中條山特長隧道涌水計算分析及對策措施

韓大千

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

1.1 隧道建設規模

中條山特長隧道是雙洞單向高速公路隧道，長9 671 m，隧道最大埋深681 m。

表1 隧道設置表

1.2 隧址區水文地質條件

1.2.1 氣象

隧址區降雨較集中在夏、秋季。全區年平均降水量為529.5 mm，年平均降水日數81 d，多的達119 d（1964年），少的為32 d（1978年）。7、8、9三個月降雨量占全年降雨量70%。

1.2.2 水文

隧址區地表水有寺溝溪流和王窯頭溪流。隧道南坡的寺溝溪流發源于寺溝，地表調查共發現了3個泉水點，均位于寺溝村北，流量分別為0.5 L/s、0.12 L/s、0.13 L/s；隧道北坡的王窯頭溪流發源于水泉凹，地表調查共發現泉水點4個，水泉凹泉流量0.13 L/s，后柳坡泉流量 0.1 L/s，前柳坡泉流量0.04 L/s，譚家窯泉流量0.1 L/s。地表溝澗較大溪流主要有五龍峪溪流、大白峪口溪流、后柳坡溪流，清水流量分別為 43 L/s、12.9 L/s、11.1 L/s，具體情況見表2。

表2 地表水及泉水調查表

中條山北麓的洪積扇群長50 km，扇體小，但坡度大，顆粒粗，富水性不均一，單位涌水量2～10 m3/h·m或 10～30 m3/h·m；淺層含水層埋深 20～40 m，為全新統和上更新統的砂礫石層，厚度10～40 m，水位埋深0.5～15 m，深度20 m，單位涌水量10～30 m3/h·m。深層含水層為中上更新統砂礫石層。埋深20～140 m或250 m，厚度60 m，單位涌水量 10～30 m3/h·m或 2～10 m3/h·m。

中條山南側松散巖類孔隙水含水巖組分布于芮城、平陸地區，黃土臺地含水層為下更新統和第三系，溝谷切割有泉水出露，泉水流量一般在1.3～8 L/s，水位埋深10～50 m，單位涌水量0.3～2 m3/h·m，承壓水埋深150 m以下。中條山南山前的洪積扇區，含水層埋深100～250 m，為中、上更新統礫卵石砂，厚度6～31 m，水位從扇頂的100 m至扇的前緣溢出。單位涌水量2～10 m3/h·m，較富水地區達10～30 m3/h·m 。

項目區地下水按照地貌、地質、地下水的埋藏深度、巖層內的水量情況，可以分成3種水文地質區域：

a）基巖裂隙水 廣泛分布于構造剝蝕基巖山區。本區地層主要由太古界涑水雜巖、震旦系石英砂巖等變質巖系組成，富水性較差；在基巖山體與黃土臺地及洪積扇接壤部位，地下水則側排入黃土臺地及洪積扇之中。

b）松散巖類孔隙水 分為山前洪積扇裙孔隙水、黃土臺塬孔隙水；含水層為新生界中上更新統及全新統砂礫石及亞黏土。洪積扇端水位深，扇中及前緣水位較淺，軸部富水。含水層以沖洪積相巖性為主，滲透性較差，地下水位受氣候變化影響較大，雨季地下水流量大，水位高；枯水期地下水流量小，水位低。

c）碳酸鹽類巖溶水 主要分布于寒武系灰巖及中元古界薊縣系白云巖地層中；水分補給主要是大氣降雨入滲、溝谷河流入滲、緊鄰基巖裂隙水入滲等；地下水埋藏較深，溝谷中的河流多表現為干谷，隧道基線位于巖溶水水位面以上，受其影響不大。

2 隧道涌水量計算分析

本次計算主要運用了灰色系統法和地下水動力法。

2.1 灰色系統法

灰色系統理論方法基本原理是首先根據灰色關聯度理論確定隧道涌水量的主要影響因素，以明確地表水文地質調查的主要內容和重點工作，然后根據調查結果對照由數量化判別方法計算出來的評判標準進行評分，由此判別涌水嚴重程度等級。最后，對于等級嚴重的水害隧道，根據由灰色虛擬變量多元回歸方法計算出來的評判標準預測可能涌水量大小。

2.1.1 多因子關聯度分析

首先利用灰色關聯度分析方法分析評價各種水文地質條件與隧道涌水災害嚴重性的關聯程度。隧道地質構造的類型及發育程度、是否采取防水措施、隧道長度、縱向匯水長度及隧道地表環境特征等與涌水災害的關聯度較大[1]，各因素關聯度情況見表3。

