巖溶區(qū)反坡施工隧道涌水量計算方法

馮 升 王 勇 朱興禮 陳 勇

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051；2.湖北省恩施土家族苗族自治州公路管理局 恩施 445000; 3.中鐵十四局集團有限公司 濟南 250014)

伴隨交通基礎(chǔ)設(shè)施大發(fā)展，巖溶區(qū)長大隧道越來越多，建設(shè)期往往會遭遇巖溶涌水的危害，而對設(shè)計為單向縱坡的隧道而言，施工期間高端洞口不得不面對反坡排水的問題[1]。李方華[2]運用大氣降水入滲法和巖溶洼地滲入法，對大廣高速紫荊山隧道涌水量進行了預(yù)測，得出隧道正常與最大涌水量分別為15 057 m3/d和91 060 m3/d；覃蘭麗等[3]運用斷面法、降雨滲入?yún)R流法及地下水徑向輻合和徑向輻射法分別預(yù)測了巖溶區(qū)某高速公路隧道地下河100年一遇最大涌水量；王小杰[4]依托大萬山隧道研究了山嶺區(qū)特長隧道反坡施工排水設(shè)計思路和方法；鄧偉等[5]依托縉云山隧道提出一種快速有效的反坡排水處理方案。

目前針對巖溶區(qū)反坡施工隧道涌水的研究，多集中在勘察設(shè)計階段隧道一段或多段總體涌水量的預(yù)測和施工階段反坡排水施工處理技術(shù)2個方面，而對于工程計量時設(shè)計涌水量的準確計算鮮有觸及。本文以利萬高速齊岳山隧道為例，對勘察設(shè)計、施工期間和施工后期隧道涌水量預(yù)測和計算方法進行了研究。

1 工程概況

鄂西南齊岳山地區(qū)為碳酸鹽巖分布區(qū)，巖溶和巖溶地貌十分發(fā)育，巖溶地下水也極為豐富[6]。齊岳山隧道橫穿齊岳山山脈，是利萬高速公路的控制性工程，設(shè)計為分離式雙向4車道隧道，設(shè)計車速80 km/h，左幅全長3 375 m，右幅全長3 386 m，最大埋深543 m。隧道左幅進口位于左偏圓曲線上，半徑R=1 200 m，出口位于左偏圓曲線上，半徑R=1 470 m，縱面線型為1.55%+2.20%單下坡；隧道右幅進口位于左偏圓曲線上，半徑R=1 200 m，出口位于左偏圓曲線上，半徑R=1 500 m，縱面線形為1.55%+2.20%單下坡。

齊岳山隧道施工由中鐵十四局集團第二工程有限公司負責，共涉及2個工區(qū)，其中二工區(qū)施工隧道進口段2 059 m，三工區(qū)施工隧道出口段1 327 m，反坡排水集中在隧道進口段。

2 勘察設(shè)計階段涌水量預(yù)測

齊岳山隧道所在區(qū)域?qū)贅?gòu)造溶蝕-剝蝕中山地貌，隧道橫穿齊岳山背斜，南東翼產(chǎn)狀為115°∠70°、北西翼產(chǎn)狀約320°∠60°，地表局部覆蓋有第四系殘坡積粉質(zhì)黏土(Qhdl+el)，下伏基巖為二疊系灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r(夾煤層及頁巖)和三疊系灰?guī)r(局部夾薄層頁巖)，巖溶極發(fā)育。區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，地下水極發(fā)育，以巖溶水為主，多儲存于巖溶管道內(nèi)，地下水主要靠大氣降雨補給，通過地表巖溶洼地和落水洞進入到巖溶含水層中，通過溶蝕裂隙和管道徑流，最終以巖溶泉(暗河)形式排泄。

為了準確評價涌水量的大小，勘察設(shè)計單位針對齊岳山隧道進行了巖溶水文地質(zhì)專題研究，綜合運用工程類比法、滲透流速法和降雨入滲系數(shù)法對隧道洞身分段涌水量進行了預(yù)測[7]。

2.1 工程類比法

根據(jù)新建隧道所在地區(qū)相同水文地質(zhì)條件既有隧道或坑道的涌水量，估算出新建隧道涌水量即為工程類比法，本次估算以位于齊岳山東麓南部與本隧道水文地質(zhì)條件相似的石洞子煤礦相同段落的礦坑涌水量為依據(jù)，計算方法見式(1)。

