復雜水文地質條件下隧道涌突水數值模擬方法

陳 鵬，蒲文斌，鮑志言，李 強，錢 康

（四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都610000）

復雜水文地質條件下的隧道涌突水是常見的施工災害之一，嚴重威脅著現場施工安全及進度。一直以來隧道涌突水計算是一個復雜的水文地質問題，尤其當隧道穿越段水文地質條件復雜時，隧道涌突水預測與計算則變得更加困難。隨著國家基礎設施建設步伐向貧困、偏遠山區邁進，復雜地質條件下超長隧道工程逐漸增多，這些隧道的涌突水量預測與計算是工程建設過程需直面的具體問題。從常規地質方法角度進行研究，從地下水補給、徑流、排泄、存儲和水壓等幾方面進行分析可定性判斷隧道涌突水情況，但需要再進一步預測和計算隧道的主要涌突水段和涌水量時則需要結合現場水文地質條件采用科學、合理的方法與手段開展隧道涌突水預測和計算[1-5]。

1 隧道涌突水計算數值模擬方法

地下水流模擬方法是基于計算機利用數值方法來分析和預測不同條件下局部或區域地下水系統行為的一種手段。早期的地下水模擬采用的物理模型進行模擬，隨著電子計算機科學技術的飛速發展，地下水流模擬逐漸從類比法（物理模擬）過渡到數值法，數值模擬方法就是在計算機上采用離散化的方式去求解數學模型，得到數學模型的近似解[6-8]。隨著科學技術的不斷發展，地下水數值模擬法已經發展成為解決地下水各種問題的主要方法。這種方法具有較高的仿真度，能夠很好地反映復雜及多變的水文條件下的地下水流的運動狀態。針對復雜地質條件下隧道涌突水計算采用數值模擬方法可有效地模擬復雜水文地質條件下隧址區地下水流場的變化情況。根據模擬計算結果確定隧道的主要涌突水段和涌突水量，為隧道工程涌突水防范提供基礎資料。

2 水文地質概念模型及邊界概化

邛崍山特長隧道位于四川邛崍山山脈西北段，為省道S450線理縣至小金公路改造工程路線穿越邛崍山而設的越嶺隧道。隧道全長6 645 m，最大埋深1 037 m，為特長越嶺隧道。隧道中部洞身段上方發育3處海子處。隧址區主要地層為新生界第四系全新統崩坡積層、河流沖洪積層、坡洪積層與中生界三疊系上統新都橋組板巖夾炭質板巖、砂巖、侏倭組砂巖夾板巖，中統雜谷腦組砂巖夾板巖及印支期侵入正長巖構成。區內地下水主要賦存于第四系、三疊系、印支期的卵石土、碎塊石土、板巖、砂質板巖、砂巖、變質砂巖、正長巖的孔隙、裂隙中。隧址區地下水的補給來源主要為湖水、溪溝水、雪山融水及大氣降水，由于斜坡橫坡陡峻，斜坡中上部以地表徑流為主，向下逐漸沿斷層破碎帶與基巖風化及構造裂隙快速下滲。未來在隧道施工過程中，由于地下水深部人工排泄段的存在，地下水將大量向隧道徑流，隧道涌水量將成為區內地下水的主要排泄方式之一。隧址區水文地質單元示意圖如圖1所示。

圖1 隧址區水文地質單元示意圖

區內的地下水滲透介質為中生界變質巖，印支期侵入體（正長巖）以及斷層破碎帶，根據各地層的巖性及區域地質資料，區內滲透介質可概化為多孔介質，具非均質性，各滲透介質內部滲透性能變化不大，可視為均質介質。

計算區四周邊界為各流域（溝谷）間的分水嶺或次級分水嶺可將這些邊界概化為第二類零流量邊界；對于模擬區內的涼臺溝、海子溝以及2、3號海子，考慮到隧道從該河流下部深處附近穿過，將該河流和海子概化為河流邊界。計算時，河邊邊間的交換水量可通過河水位與地下水位之間的水力坡度差值計算，然后代入方程進行計算；對于模擬區底部邊界概化時，因隧道開挖后將改變隧道周邊地下水的流場和地下水運動方式，隧道的涌水量主要由隧道洞身以上的地下水組成，隧道洞身的地下水流場受隧道開挖影響較小，因此可將其概化為零流量邊界；模擬區頂部邊界主要接受大氣降水和融雪入滲補給，可概化為潛水面邊界，隧洞及其輔助工程處將成為地下水的排泄通道，可將其概化為排水溝邊界。

在隧道施工過程中，區內地下水將大量向隧道洞身處徑流，隧洞涌水量將成為區內地下水的主要排泄方式之一。區內地下水運動符合達西定律，且三維特征顯著，可采用地下水的非穩定流模型來計算隧道的集中涌水量[9-11]：