表3 隧道涌水災害影響因素灰色關聯度分析表

根據上述涌水影響因素關聯分析，建立涌水災害嚴重程度等級的判別方程式，將結果用評分表的形式表達，具體情況見表4。

表4 涌水災害嚴重程度等級評分表

隧道涌水災害評估等級分為A、B、C、D四等：

a）A級為隧道涌水甚大或突然涌水或泥砂大量涌；

b）B級為隧道涌漏水較大或泥砂涌出；

c）C級為隧道內有涌漏水，對圍巖穩定性有一定影響；

d）D級為隧道內有涌漏水甚微或無，一般不會對施工運營及環境造成不利影響[2]。

由水文地質資料可以將該隧道地段分兩段進行分析，且地下分水嶺與地表分水嶺基本一致，地下水分水嶺略偏北。分水嶺以北地下水以盆地松散巖類孔隙水為主，其次為變質巖類裂隙水；以南地下水以變質巖類裂隙水為主，其次為松散巖類孔隙水，碳酸鹽巖裂隙巖溶水也有一定分布。

2.1.1.1 地下分水嶺以北段

由隧道區地表水系特征知該區設有集水建筑物，且由該地區的物探報告知本地區巖溶形態不發育，所以該地區的地表環境特征應劃分為有集水建筑物，取值為0.7。該區段主要巖性為黑云角閃片巖、黑云斜長片麻巖、變粒巖、角閃黑云斜長片麻巖及話伽馬、花崗片麻巖等，所以巖石性質為硬巖，取值0.21。該段的地質構造為裂隙發育、裂隙張開，取值1.34。由于隧道還未施工，防水措施為無，取0。該區降水分布不均且少，年降水量約500～600 mm，年平均降雨量529.5 mm，而年平均蒸發量2 061.5 mm，為年平均降雨量的3.9倍，所以氣候條件屬少雨區，取值為0。由縱剖面圖測得最大埋深為650 m，取值3.8H×10-4=3.8×650×10-4=0.247。

分水嶺以北段隧道長度為4.56 km，隧道長度取值為：0.05L=0.05×4.56=0.228。

總得分：0.7＋0.21＋1.34＋0＋0＋0.247＋0.228=2.725,屬C級，評定為隧道內有涌漏水，對圍巖穩定性有一定影響。

2.1.1.2 地下分水嶺以南段

地表環境特征為溝谷匯水，取值0.7。該區段巖石性質為硬巖，取值0.21。巖溶破碎帶，地質構造取值1.9。防水措施為無，取值0。氣候條件為少雨區，取 0。最大埋深 650 m，取值 0.247。隧道長度5.24 km，取值 0.262。總得分：0.7＋0.21＋1.9＋0＋0＋0.247＋0.262=3.311，屬B級，即隧道涌漏水較大或泥砂涌出。

2.1.2 灰色虛擬變量多元回歸分析

根據全國多座有涌水量記錄的隧道調查資料，建立相應的隧道涌水量灰色模型，采用灰色虛擬變量多元回歸方法，得涌水量預測評分表，再利用灰色虛擬變量多元回歸法預測其涌水量。

結合恩格斯為《政治經濟學批判》所作的書評以及馬克思自己在《資本論》第一卷第二版跋中的說法，“我公開承認我是這位大思想家的門人，而在關于價值學說的那一章，我在這里那里用黑格爾特有的表現方法來顯示一番”(馬克思，1963：第二版的跋XXIII)。必須承認：馬克思對于黑格爾辯證法的批判性改造，最直接的表現就是“政治經濟學批判”的第一章“商品”。然而，從《政治經濟學批判》的“商品”章到《資本論》的“商品”章，雖然在主題與內容上存在連續性，都是敘述從商品向貨幣再到資本的辯證過渡這一最為抽象的內容，但是二者之間卻存在細微的本質的差別。

2.1.2.1 地下分水嶺以北段

基本涌水量為2 900；無溝谷匯水，所以地表環境特征不取值。隧道類型中也沒有符合的條件，也不取值。該段雖然有大理巖及花崗巖等硬巖，但也有片麻巖等工程軟巖，所以巖石性質屬于軟硬互層，取值為0。裂隙發育取值500。防水措施為無防護，取值0。隧道最大埋深為650 m，在400～700 m之間，取值45。因此，該段隧道的預測涌水量為3 445 m3/d。

2.1.2.2 地下分水嶺以南段

基本用水量2 900；地表環境特征劃為旱地，取值為0；巖石性質為軟硬互層，取值為0；本段巖溶裂隙發育，取值3 060；無防護，取值為0；隧道最大埋深650，取值45；因此，該區段的預測涌水量為6 005 m3/d。

2.2 地下水動力學法

2.2.1 地下水動力學公式

地下水動力學的公式為：Q=BK(2S-M)M/R，式中：Q為隧道涌水量，m3/d；B為隧道長度，m；M為含水層厚度，m；S為靜止水位至設計路面高差，m；R為影響半徑，m；K為含水巖層平均滲透系數，m/d[3]。

