青島地鐵1號線一標段暗挖隧道涌水量預測研究

萬 斌，徐 偉（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北　武漢430010）

青島地鐵1號線一標段暗挖隧道涌水量預測研究

萬 斌，徐 偉
（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

青島地鐵1號線一標段瓦屋莊站—貴州路站區間線路全長約8.2 km，海域段長3.45 km，海域段底板埋深約為45 m，陸域段底板埋深為21～130 m，通過分析其地層巖性、地質構造及水文地質特征，并針對該暗挖隧道既有海域段又有陸域段的特點，對現有的各種涌水量計算方法對比分析后，采用以地下水動力學法為基本原理的不同模型預測了該隧道涌水量，得出了隧道涌水量預測數據；通過對預測數據進行分析，得出隧道涌水量較大的地段主要為斷裂構造密集帶和巖石風化程度較高的地段，進而為隧道設計及安全施工提供依據。

暗挖隧道；地下水動力學法；涌水量預測

近些年來，隨著我國經濟建設的高速發展，新建的大型市政和鐵路基建類項目日益增多，促進了其理論水平和技術手段的不斷提升。其中，隧道技術和施工質量越來越引起了人們的重視［1-3］。隨著國家基礎建設的不斷投入，建設設計水平的提高以及新工藝、新設備的使用，許多隧道乃至深埋特長公路、海底隧道設計方案應運而生，但在隧道建設過程中引發的涌水災害問題也變得異常突出。若隧道涌水預測工作和防排措施不到位，就很有可能導致在施工掘進過程中遇到突然涌水或特大涌水。因此，加強隧道涌水量方面的研究工作，對保障隧道建設的安全施工、制定合理有效的整治方案及后期隧道營運安全，都有著重要的指導意義［4］。

目前，隧道涌水量預測的方法主要有:降水入滲法、水均衡法、比擬法、地下徑流模數法、地下水動力學法、灰色系統理論方法、數值分析法等［5-11］。本文采用以地下水動力學法為基本原理的不同模型，針對青島地鐵1號線一標段的具體水文地質和工程地質條件，對該暗挖隧道涌水量進行預測及預報研究，并通過對預測數據進行分析，進而為隧道工程的設計及安全施工提供依據。

1　隧道工程概況及水文工程地質條件

1.1工程概況

青島地鐵1號線一標段為瓦屋莊站—貴州路站區間（不含瓦屋莊站、貴州路站），線路起點里程為K23+522，終點里程為K31+723，全長約8.2 km，海域段長3.45 km，海域段底板埋深約為45 m，陸域段底板埋深為21～130 m；線路由團島部隊營區后入海，下穿膠州灣灣口，在薛家島北端上庵村西側登陸后過環島路，標段終點在瓦屋莊設置瓦屋莊站。

隧道里程為K23+522～K24+521和K30+ 916～K31+723的結構斷面采用兩條分離的單洞單線隧道，洞內徑高8.1 m、寬6.7 m，隧道里程為K24+521～K30+916的結構斷面采用單洞隧道；隧道內共設置3座通風豎井。

1.2工程地質條件

1.2.1地層巖性

隧址區的第四系覆蓋層較薄，大部分區域基巖直接出露于地表，基巖巖性為下白堊紀青山群的火山巖和早白堊世（燕山晚期）的侵入巖。地層巖性為糜棱狀巖、基巖中等風化帶、碎裂狀巖、微風化碎裂巖（包括各種微風化碎裂巖）、微風化破碎巖（包括各種微風化破碎巖）、微風化正長斑巖、微風化凝灰巖、微風化安山巖、微風化閃長巖、微風化石英閃長巖、微風化輝綠巖、微風化花崗巖、微風化安山質火山角礫巖、微風化流紋巖、微風化凝灰質粉砂巖、微風化英安玢巖等。此層微風化巖體構成了隧址區巖石的主體，隧道洞身大部分在此層內展布。隧道工程地質斷面圖（以K30+892～K31+363段為例）見圖1。

1.2.2區域地質構造

膠州灣處于膠萊坳陷和膠南隆起的結合部位，地質構造比較復雜。區域內分布3條斷裂，其中滄口斷裂的走向為NE45°左右，傾向以NW向為主，傾角較陡，該斷裂最新活動年代為中更新世；劈石口斷裂總體走向為NE48°左右，全長約47 km，斷層面傾向以NW向為主，傾角多在70°以上，該斷裂距隧道最近距離約10 km，其最新活動年代為中更新世；王哥莊斷裂全長37 km，總體走向為NE40°左右，距隧道最近距離為16 km，該斷裂最新活動年代為中更新世晚期。區域內的3條斷裂帶基本對隧道影響不大。