式（1）中：K為滲透系數，m/d；H為水頭，m；Ss為彈性釋水率，1/d；Ω為計算區；H0為計算區初始流場，m；n為各邊界面的外法線方向；A1為計算區的東部邊界面；A2為計算區的南部邊界面；A3為計算區的西部邊界面；A4為計算區的北部邊界面；A5為計算區的底部邊界面；A6為滲流區內河流邊界；A7為潛水面邊界；A8為隧道邊界；Qr為河流地下水交換量，m3/d；Cr為河床介質滲透性能參數，m2/d；Hr為河流水位標高，m；W為降水入滲補給強度，m2/d；μ為給水度；QD為隧洞排泄量，m3/d；CD為隧洞滲透性能參數，m2/d；HD為隧洞排水標高，m。

上述的滲流數學模型，可用有限差分法進行求解。即在對計算區進行適當剖分的基礎上，把微分方程及邊界條件中的微商用差商來代替，從而將微分方程的求解問題轉化為一組代數方程組的求解問題。

3 參數選取及模型識別

滲透系數、給水度等參數是影響區內地下水的滲流狀態以及隧洞集中涌水量的重要因素之一。本次隧洞集中涌突水模擬計算中各地層所采用的滲透系數，是根據隧道初勘、詳勘期間的鉆探、相關試驗等成果取得資料，同時考慮模擬區的水文地質條件的基礎上，并結合區內地層巖性，通過模型識別綜合確定，通過模型識別把研究區細分為6個參數區，如表1所示。

表1 各參數分區參數取值表

模擬區內河流為涼臺溝、海子溝（含1、2、3號海子），總體為排泄地下水。根據前述概念模型，區內各河流及海子可概化為河流邊界。計算時根據模擬區數字高程模型提取出區內的地表水系，得到反映主要地表水體與地下水交換關系，然后根據水系的平面位置，并結合區內數字高程模型，共同確定河流不同位置的水位標高。采用下式計算地表水體的排水量：

4 模擬計算

根據計算結果隧道的正常涌水量為20 168 m3/d，最大涌水量為42 734 m3/d，其中K49＋290—K49＋690段，受上部海子影響，該段為主要集中涌水段，根據模型計算結果該段涌水量為15 047 m3/d，斷層破碎帶附近涌水量為6 637 m3/d。計算區隧道開挖后地下水流場圖如圖2所示，計算結果如表2和表3所示。

圖2 計算區隧道開挖后地下水流場圖

表2 隧道涌突水計算成果表

表3 隧道穿越接觸帶及斷層破碎帶涌水量計算成果表

K47＋600—K47+700為侵入接觸帶，巖體裂隙發育，破碎，地下水較發育，地下水受補給后沿侵入接觸帶向下運移，通過計算，預測此段涌水量為2100 m3/d左右；K48＋260—K48＋360為侵入接觸帶，巖體裂隙發育，破碎，地下水較發育，通過計算，預測此段涌水量為2 400 m3/d左右；K49＋290—K49＋690為侵入接觸帶，巖石受侵入接觸帶蝕變，擠壓影響，巖體裂隙發育，破碎，地下水較發育，同時接觸帶于2號海子中間穿過，2號海子水平距離隧道約為200 m，垂直距離約為510 m，通過計算，預測此段隧道涌水量為15 000 m3/d左右；K51＋970—K52＋070為侵入接觸帶，巖體裂隙發育，破碎，地下水較發育，地下水受補給后沿侵入接觸帶向下運移，通過計算，預測此段涌水量為3 300 m3/d左右；K52＋570—K52＋770為斷層擠壓帶及影響帶，裂隙、孔隙發育，巖體較破碎，成為地下水良好的富集、運移的場所，透水性強，地下水較豐富，并穿越溝谷，補給源除降水、融雪外，隧道開挖后，溝道內地表水也成為其豐富的補給源，通過計算，預測該段涌水量為6 500 m3/d左右。

5 計算結果對比

本次計算同時采用徑流模數法、降雨入滲法多種方法對邛崍山隧道涌水量進行計算，并將計算結果與數值模擬法的計算結果進行對比，如表4所示。對比結果表明，本次數值模擬法的計算結果可以接受，建立的數學模型能夠較好反應實際情況，能夠較好地預測隧道的涌水量。最終推薦采用數值法計算結果作為最終涌水量推薦結果。

表4 邛崍山隧道涌水量計算成果對比一覽表

6 結論及建議

一直以來隧道涌突水計算是一個復雜的水文地質問題。隨著國家基礎設施建設步伐向貧困、偏遠山區推進，復雜地質條件下超長隧道工程逐漸增多，這些隧道的涌突水量預測與計算是工程建設過程需直面的具體問題。通過地下水流模擬方法可以模擬復雜水文地質條件下隧址區地下水流場的變化情況。根據模擬計算結果確定了隧道的主要涌突水段和涌突水量，為隧道工程涌突水防范提供基礎資料。