Q=q0ω0l

(1)

式中：Q為預(yù)測段涌水量；q0為石洞子煤礦對應(yīng)段的單位長度涌水量；ω0為預(yù)測隧道與石洞子煤礦坑道的面積比；l為預(yù)測隧道段長度。

2.2 滲透流速法

滲透流速法是在觀測出地下水的流速后，根據(jù)有效孔隙率或巖溶率換算成地下水在含水層中的平均滲流速度，再將隧道等效為一個含水層中的透水斷面而計算出來的隧道掌子面的涌水量，計算方法見式(2)。

Q=unωl

(2)

式中：Q為預(yù)測段涌水量；u為地下水實際流速；n為預(yù)測隧道巖溶率；ω為隧道開挖掌子面面積；l為預(yù)測隧道段長度。

2.3 降雨入滲系數(shù)法

大氣降水一部分蒸發(fā)或為植物截留，一部分產(chǎn)生地表徑流，其余部分滲入地下，下滲的水中一部分補充包氣帶并產(chǎn)生表層流，剩余部分到達潛水面補給地下水，計算方法見式(3)。

Q=PFλη

(3)

式中：Q為預(yù)測段涌水量；P為隧道所在地區(qū)降雨量；F為流域面積；λ為降雨入滲系數(shù)；η為降雨入滲滯后補給系數(shù)。

根據(jù)齊岳山隧道的巖溶水文地質(zhì)條件及地下水失蹤實驗結(jié)果，綜合運用式(1)～式(3)對隧道洞身各段分別計算其涌水量，得到特大暴雨條件下齊岳山隧道分段涌水量、水壓力預(yù)測表，見表1。

表1 齊岳山隧道分段涌水量、水壓力預(yù)測表

3 施工階段涌水量計算

該項目施工招標文件規(guī)定“本隧道工程可能遭遇到巖溶、巖溶水……等不良地質(zhì)。處置這些不良地質(zhì)，發(fā)生與洞內(nèi)開挖、洞內(nèi)防排水、襯砌相關(guān)的工程，除本合同另有規(guī)定外，超出設(shè)計工程量或出現(xiàn)新的工程時，按本合同約定的設(shè)計變更規(guī)則辦理設(shè)計變更審批手續(xù)，對承包人計量支付”。施工期間承包人實際簽認抽排水量為8 309 430 m3，需要對設(shè)計涌水量進行準確計算才能進行工程計量。

3.1 確定反坡排水段落

根據(jù)齊岳山隧道進口段開挖臺賬，左洞貫通樁號為ZK21+307，右洞貫通樁號為YK21+075(對應(yīng)左洞樁號為ZK21+048)。因為隧道右洞貫通后可作為左、右洞施工期臨時排水通道，再扣除隧道明洞明挖段落，確定需計算反坡排水涌水量的段落為ZK19+015-ZK21+048和YK19+036-YK21+075，齊岳山隧道反坡排水段落示意見圖1。

圖1 齊岳山隧道反坡排水段落示意圖

3.2 確定反坡排水時間

根據(jù)齊岳山隧道進口段開挖臺賬，左洞暗洞開挖時間為2013年4月21日，貫通時間為2015年7月4日；右洞暗洞開挖時間為2013年4月10日，貫通時間為2015年5月8日。右洞貫通時間早于左洞，考慮隧道右洞貫通后可作為左、右洞施工期間臨時排水通道，因此確定需計算反坡排水涌水量的時間段為2013年4月21日-2015年5月8日(左洞)和2013年4月10日-2015年5月8日(右洞)。

3.3 分段計算涌水量

勘察設(shè)計階段給出的隧道洞身各段預(yù)測整體涌水量是在隧道區(qū)段整體瞬間挖除這個假定條件下得出的，而實際上隧道開挖是一個循序漸進的過程。因此，施工期間隧道涌水量和每循環(huán)開挖長度、支護的時間相關(guān)。

設(shè)計涌水量可由式(4)計算得出

Q設(shè)計=q0f(Δt,l)

(4)

