的實用性，對巖性較為單一，水文地質條件較簡單的地區較為實用。

Qs=M·A

M=Q′/F

(2)

A=L·B

其中，Qs為隧道通過某含水體范圍的正常涌水量，m3/d；A為隧道通過某含水體范圍的集水面積，km2；M為地下水徑流模數，m3/(d·km2)；Q′為枯水期地下水補給的河流的流量或下降泉流量，m3/d；F為與Q′相當的地表流域面積，km2；L為隧道通過某含水體范圍的長度，km；B為隧道涌水地段L長度內對兩側的影響寬度，km。

涌水影響寬度的確定是該法的重點之一。首先應考慮用調查法確定涌水影響寬度，當隧道通過匯水盆地(洼地或富水構造等)，該匯水盆地可作為該段隧道的集水面積，用其平均寬度作為該段隧道的涌水影響寬度。若難以通過調查法確定涌水影響寬度時，可用《鐵路工程水文地質勘察規程》的經驗式來計算。

R=215.5+510.5K

(3)

其中，R為隧道涌水影響半徑，m；K為含水體滲透系數，m/d。

本隧道K20+150～K21+800段因難以通過調查法確定影響寬度，故采用經驗式來計算，其余范圍用調查法確定，具體數值見表3。

表3 地下水徑流模數法計算表

2.4 降水入滲法

該方法適用于隧道通過潛水體且埋藏深度較淺。本方法可以作為核對其他方法計算結果的一種補充性計算方法，如果條件適合，預測結果也較為理想。

Qs=2.74α·W·A

(4)

其中，α為降水入滲系數；W為年降雨量，其他符號意義同式(2)。

降水入滲法計算表見表4。

表4 降水入滲法計算表

2.5 地下水動力學法

地下水動力學法又稱水文地質解析法，該方法簡化了水文地質條件，經過了水文地質模型概化，獲得在給定邊界和初值條件下的涌水量，具有快速實用的特點[3]。基于同樣的原因，該方法計算結果與隧道開挖后的實際情況可能有一定出入[4]。

國內外學者依據該方法研究得出了許多計算隧道涌水量的半理論半經驗公式。以下選取常用的兩個公式來分別計算隧道最大涌水量和正常涌水量。

1)古德曼經驗式：

(5)

其中，Q0為隧道通過某含水體范圍的最大涌水量，m3/d；K為含水體滲透系數，m/d；H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m；d為洞身橫斷面等價圓直徑，m；L為隧道通過某含水體范圍的長度，m。

古德曼經驗式法計算表見表5。

表5 古德曼經驗式法計算表

2)裘布依理論式:

(6)

其中，Qs為隧道通過某含水體范圍的正常涌水量，m3/d；Ry為隧道涌水地段的引用補給半徑，m，即隧道涌水影響寬度；其他符號意義同上。

該式適用于淺埋隧道，當隧道埋深較大時，含水體厚度和涌水時水位降深值須準確確定。

裘布依理論式法計算表見表6。

表6 裘布依理論式法計算表

2.6 鐵路經驗公式法

Qs=L·K·H(0.676-0.06K)

(7)

Q0=L(0.025 5+1.922 4K·H)

(8)

式中符號意義同上。

鐵路經驗式法正常涌水量，最大涌水量計算表見表7，表8。

表7 鐵路經驗式法正常涌水量計算表

表8 鐵路經驗式法最大涌水量計算表

3 結語

1)從以上幾種方法結果的比較可以看出，地下水徑流模數法計算正常涌水量的結果偏小，主要原因是把隧址區復雜的地下水條件進行了簡化，采用了區域性的地下水徑流模數值，該值可能偏小。2)其余方法計算的正常涌水量及最大涌水量結果均比較接近，計算結果得到互相印證，說明參數選取合理，預測結果可信度較高。3)在工程實例經驗的基礎上，經驗公式法對理論公式法的計算模型進行了修正，使得預測結果更為準確。故選取鐵路經驗公式法計算結果作為最終計算結果。4)根據計算結果，K19+500～K20+150范圍為強富水段，需加強防排水措施。在該隧道設計中，本研究結果為隧道防排水設計提供了合理依據。

[1] TB 10049-2004，鐵路工程水文地質勘察規程[S].

[2] 朱大力，李秋楓.預測隧道涌水量的方法[J].工程勘察,2000,28(4):18-22.

[3] 徐國鋒,楊建鋒,陳侃福.臺縉高速公路蒼嶺隧道水文地質勘察與涌水量預測[J].巖石力學與工程學報，2005,24(S2):5531-5535.

[4] 王建秀,朱合華,葉為民.隧道涌水量的預測及其工程應用[J].巖石力學與工程學報,2004，23(7):1150-1153.

[5] 陳水龍.談隧道圍巖滲透系數的測定及預測隧道開挖涌水量[J].山西建筑，2013，39(22)：166-167.

The comparison of several methods prediction of water inflow of Xiaoxiangling highway tunnel

HAN Zhi-yuan LING Jia

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignResearchInstitute,Tianjin300133,China)

Taking the water inflow prediction of Xiaoxiangling highway tunnel for example, this paper introduced the predicting method of tunnel water inflow, discussed the calculation steps, formula and applicable condition, pointed out that in actual engineering, according to the applicable conditions, selected reasonable prediction methods, so as to obtain better prediction effect.

tunnel water inflow, geological condition, prediction, method

1009-6825(2014)07-0195-03

2013-12-26

韓志遠(1985- )，男，助理工程師； 凌 佳(1986- )，男，助理工程師

U452

A