2.2.2 含水巖層平均滲透系數K的取值

由水文地質條件分析可以將鉆孔看為無限補給邊界的潛水完整井，滲透系數計算及抽水影響半徑計算可用經驗公式：

式中：Q為流量，此時取5.76 m3/d；R為影響半徑，單位為m；r為鉆孔的半徑，單位m，取值0.5 m；S為降深，取值29.9 m；H為井在含水層的長度，應為井深和靜水位之差。

本次抽水共布設 K8+000、K8+995、K11+750、K12+828四個孔位進行試驗，分水嶺南、北各部設2個孔位。

代入公式計算得：滲透系數K=0.008 m/d。

按照這種計算方法，算得 K8+000、K8+995、K11+750處的滲透系數K分別為0.002 38、0.000 2、0.003 55。

2.2.3 分段涌水量的計算

根據隧洞巖性及水文地質條件，劃分為4段進行計算，各分段涌水量計算參數及計算結果如表5所示。

表5 隧道分段涌水量計算表

由表5可知，該隧道總涌水量為5 061.34 m3/d。

2.3 隧道涌水量的評價

隧道涌水量的預測計算采用灰色系統法、地下水動力學法兩種計算。灰色系統法以地表水文地質調查的主要內容和重點工作，然后根據調查結果對照由數量化判別方法計算出來的評判標準進行評分，根據由灰色虛擬變量多元回歸方法計算出來的評判標準預測可能涌水量大小，有較高可信度；地下水動力學方法采用計算參數R、K、S、M，采用鉆孔提水試驗資料并結合鄰區同等水文地質條件下比擬而得，理論上精度更高。

考慮到提水試驗是利用工程勘察孔進行，因此涌水量預測結果存在以下幾個方面的誤差因素：a）鉆孔直徑較小；b）施工過程中有巖粉堵塞孔壁，洗孔不徹底，影響試驗時地下水進入抽水孔；c）施工時由于供水困難，有的孔在漏水嚴重的巖段采用了水泥漿封孔，在提水時該段地下水進不到孔內。

根據兩種方法計算結果，綜合考慮以上因素，隧道涌水量建議采用值為：分水嶺以北段為3 445 m3/d，分水嶺以南隧道涌水量為6 005 m3/d。

3 隧道涌水對策措施

總體來看，隧址區分水嶺以北主要以基巖裂隙水為主，組成山體的古老變質巖富水性較差；分水嶺以南以寒武系中下統白云巖等裂隙巖溶地下水為主。北部主要表現為施工隧道洞頂的淋頭水；同時由于裂隙水在裂隙中運移的深度較大，促使基巖風化帶較厚，影響隧道圍巖類別。南段以裂隙巖溶水為主，匯水主要來自大氣降雨補給，該段地下水富水程度相對較強，對隧道的施工影響較大。

3.1 隧道分段涌水量變化規律

a）隧道上伏地層厚度大則地下水水量大，反之小。

b）斷層破碎帶水量大，完整地段較小。

c）基巖裸露地段水量大，覆蓋型地段水量小。d）雨季水量大，旱季水量小。

e）脆性巖石水量較大，柔性巖石水量相對較小。

3.2 根據涌水情況，有針對性地提出的對策措施

a）做好隧道洞內施工排水工作，及時封閉巖面，最大程度地減少滲水量。

b）順坡施工時以自然排水為主，沿隧道縱向設置排水溝，不讓水漫流。

c）反坡施工時，應根據預測最大可能涌水量及最大突然涌水量，配備排水機械，設置機械排水管路，可分級提升排出洞外。

d）根據多座特長隧道及大型水電地下廠房施工涌水情況的抽水設備配備情況，結合本項目隧道工程地質與水文地質勘察資料，初步確定如下施工期間的排水方案：多套三級揚程或多級揚程的大功率排水機械（含應急、備用排水機械），單洞反坡施工總抽水能力不低于每小時500～1 000 m3，排水管單根輸水管線按照單洞3 000 m長度配置，同時配置必要的安全泵、備用泵（根據涌水、突泥情況，可配置必要的大功率泥漿泵，以滿足斷層帶涌水情況含大量泥漿的需要），設置雙路供電措施，以防斷電情況下影響施工排水安全。

e）在斷層破碎帶及可能存在大型隱伏含水體地段，要求設置超前地質鉆孔（1～3孔）超前探水、并采用綜合地質預報系統判斷涌水的可能性，測定水壓、流速等具體參數，根據具體測定、判斷的含水情況，采取必要的環向注漿止水、帷幕注漿止水措施堵水，及時調配抽水設備，確保施工涌水能夠及時排除。

f）制定涌水段施工應急預案，掌握施工主動權，根據確定較合適的方法進行施工，避免安全事故發生。

4 結語

公路隧道的建設經常會遇到不同程度的涌水，探明情況，有的放矢，做好施工預案，方能保證安全。以上是筆者在負責中條山隧道勘察設計中的一些淺見，不當之處，請各位前輩及同仁批評指正。