引漢濟(jì)渭二期工程11#勘探試驗(yàn)洞涌水情況分析

蔣 銳，楊 耿，焦振華

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

地下工程涌水量的預(yù)測較為復(fù)雜，采用的主要方法有水均衡法、地下水動力學(xué)法、比擬法、模糊評分法、數(shù)值模擬法等。隧洞涌水量受很多非確定性因素的影響，前期勘察階段取得的參數(shù)有限，多采用把復(fù)雜的隧洞地質(zhì)條件進(jìn)行概化進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果勢必與實(shí)際情況有出入。本文擬通過對比引漢濟(jì)渭二期工程勘探試驗(yàn)洞預(yù)測結(jié)果與施工期實(shí)際涌水情況。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭二期工程是陜西省引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，工程從關(guān)中配水節(jié)點(diǎn)黃池溝起，布置南、北兩條輸水干線工程向各受水對象輸水。輸水干線西到楊凌，東到華州區(qū)，北到富平，南到鄠邑，直接供水對象為關(guān)中地區(qū)渭河兩岸的西安市、咸陽市、渭南市、楊凌區(qū)4個重點(diǎn)城市和所轄的11個縣級城市和1個工業(yè)園區(qū)（渭北工業(yè)園高陵、臨潼、閻良3個組團(tuán)）以及西咸新區(qū)5個新城。

11#勘探試驗(yàn)洞位于南干線黃池溝至西安子午水廠段，勘探洞洞徑6.80 m×6.00 m，呈城門洞型，末端相交于主干線左側(cè)樁號3+200 m處，與主洞夾角為90°，全長715 m。

2 隧洞基本地質(zhì)條件

根據(jù)施工揭示，11#勘探試驗(yàn)洞樁號K0+000～K0+068段為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)洪積黃土狀土；K0+068～K0+715段為前震旦系寬坪群（Pt1k）黑云母石英片巖。樁號K0+068～K0+100 m為秦嶺北緣斷裂影響帶，樁號K0+100～K0+216 m為強(qiáng)風(fēng)化帶，K0+216～K0+560 m為弱風(fēng)化帶，K0+560～K0+715 m段為微風(fēng)化帶。

弱風(fēng)化帶巖石的飽和抗壓強(qiáng)度Rb=22.5 MPa，屬較軟巖；微風(fēng)化帶巖石的飽和抗壓強(qiáng)度Rb=34.9 MPa；屬中硬巖。

隧洞巖層走向265°～315°，傾向SE，傾角15°～27°，巖層走向與秦嶺北緣斷裂帶走向呈15°～20°的夾角，基本平行，巖層傾角緩于秦嶺北緣斷裂帶的傾角。開挖揭示隧洞結(jié)構(gòu)面發(fā)育，共出露斷層7條，節(jié)理裂隙五組。

施工開挖階段確定的隧洞洞室圍巖劃分如表1。

表1 隧洞圍巖類別

3 隧洞施工期涌水特征

3.1 地下水類型及水化學(xué)特征

根據(jù)施工揭示，隧洞內(nèi)地下水類型根據(jù)賦存條件可劃分為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水兩種類型。

第四系孔隙水主要儲存于第四系上更新統(tǒng)風(fēng)洪積黃土狀土中，主要接受山區(qū)基巖裂隙水、大氣降水補(bǔ)給；基巖裂隙水分布于黑云母石英片巖裂隙及構(gòu)造破碎帶中，接受沖溝地表水、大氣降水的補(bǔ)給。

根據(jù)施工期間洞內(nèi)地下水室內(nèi)水質(zhì)簡分析試驗(yàn)成果，沿線地下水化學(xué)類型為 HCO3--SO42--Ca2+-Mg2+、OH--SO42--Ca2+-K++Na+，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）,地下水對砼及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)均無腐蝕性。

3.2 隧洞涌水出露特征及涌水量

根據(jù)開挖揭示，洞室段位于地下水位以下。黃土狀土洞段，地下水多以滲水、滴水為主，典型涌水情況見圖1。

圖1 黃土狀土洞段涌水

基巖洞段地下水多沿裂隙面、斷層面滲出，出露形式以點(diǎn)滴狀、線流狀為主，局部斷層帶呈噴射狀態(tài)，典型涌水情況見圖2。

圖2 基巖洞段涌水

在隧洞開挖樁號K0+420～K0+450處，施工揭露一斷層（f6），其產(chǎn)狀255°∠35°，斷層破碎帶0.3 m～0.4 m，影響帶1 m～2 m，該處出現(xiàn)較大的突然涌水，涌水呈現(xiàn)噴射狀，見圖3，根據(jù)實(shí)測結(jié)果，該點(diǎn)最大涌水量達(dá)1670 m3/d，給隧洞的開挖及其初期支護(hù)造成極大的困難。

