巖溶區反坡施工隧道涌水量計算方法

馮 升 王 勇 朱興禮 陳 勇

(1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司 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)

伴隨交通基礎設施大發展，巖溶區長大隧道越來越多，建設期往往會遭遇巖溶涌水的危害，而對設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、降雨滲入匯流法及地下水徑向輻合和徑向輻射法分別預測了巖溶區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特長隧道反坡施工排水設計思路和方法；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。

目前針對巖溶區反坡施工隧道涌水的研究，多集中在勘察設計階段隧道一段或多段總體涌水量的預測和施工階段反坡排水施工處理技術2個方面，而對于工程計量時設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，對勘察設計、施工期間和施工后期隧道涌水量預測和計算方法進行了研究。

1 工程概況

鄂西南齊岳山地區為碳酸鹽巖分布區，巖溶和巖溶地貌十分發育，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，設計為分離式雙向4車道隧道，設計車速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，其中二工區施工隧道進口段2 059 m，三工區施工隧道出口段1 327 m，反坡排水集中在隧道進口段。

2 勘察設計階段涌水量預測

齊岳山隧道所在區域屬構造溶蝕-剝蝕中山地貌，隧道橫穿齊岳山背斜，南東翼產狀為115°∠70°、北西翼產狀約320°∠60°，地表局部覆蓋有第四系殘坡積粉質黏土(Qhdl+el)，下伏基巖為二疊系灰巖、硅質灰巖(夾煤層及頁巖)和三疊系灰巖(局部夾薄層頁巖)，巖溶極發育。區內地表水不發育，地下水極發育，以巖溶水為主，多儲存于巖溶管道內，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，勘察設計單位針對齊岳山隧道進行了巖溶水文地質專題研究，綜合運用工程類比法、滲透流速法和降雨入滲系數法對隧道洞身分段涌水量進行了預測[7]。

2.1 工程類比法

根據新建隧道所在地區相同水文地質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條件相似的石洞子煤礦相同段落的礦坑涌水量為依據，計算方法見式(1)。

Q=q0ω0l

(1)

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

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

2.3 降雨入滲系數法

大氣降水一部分蒸發或為植物截留，一部分產生地表徑流，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為預測段涌水量；P為隧道所在地區降雨量；F為流域面積；λ為降雨入滲系數；η為降雨入滲滯后補給系數。

根據齊岳山隧道的巖溶水文地質條件及地下水失蹤實驗結果，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、水壓力預測表，見表1。

表1 齊岳山隧道分段涌水量、水壓力預測表

3 施工階段涌水量計算

該項目施工招標文件規定“本隧道工程可能遭遇到巖溶、巖溶水……等不良地質。處置這些不良地質，發生與洞內開挖、洞內防排水、襯砌相關的工程，除本合同另有規定外，超出設計工程量或出現新的工程時，按本合同約定的設計變更規則辦理設計變更審批手續，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

勘察設計階段給出的隧道洞身各段預測整體涌水量是在隧道區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開挖長度、支護的時間相關。

設計涌水量可由式(4)計算得出

Q設計=q0f(Δt,l)

(4)

式中：Q設計為區段設計涌水量；q0為單位長度正常涌水量；Δt為涌水持續時間；l為開挖進尺長度。

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

第i個循環涌水持續時間

Δti=ti2-ti1

(5)

第i個循環對應設計涌水量為

Q設計i=q0Δtili

(6)

則第3段施工期間總設計涌水量為

(7)

式中：Q設計為區段設計涌水量；Q設計i為區段內第第i個循環對應區段設計涌水量；q0為單位長度正常涌水量；Δti為第i個循環涌水持續時間；li為第i個循環開挖進尺長度。

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

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、分布和運移規律，故需要對隧道貫通后洞內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，在薄壁板上設置三角形缺口，角頂向下，頂角90°，將堰板置于隧道兩側排水溝內，使水流由缺口通過時具有銳緣堰流的性質，在過水堰板處設水尺，根據水尺讀數即可按相應的水位流量表得到水溝流量，施工后期洞內水溝流量表見表2。

表2 施工后期洞內水溝流量表

根據表2數據，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)，區段長度l=580 m，仍按n個開挖作業循環進行計算，第i個循環二襯施工時間為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段施工后期出水量。

5 結語

以利萬高速齊岳山隧道為例，建設過程分勘察設計、工程施工、施工后期3個階段，對巖溶區反坡隧道涌水量預測和計算方法進行了研究，成果通過業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，其經驗可總結如下。

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

2) 施工階段反坡施工隧道設計涌水量的確定宜以前期預測正常涌水量為依據，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，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。