式中：Q設(shè)計為區(qū)段設(shè)計涌水量；q0為單位長度正常涌水量；Δt為涌水持續(xù)時間；l為開挖進尺長度。

以隧道右洞第3段YK19+340-YK19+920為例，預(yù)測單位長度正常涌水量q0=5.35 m3/(d·m)，區(qū)段長度l=580 m，設(shè)區(qū)段內(nèi)共n個開挖作業(yè)循環(huán)，第i個循環(huán)開挖時間為ti1，進尺長度為li，二砌施工時間為ti2，假定區(qū)段內(nèi)地下水均勻分布且二砌施工后不再涌水，則可得出

第i個循環(huán)涌水持續(xù)時間

Δti=ti2-ti1

(5)

第i個循環(huán)對應(yīng)設(shè)計涌水量為

Q設(shè)計i=q0Δtili

(6)

則第3段施工期間總設(shè)計涌水量為

(7)

式中：Q設(shè)計為區(qū)段設(shè)計涌水量；Q設(shè)計i為區(qū)段內(nèi)第第i個循環(huán)對應(yīng)區(qū)段設(shè)計涌水量；q0為單位長度正常涌水量；Δti為第i個循環(huán)涌水持續(xù)時間；li為第i個循環(huán)開挖進尺長度。

齊岳山隧道右洞第三段共分為129個開挖作業(yè)循環(huán)，即n=129，通過式(4)～式(7)計算得到本區(qū)段施工階段設(shè)計涌水量為Q設(shè)計=209 017 m3，運用同樣的方法可得到其它區(qū)段施工階段設(shè)計涌水量。

4 施工后期出水量計算

計算施工階段涌水量時，假定在二砌施工后圍巖不再涌水，實際上二襯施工后仍有少量地下水通過隧道排水系統(tǒng)流出。因此，需要對施工后期(二襯施工后)反坡段落出水量進行計算。

4.1 確定單位長度出水量

由于隧道的貫通改變了地下水的賦存、分布和運移規(guī)律，故需要對隧道貫通后洞內(nèi)單位長度出水量進行重新測量，本次測量采用薄壁三角堰法[8]，測量用薄壁三角堰見圖2。

圖2 測量用薄壁三角堰

薄壁三角堰法具有測量精度較高、簡便易行、原理簡單的特點，在薄壁板上設(shè)置三角形缺口，角頂向下，頂角90°，將堰板置于隧道兩側(cè)排水溝內(nèi)，使水流由缺口通過時具有銳緣堰流的性質(zhì)，在過水堰板處設(shè)水尺，根據(jù)水尺讀數(shù)即可按相應(yīng)的水位流量表得到水溝流量，施工后期洞內(nèi)水溝流量表見表2。

表2 施工后期洞內(nèi)水溝流量表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，即可得到齊岳山隧道左、右洞施工后期單位長度出水量分別為0.17 m3/(d·m)和0.10 m3/(d·m)。

4.2 分段計算工后出水量

同樣以隧道右洞第3段YK19+340-YK19+920為例，實測單位長度出水量q0=0.10 m3/(d·m)，區(qū)段長度l=580 m，仍按n個開挖作業(yè)循環(huán)進行計算，第i個循環(huán)二襯施工時間為t1，隧道貫通時間為t2，通過式(4)～式(7)計算得到本段施工后期出水量為Q工后=24 595 m3，運用同樣的方法可得到其他區(qū)段施工后期出水量。

5 結(jié)語

以利萬高速齊岳山隧道為例，建設(shè)過程分勘察設(shè)計、工程施工、施工后期3個階段，對巖溶區(qū)反坡隧道涌水量預(yù)測和計算方法進行了研究，成果通過業(yè)主單位項目交工驗收和審計單位最終項目審計，得到各單位認可，其經(jīng)驗可總結(jié)如下。

1) 鑒于涌水量預(yù)測結(jié)果直接指導(dǎo)設(shè)計和施工，且不同的涌水量預(yù)測方法具有不同的適用條件，建議巖溶區(qū)反坡隧道涌水量分段采用多種方法進行預(yù)測，互相驗證以提高預(yù)測精度。

2) 施工階段反坡施工隧道設(shè)計涌水量的確定宜以前期預(yù)測正常涌水量為依據(jù)，綜合考慮涌水段長度和開挖、襯砌時間進行計算。

3) 施工后期反坡施工隧道出水量的確定宜以實測流量為依據(jù)，綜合考慮出水段長度和襯砌、貫通時間進行確定。

4) 簽認抽排水量扣除施工階段反坡隧道設(shè)計涌水量和施工后期隧道出水量后，可作為工程計量的準確依據(jù)。