富水區隧道區域水流場動態分析及涌水量預測

蒲 實， 譚因軍， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

山區地質環境多變，隧道施工難度大、地質災害風險高，其中富水區隧道的安全問題尤為突出。富水區隧道施工中易產生突泥涌水等具有突發性災害，造成施工人員傷亡、機具設備損毀、沖垮現有支護段和堵塞隧道重大事故。

Nastev等(2005年)建立了加拿大魁北克省蒙特利爾市西北地區地下水流模型，研究了區域地下水流特征，而且對地下水資源可開采量以及地下水動力學參數進行了定量評價。譚志豪等以在建中的曾文水庫引水隧道工程為例，結合隧址之地理、地層、地質構造及地下水文條件，并應用MODFLOW建立水文地質概念模式來評估隧道施工期間的可能涌水量。

本文結合都府隧址區域水文地質及施工資料，采用Visual-Modeflow軟件建立水文地質模型，通過研究隧址區完整的水文年穩定流計算模擬，驗證模型的參數的正確性；模擬有無止水措施情況下隧址區域地下水的滲流場分布及變化規律，評估隧道運營后周邊區域的地下水環境恢復情況，預測臨近斷層區域時的涌水量并初步評判掌子面穩定性。

1 Visual MODFLOW地下水模型

1.1 模型

地下水環境的模型是采用數學的方式描述自然水文地質系統的基本屬性。在地下工程中，需要在建立研究區域水文地質概念模型后，再轉換成相應的數學模型。水流場則是在代入初始條件、邊界條件以及地下水文荷載后，通過流動控制方程式予以求得。建立三維模型模擬地下水流如圖1所示。

圖1 模擬區域的三維模型

1.2 初始水位

根據鉆孔的地表高程和水位高程進行線性回歸分析。根據都府隧道隧址區域鉆孔資料分析能得到地表高程與地下水位高程關系見圖2。

圖2 地表高程與地下水位關系

從圖2可得地下水位高程與地表高程之間的關系式為：地下水位高程=0.9792地表高程+16.188。

可看出地下水位與地表高程的相關性系數為0.971 7，滿足計算需要，據此可計算研究區域內地下水分布情況。

1.3 模型離散化

建立的模型尺寸的范圍X方向為3 308m，Y方向為1 400m，在平面部分共劃分150×200個單元，垂直向上劃分為31層，總計930 000個單元。模型底板取水平面，根據研究區域水文地質縱橫斷面剖面圖、鉆孔資料將模型劃為相應的層。根據降雨量、蒸發量、地表徑流、氣象條件等綜合判斷，把完整的水文年離散成12個應力期，再將每個應力期又細分為10個時間步。

1.4 模擬參數選取

等效多孔介質理論是本文計算的基礎。將復雜的巖層及地質構造簡化為多個水文地質單元，將地勘資料和試驗獲得各水文地質單元的相關參數賦給相應的水文地質單元。綜合分析本地區的地形地貌特征、地表的植被覆蓋及地表土層的情況，得到表1反復試算的相關參數。

表1 工程區域內各巖層透水物理參數

1.5 模型檢驗與參數識別

通過對物理模型進行校驗，以保證結果的可靠性。因為觀測資料的缺乏，只有將線性回歸得到的初始水頭賦予該物理模型，進行穩定流計算，然后把穩定流模擬得到的水頭作為物理模型的初始水頭。模擬結果見圖3。

圖3 穩定流自然條件下地下水流場模擬平面(單位：m)

如表2所示，觀測井得到的水位模擬值與工程實際觀測值的對比；從中可得出，都府隧址區地下水位實際值與模擬值誤差較小，說明模型的邊界條件、參數賦值比較合理，可繼續用該模型對研究區域進行隧道開挖的研究。

表2 觀測點誤差統計表 m

2 區域地下水流場分析

2.1 無止水措施區域水流場分析

在無止水措施的條件下，采用非穩定流模擬隧址區地下水流場分布規律。模擬計算結果見圖4與圖5。

圖4 隧道貫通后軸線總水頭等值線分布縱剖面(無止水措施，單位：m)

圖5 自然狀態總水頭等值線平面(單位：m)

由圖4、圖5可知無止水措施條件下隧道貫通后隧址區域的地下水滲流場發生了明顯的變化。由于山體開挖形成的臨空面，使隧址區域的地下水流動的方向發生了變化，原來向山峰兩側流動路徑改變為基本垂直向下流動進入隧道內部。由于隧道埋深較小，隧道的貫通對隧址區地下水流場的影響較大，對隧道半徑方向的影響范圍大約為500m，由此可見隧道開挖對隧址區域的水生態環境產生了比較大的影響。隨著開挖時間的增加，隧址區地下水滲流場逐漸趨于穩定，隧道開挖后300d地下水流場就基本不發生變化了。

2.2 有止水措施區域水流場分析

在有止水措施的條件下，采用非穩定流模擬隧址區地下水流場分布規律。計算結果見圖6、圖7。

圖6 隧道貫通后左幅軸線總水頭等值線分布縱剖面(有止水措施，單位：m)

圖7 左幅隧道貫通后軸線總水頭等值線分布平面(有止水措施，單位：m)

由圖6、圖7可知施加止水措施后，地下水不能自由流出山體，地下水水位也逐漸恢復到原來狀態。隧道開挖后30d，對地下水流場影響的范圍在隧道半徑方向大約150m；隧道開挖后150d，對地下水流場影響的范圍在隧道半徑方向大約50m。將在無止水措施條件下隧道貫通后軸線總水頭等值線剖面圖與非穩定流自然狀態下隧道軸線總水頭等值線剖面圖進行對比，隧道施加止水措施后對整個地下水滲流場影響很小，逐漸恢復到自然條件下地下水流場狀態。

2.3 隧道施工涌水量預測

都府隧道涌水量預測主要參考《鐵路工程水文地質勘察規程》，并根據勘察和試驗取得的參數綜合分析確定。

(a)無止水措施

(b)加止水措施圖8 隧道正常涌水量(單位：m3/d)

由圖8可以看出，隧道開挖至YK12+350斷面時，隧道未加止水措施與加止水措施的涌水量預測結果分別為3 537.23m3/d和2 508.10m3/d。

表4 掌子面穩定性識別判據

計算得到換算掌子面涌水量為116.12L/min，隧道開挖至YK12+350斷層時，掌子面可能發生坍塌。

3 結論

采用MODFLOW軟件，模型賦予水文地質參數進行參數驗證和隧道開挖計算。最終得到的結論如下：

(1)在隧道未進行開挖時，地下水環境沒有受到擾動，隧址區的地下水滲流場基本處于穩定狀態。

(2)由于山體開挖形成的臨空面，使隧址區域的地下水流動的方向發生了變化，由原來基本向山峰兩側流動轉而基本垂直向下流入隧道內部，然后排出隧道。對隧道半徑方向的影響范圍大約為500m。

(3)隧道施加止水措施后對整個地下水滲流場的影響減小，地下水流場逐漸恢復到自然條件下地下水流場的狀態的，所以隧道在開挖后，要及時止水，減小地下水的流失。

(4)需要對隧道穿越斷層破碎帶的過程進行進一步研究，探明掌子面失穩破壞的過程，及配套對應的掌子面穩定技術，為順利穿越斷層提供保障。