京張高鐵正盤臺隧道強涌水段單次開挖瞬時涌水量預測

曾祥福 錢國玉 胡勇偉 張 健 陳永軍

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.晉豫魯鐵路通道股份有限公司，山西太原 030013)

自20世紀80年代起，隨著技術水平和施工要求的提高，我國開始對隧道涌水量的預測進行系統的研究，在20世紀90年代取得了長足的進步，從基于定性分析逐步發展成為定量評價和計算[1-5]。依據不同的預測方法和模型，不同的學者提出了種類繁多而復雜的計算模型和公式，如在計算滲透系數K時，根據不同的適用范圍和約束條件，在《供水水文地質手冊》(第二冊)中就列舉了140個計算公式之多。因此，如何選擇合適的公式十分關鍵[6]。目前，隧道涌水量常用的預測方法主要有：大氣降水入滲法、地下水徑流模數法、水均衡法、比擬法、解析法(水動力學法)、軟件數值計算法以及隨機性數學模型法。大氣降水入滲法適用于埋深較淺的隧道，可從宏觀上概括隧道的涌水情況，但由于未考慮含水層厚度、滲透系數等，計算結果與實際有較大出入，其他計算方法由于適用的環境不同，結果也各不相同，且因為地質條件復雜多變，易導致計算結果存在較大的誤差和錯誤，故需要采用多種方法進行綜合計算[7]。

某勘測設計院在小相嶺公路隧道采用了比擬法、評分法、地下水徑流模數法、大氣降水入滲法、古德曼公式、裘布依公式、鐵路經驗法等7種方法進行了隧道涌水量預測，對比驗證結果表明：采用地下水徑流模數法計算的涌水量偏小，其他方法計算的涌水量相互接近[8]。

近年來，隨著計算機科學的發展，有學者開始轉向數值計算方向，例如劉佳[9]、李錚[10]分別采用數值計算軟件對隧道涌水量進行了數值計算。

目前，國內外對隧道涌水量的預測研究主要集中于對整個隧道或分段涌水量的預測研究[11-21]，鐵路領域未見對單次開挖長度內的瞬時涌水量進行研究的實例。

在隧道順坡排水時，隨著隧道的不斷掘進，瞬時涌水一般可順坡排走，不會造成淹井。而在反坡排水段，單次開挖瞬時涌水量很大時，容易導致反坡段涌水量大于水泵的剩余抽排能力，可能造成淹井，嚴重影響施工安全和工程進度。因此，對于反坡排水段單次開挖瞬時涌水量的預測就顯得非常重要。

結合工程實例，采用了大島洋志、古德曼、鐵路經驗公式及水文地質比擬法等涌水量預測計算法，計算單次開挖掘進時瞬時涌水量。

1 工程概況

正盤臺隧道是北京2022年冬季奧運會配套的控制性交通工程，其進口位于張家口市宣化區，出口位于張家口市赤城縣，進口里程為DK30+425，高程1047.50 m；出口里程為DK43+399，高程1 436.70 m，坡度為30‰的單面坡，隧道全長12 974 m，最大埋深約635 m。

正盤臺隧道共設4處斜井，且1號斜井和3號斜井間平導貫通。1號斜井與線路相交于DK32+550，相交點埋深194 m，斜井平面投影長度為667 m；2號斜井與線路相交于DK35+300，相交點埋深224 m，平面投影長度為896 m；3號斜井與線路相交于DK38+200， 相交點埋深262 m，平面投影長度為1 470 m；4號斜井與線路左線相交于DK40+500，相交點埋深251 m，平面投影長度為585 m。

正盤臺隧道位于中低山區，地面高程1 047.0～1 888.0 m，最大高差841 m，地形起伏較大，山勢陡峭，沖溝發育，山體處大部分可見基巖出露，地表植被發育，主要為雜草及灌木等，植被覆蓋率60%～80%。

1.1 地層巖性

地質調繪及現場勘探揭示，隧址區地層巖性主要為：(1)第四系全新統沖洪積層漂石土、粗角礫土；(2)第四系上更新統沖洪積層砂質黃土、粗角礫土、細角礫土；(3)燕山早期花崗巖，強-弱風化狀態；(4)侏羅系上統張家口組噴出巖，為一套酸性及中偏堿性的火山噴出巖，主要巖性有熔結角礫凝灰巖和角礫凝灰巖，包括粗面巖、流紋巖、凝灰質礫巖及粗面安山巖，該套地層分布有多期噴發火山碎屑巖軟弱夾層，工程性質差，易產生大變形及塌方等；(5)太古界桑干群化家營組，強-弱風化，花崗質混合巖。