1.3水文地質條件

1.3.1地下水類型

擬建隧道陸域和海域范圍內地層地下水根據其賦存形式可分為三類:松散巖類孔隙水、風化基巖孔隙裂隙水和基巖裂隙水。陸域范圍內的松散巖類孔隙水主要賦存在第四系的人工填土層中，海域范圍內的松散巖類孔隙水則主要賦存在第四系全新統的海積層中；風化基巖孔隙裂隙水賦存在全風化和強風化巖層中；基巖裂隙水賦存在基巖的構造裂隙與風化裂隙中。在海域部分的地層中一般沒有明顯的含水層和隔水層（堆積的砂層及某些富水性較好的基巖破碎帶除外），總體而言富水性較弱、滲透性較差，為弱或微含水層。

1.3.2地下水補給、徑流及排泄條件

（1）松散巖類孔隙水:該類地下水主要接受大氣降水和海水的補給，高潮時，海水向松散巖類孔隙中滲透，雜填土、砂土等地層中水量驟增，水量較大；低潮時，松散巖類孔隙水向海中排泄，雜填土、砂土等地層中水量驟減，水量較小。松散巖類孔隙水的排泄除了正常的蒸發、人為抽取之外，大部分向河溝或者海洋進行排泄，少部分則入滲補給下部的弱含水巖組。

（2）風化基巖孔隙裂隙水:該類地下水主要接受上部孔隙水的入滲補給，但當海水高潮水位高于局部底層底面時，則接受海水補給，之后再緩慢地側向或下滲補給基巖裂隙含水巖組。

（3）基巖裂隙水:出露地表的基巖主要接受大氣降水的入滲補給，而埋藏型基巖主要來自其他類型地下水的入滲補給，但其徑流由于受到基巖裂隙形態的控制，會呈現不同的狀態，有時相互之間還會不連通，沒有統一的水面。

由于海域范圍內的地下水類型之間一般不存在隔水層，故可將其視作一個無限厚的弱含水層，海水垂直入滲補給該弱含水層，而隱伏在其下部的含水巖組則接受上部含水巖組的入滲或越流補給。

2　隧道涌水量預測

本次勘察工作進行了大量的水文地質試驗，得到了準確的水文地質參數。陸域段隧道兩端島岸弱-微風化基巖普遍埋藏較淺，局部裸露地表，巖體總體為弱-微透水性。海域段巖土體中微風化巖層在同一層面上透水性較均勻，無突躍增大或減小的現象，受風化裂隙影響，具弱-微透水性，綜合滲透等級為弱透水；微風化破碎巖體受構造裂隙、充填情況的影響，滲透等級為中等透水。海域段巖土體滲透系數統計結果見表1。

表1　海域段巖土體滲透系數統計結果Table 1 Descriptive statistics of permeability coefficients of the rock and soil of the subsea tunnel

對該地鐵線所穿越地區的水文地質和工程地質條件進行綜合分析后，認為地下水動力學法比其他隧道涌水量預測方法更加適用于該標段隧道涌水量的計算。由于此線路既有陸域又有海域，因此針對陸域和海域暗挖隧道不同的特點，本文選擇了不同的涌水量計算模型和計算公式，以確保計算結果的準確性。

2.1陸域段隧道涌水量計算模型

一般來說，陸域段暗挖隧道的涌水量會呈現出以下特點:在施工初期的涌水量最大，但后期涌水量隨隧道施工時間的增加而慢慢變小，存在最大涌水量和正常涌水量的問題。參照《鐵路工程水文地質勘察規程》（TB10049—2004）和鐵路規范經驗公式，陸域段暗挖隧道涌水量的計算模型（見圖2）和計算公式［12］如下:隧道最大涌水量計算公式:

式中:q0為單位最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數（m/d）；H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；d為隧道洞身橫斷面的等價圓直徑（m）。

（2）q0=0.025 5+1.922 4K H （鐵路規范經驗式模型2）

式中:q0為單位最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數（m/d）；H為含水體厚度（m）；隧道正常涌水量計算公式:

式中:qs為單位正常涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數（m/d）；H為洞底以上含水體厚度（m）；h為洞內排水溝假設水深（m），本次計算取值為0；r為洞身橫斷面等價圓半徑（m）；Ry為隧道涌水地段的引用補給半徑（m）。

（2）qs=K H（0.676-0.06K）（鐵路規范經驗公式 模型3）

式中:qs為單位正常涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數（m/d）；H為含水體厚度（m）。

2.2海域段隧道涌水量計算模型

海域段暗挖隧道由于處于半無限厚的弱含水層中，其施工初期的最大涌水量與施工中的正常涌水量基本一致，其隧道最大涌水量的計算模型（見圖3）和計算公式［12］如下:

式中:q0為單位長度最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數（m/d）；H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；d為洞身橫斷面的等價圓直徑（m）。

式中:q0為水底隧道施工中單位長度最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數（m/d）；H為自水體底部至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；H0為地面水體厚度（m）；r0為洞身橫斷面的等價圓半徑（m）。

為保證隧道涌水量預測結果的準確性，隧道總涌水量計算采用分段計算的方法，根據各段滲透系數的不同將隧道分為若干段，各段滲透系數的取值綜合考慮了地層巖性、巖體完整度、巖石風化程度、構造斷裂帶及巖脈發育侵入等諸多因素。該隧道最大涌水量和正常涌水量預測結果見表2和表3。

表2　隧道最大涌水量預測結果Table 2 Prediction results of maximum water inflow of the tunnel

表3　隧道正常涌水量預測結果Table 3 Prediction of the normal water inflow of the tunnel

3　結論與建議

（1）本文針對青島地鐵1號線一標段暗挖隧道存在陸域部分和海域部分的特點，通過地下水動力學法的不同計算模型對該隧道涌水量進行預測。由于陸域段暗挖隧道涌水存在最大涌水量和正常涌水量的問題，這就要求在隧道涌水量預測過程中需綜合考慮兩者的影響，對此采用以地下水動力學法為基本原理的古德曼公式和鐵路規范的經驗公式計算了隧道的最大涌水量，同時用裘布依公式和鐵路規范的經驗公式計算了隧道的正常涌水量，這樣較好地解決了該問題。預測結果顯示:該隧道最大涌水量預測值為34 081.63 m3/d，正常涌水量預測值為29 954.03 m3/d。海域段由于接受海水的垂直入滲補給，其涌水量明顯比陸域段的大很多，其次海域段線路為兩端高中間低，不利于涌水的排出，因此在施工過程中應采取堵漏與排水相結合的措施，并在重點地段加強施工過程中的涌水量監測，以保證施工順利進行。可見，針對線路較長，又經過多種不同水文地質條件的暗挖隧道工程，應盡量采用分段計算的方法預測涌水量，這樣可使預測結果盡可能地接近實際涌水量，以便更好地指導隧道工程施工和排水設計工作。

（2）隧道K23+520～K23+960段和K30+ 916～K31+580段地質構造相似，但上覆巖層風化程度不同，因此對比兩段隧道涌水量后，得出隧道上覆巖體風化程度越大隧道涌水量越大的結論。

（3）隧道K26+950～K30+260段有斷裂E1、E2、E3、E4橫穿，該段區域構造活動強烈，裂隙比較發育且連通性好，該地段隧道涌水量明顯高于其他地段，因此可以得出碎裂帶的存在會對隧道涌水量產生顯著影響的結論。

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The Forecasting Study on the Water Inflow of the First Section's Bored Tunnel of Qingdao Metro Line 1

WAN Bin，XU Wei
（Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

The first section of Qingdao metro Line 1 between Wawuzhuang station and Guizhou road station is 8.2 km long including a length of 3.45 km under the sea.The floor of its foundation buries 45 meters deep underground as the metro crosses the sea and 21～130 meters when it crosses the land.The paper analyzes the characteristics of stratum lithology，geological structure and hydrological geology.Considering that the bored tunnel crosses both the land and the sea，the paper predicts the water flow by using different groundwater hydraulic models after comparing the existing calculation methods.The paper analyzes the predicted data and comes to a conclusion that the larger water inflow district lies in the area of high fracture density and high degree of rock weathering.So the paper provides the basis for tunnel design and safety construction.

bored tunnel；groundwater dynamic method；inflow prediction

X948；U456.3+2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.029

1671-1556（2015）05-0163-05

2015-03-27

2015-07-29

萬斌（1968—），男，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、設計及工程項目管理工作。E-mail:350977917@qq.com