圖3 斷層f6涌水

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測流量，繪制涌水量觀測曲線如圖1，圖中橫軸為時間，縱軸為涌水量。由圖4可知：勘探試驗(yàn)洞正常涌水量為217.3 m3/d～273.6 m3/d，最大涌水量為1944 m3/d。

圖4 隧洞涌水量觀測曲線

4 勘察階段涌水問題預(yù)測

4.1 定性評價結(jié)論

隧洞地下水位大部分位于設(shè)計(jì)洞頂以上，隧洞圍巖富水性整體為貧水～弱富水區(qū)，在穿越斷層帶或?qū)挻罅严稌r可能產(chǎn)生涌水現(xiàn)象，具有產(chǎn)生中等涌水的可能，對工程施工及安全有影響。

4.2 涌水量估算成果

隧洞水文地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是對于各向異性的基巖裂隙水，當(dāng)前沒有很好的方法計(jì)算隧洞涌水量，較為合理的數(shù)值模擬法、滲透張量法所需參數(shù)較多，邊界條件難以在勘察階段確定。

經(jīng)綜合分析，勘察階段隧洞正常涌水量分別采用水均衡法中的降水入滲、地下水動力學(xué)法中的裘布依理論公式兩種方法進(jìn)行估算，并取兩種方法的平均值作為隧洞正常涌水量推薦值；最大涌水量采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行預(yù)測。

降水入滲法公式及取值如下[1]：

式中：α為大氣降水入滲系數(shù)，取0.19；W為隧洞區(qū)年最大降水量，取1087.5mm；Bi為隧洞兩側(cè)影響寬度，取0.8km；Li為隧洞通過含水體地段的長度，取0.65km；Ai為隧洞通過含水體地段的匯水面積，km2。

裘布依理論公式及取值如下[1]：

式中：K為滲透系數(shù)，采用鉆孔壓水試驗(yàn)成果的大值平均值K=0.066 m/d；H為洞底以上含水體厚度，取60 m；h為洞內(nèi)排水溝水深，取0.5 m；Ry為隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑，采用經(jīng)驗(yàn)公式Ry=215.5+510.5K[2]計(jì)算(m)；L為隧道通過含水體長度，取650 m；r為洞身橫斷面等價圓半徑，取4.0 m。

經(jīng)計(jì)算，降水入滲法隧洞正常涌水量為294.7 m3/d；裘布依理論公式法隧洞正常涌水量為629.8 m3/d；推薦的隧洞正常涌水量為462.3 m3/d。

古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法公式及取值如下[1]：

式中：K為滲透系數(shù)，采用鉆孔壓水試驗(yàn)成果的大值平均值K=0.066 m/d；H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，取56 m；d為洞身橫斷面等價圓直徑，取8.0 m；L為隧道通過含水體長度，取650 m。

經(jīng)計(jì)算，隧洞最大涌水量為4530 m3/d。

5 涌水預(yù)測與施工開挖對比

將勘察階段涌水預(yù)測成果與施工開挖揭示成果進(jìn)行對比，有如下結(jié)論：

1）勘察階段的定性評價結(jié)論與開挖揭示實(shí)際情況基本吻合。

2）勘察階段正常涌水量的估算與開挖揭示對比，降水入滲法估算的正常涌水量（294.7 m3/d）與施工開挖正常涌水量（273.6 m3/d）基本相當(dāng)。

3）裘布依理論公式法估算的涌水量遠(yuǎn)大于隧洞實(shí)際正常涌水量，是施工開挖正常涌水量的2.1倍。

4）古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法估算的最大涌水量遠(yuǎn)大于施工開挖最大涌水量，是開挖最大涌水量的2.3倍。

6 結(jié)語

（1）本工程隧洞實(shí)際正常涌水量更接近于降水入滲法估算量，裘布依理論公式法估算量與實(shí)際差別較大，該經(jīng)驗(yàn)可供同類型隧洞涌水預(yù)測參考。

（2）雖然本工程實(shí)際最大涌水量與古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測的最大涌水量相差較大，但其數(shù)值未突破預(yù)測值，說明采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法估算隧洞最大涌水量是合適的，只是預(yù)測成果偏安全。

（3）裘布依理論公式、古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測值與實(shí)際值相差較大，這可能與兩個公式中含水層厚度不易確定，取值時往往偏大有關(guān)。

（4）隧洞涌水問題較為復(fù)雜，單純靠計(jì)算不能準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)際涌水情況，更多的是依靠宏觀定性評價。勘察評價隧洞涌水問題時，應(yīng)避免“重?cái)?shù)值計(jì)算、輕定性評價”。