1.2 地質構造

(1)區域構造

本區域地質構造主要為由火山活動形成的構造裂隙帶。隧址區大地構造位置屬于橫跨華北地臺的2個Ⅱ級單元，以橫亙東西的崇禮—赤城斷裂為界，北側為內蒙地軸，南為燕山臺褶帶，均經歷了數次構造運動。

①晚侏羅系以前的構造運動形成了隧道所在區域的基底構造層，以變質巖、花崗質混合巖及侵入巖為主。

②晚侏羅系時期以大龍王堂為噴發中心的火山構造運動強烈，環狀和放射狀構造裂隙帶發育，且多為寬張裂隙。

③火山盆地邊緣為晚侏羅系火山巖與基底變質巖的不整合接觸帶，接觸帶附近巖體破碎。

(2)結構面及節理

寬張裂隙寬度為0.1～0.3 m，傾角一般較大，巖體破碎，呈碎石、塊石狀。

1.3 地下水

隧道所在區域地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要接受大氣降水補給和側向補給。

(1)第四系孔隙潛水

主要賦存于山間谷地第四系松散層中。本隧道埋深較大，該層地下水對隧道影響小。

(2)基巖裂隙水

基巖中存在的節理裂隙、構造裂隙及巖性接觸破碎帶往往賦存地下水，主要接受大氣降水補給和少量側向補給。

①構造裂隙水：構造裂隙帶發育的寬張裂隙為地下水賦存創造了有利條件，側向補給充分，強富水，水量大，持續時間長。

②巖性接觸破碎帶水：盆地西側為太古界花崗質混合巖與侏羅系火山巖不整合接觸帶，巖體破碎，強富水，水量大，持續時間長。

1.4 施工涌水情況

(1)2號斜井涌水

2號斜井施工至DK35+407(出水點位于拱頂下約2 m，高程1 204.89 m)發生涌突水淹井(拱頂未見塌方)，淹沒斜井與正洞相交的拱頂(淹沒斜井里程段XJ0+0～XJ0+81)，5 h平均涌水量約為5 400 m3/h。之后由于水的反壓作用，涌水量逐步減少，最終水面穩定在斜井里程420.6 m，高程1 238.93 m，地下水頭高34.04 m(見圖1)。

圖1 2號斜井大里程側突涌水點情況

(2)1號斜井涌水

1號斜井左導開挖至1PDDK0+143發生較大涌水(如圖2)，呈噴射狀，噴射水平距離達10.5 m。監測水頭高度14.59 m，實測瞬時涌水量為1 162 m3/h。由于瞬時涌水量較大，隧道停止掘進，同時采用超前水平鉆孔對工作面前方進行探測。此時，剩余抽水能力為2 000 m3/h，需評估淹井可能性。

圖2 1號斜井左導涌水情況

1.5 涌水后工期保障措施

2號斜井涌突水淹井發生后，抽水約1個月(抽至斜井工區正洞)，具備重新施工條件。為保障工期，經研究，在正盤臺隧道1～3號斜井之間正洞右側設置平行導洞。此時，2號斜井抽水能力剩余量為2 000 m3/h。開口橫通道進入20 m時又發生涌水，涌水呈噴射狀。由于平導均在正洞內開口，泄水洞未貫通，所有涌水均匯入泵站，此時平導超前掘進時單次涌水量是否超過抽水能力成為迫切需要解決的問題。2號斜井平導開口處涌水情況見圖3。

圖3 2號斜井平導開口處涌水情況

2 涌水量預測

2.1 預測方法

(1)大島洋志法

(1)

式中Qmax——預測隧洞通過含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數/(m/d)；

H——含水層中原始靜水位至隧洞底板的垂直距離/m；

L——隧洞通過含水層的長度/m；

r——為隧洞洞身橫斷面的等價圓半徑/m;

d——為隧洞洞身橫斷面的等價圓直徑/m，d=2r；

m——轉換系數，一般取0.86；

(2)古德曼法

(2)

式中Qmax——預測隧洞通過含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數/(m/d)；

H0——原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離/m；

d——為隧洞洞身橫斷面的等價圓直徑/m。

(3)鐵路經驗公式法

q0=0.025 5+1.922 4KH

(3)

式中q0——預測隧洞通過含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數/(m/d)；

H——含水層中原始靜水位至隧道底板的距離/m。

(4)佐藤邦明非穩定流式

(4)

式中Qmax——預測隧洞通過含水體可能最大涌水量/(m3/d);

K——巖體的滲透系數/(m/d)；

H0——原始靜水位至洞身橫截面等效圓中心的距離/m；

hc——含水體厚度/m；

h0——隧底至下伏隔水層的距離/m；

r0——為隧洞洞身橫斷面的等價圓半徑/m。

(5)水文地質比擬法

Q=Q′·F·s/(F′·s′)

(5)

F=B·L

(6)

F′=B′·L′

(7)

式中Q、Q′——新建、既有隧道(坑道)通過含水體地段的正常涌水量或最大涌水量/(m3/d)；

F、F′——新建、既有隧道(坑道)通過含水體地段的面積/m2；

s、s′——新建、既有隧道(坑道)通過含水體中自靜止水位計起的水位降深/m；

B、B′——新建、既有隧道(坑道)洞身橫斷面周長/m；

L、L′——新建、既有隧道(坑道)通過含水體長度/m。

正洞平均周長取37.9 m，平導平均周長取23.2 m。

2.2 巖體滲透系數

DK35+407處前一個循環開挖長度為3 m，涌水后前5 h平均涌水量為5 400 m3/h，地下水頭高34.04 m。正洞等價圓半徑6 m。代入公式(1)至公式(4)反算滲透系數，計算如果見表1。其中古德曼反算的滲透系數最小，佐藤邦明反算的滲透系數最大，大島洋志和鐵路經驗反算的巖體滲透系數值相當。

表1 DK35+407巖體滲透系數反算值

1PDDK0+143涌水時的監測水頭高度為14.59 m，實測瞬時涌水量為1 162 m3/h。現場核查出水點位于工作面1 m范圍，巖體滲透系數反算值見表2。

表2 1PDDK0+143地層滲透系數

2.3 瞬時涌水量預測

(1)2號斜井平導瞬時涌水量預測

2號斜井平導開口橫通道進入20 m時(工作面里程為PDDK0+20)發生涌水，巖體與對應正洞基本一致，故可用表1反算巖體滲透系數(水頭高度為34.04 m，平導等效圓半徑為3.5 m)。瞬時預測涌水量見表3。水文地質比擬法預測的涌水量最小，鐵路經驗法預測的涌水量最大。

表3 PDDK0+20瞬時預測涌水量

按2號斜井剩余抽水能力2 000 m3/h考慮，單次開挖長度為1.5 m、3 m時，涌水量均超過了抽排水能力，故只有單次開挖長度為1 m時涌水量未超出現場抽排水能力，可以進行帶水作業掘進。單次開挖長度不超過1 m的現場實際測量瞬時涌水量為1 220 m3/h。

(2)1號斜井左導瞬時涌水量預測

根據1PDDK0+143反算的巖體滲透系數，計算繼續掘進時單次開挖1.5 m的瞬時涌水量，由表4可見，各計算方法預測的涌水量接近，具有很高的一致性。根據剩余抽水能力2 000 m3/h判斷，可帶水作業施工，不會造成淹井。實際施工過程中，在通過200 m強富水段時，單次掘進長度不超過1.5 m，測量的實際最大瞬時涌水量為1 285 m3/h，比計算值小約26%(如表4)。

表4 1PDDK0+143單次開挖1.5 m時瞬時預測涌水量

3 結束語

(1)大島洋志、古德曼、鐵路經驗和佐藤邦明公式計算的巖體滲透系數反算值不完全一致，采用鐵路經驗法滲透系數反算值預測隧道瞬時涌水量偏安全。

(2)結合正盤臺隧道的工程經驗，如計算的瞬時涌水量超過剩余抽水能力時，可采用減少單次開挖長度、降低單次開挖高度、超前預注漿等方法減少單次開挖瞬時涌水量。

(3)在使用此方法評估單次施工開挖淹井的可能性時，應對比剩余抽水能力，注意預留一定的安全系數。

(4)在鐵路隧道強涌水段，首次采用多種方法對鐵路隧道單次開挖瞬時涌水量進行了準確預測，結合正盤臺隧道輔助坑道平導及1號斜井近260 m的強涌水段，進行了約190個單次開挖循環工作面帶水作業涌水量預測的工程實踐，根據反算的巖體滲透系數，采用水動力學計算及水文地質比擬法預測單次開挖的瞬時涌水量，且采取針對性的帶水作業工程措施，為施工提供了較強的指導性，節約了工期，可為類似工程提供參考。