隧道施工疏干區的計算

李 巖

（核工業華南工程勘察院, 福建龍巖 364000）

1 概述

隨著近年來高速公路網的快速發展, 隧道施工對當地水文地質環境影響的研究十分重要, 準確預測疏干區的分布范圍, 可為提前制訂防治措施、解決疏干區內居民生活、生產用水提供科學依據, 對工程順利施工和創建和諧社會有非常重要的意義, 本文通過廈蓉高速公路龍門隧道的水文地質研究, 準確預測了隧道施工形成的疏干區分布范圍、對當地水文地質環境的影響程度, 產生了較好的社會效益與經濟效益。

2 自然地理

2.1 地形地貌

隧址區屬丘陵地貌, 地表植被較發育,沿隧道洞身形成5條橫向凹形沖溝, 地表水向北東匯入龍門溪。地形坡度在30°～50°；隧道軸線山坡坡地植被發育, 局部平緩地段建有果園, 零星分布有村民自建的蓄水池、山莊等。

2.2 氣象、水文特征

隧址區地處低緯度亞熱帶, 平均海拔300m, 屬熱帶季風海洋氣候。春季雨多而潮濕；夏季暴雨集中；秋季臺風入侵頻繁, 帶來的局部暴雨歷時短、強度大, 雨量充沛；區內大氣降雨的主要類型有鋒面雨、臺風雨和雷雨三種, 為本區地下水的主要補給來源, 多年平均降雨 量1681.9mm,其 中3～6月919.1mm, 7～9月 份506.1mm, 10至次年2月份256.7mm。

據實測資料, 多年水面蒸發量（E601）在897.2～1186.2mm之間, 平均值為1006.0mm。

3 巖土工程條件

3.1 地層巖性

隧道進出口段圍巖為Ⅴ級, 以殘坡積層為主, 屬弱透水層, 洞身以Ⅳ級為主, 巖性為加里東期花崗巖, 由上至下分為全、強、中風化層, 屬弱至微透水層。

3.2 地質構造

隧址區位于閩西南坳陷帶之廣平—龍巖坳陷帶中段, 分布有F215、F301A、F301B、F301C四條斷裂構造, 構造帶導水性較好。

4 地表水、地下水水資源狀況

4.1 地表水資源

龍津河為區內主要地表水系, 由西向東貫穿全境, 受地形控制, 形成了以龍津河為主干, 山間溪流為支流樹枝狀地表水系, 龍津河上游匯水面積達109km2, 多年平均徑流量2.117×108m3, 折合徑流深1102.6mm, 徑流量的年內分配較集中, 與降水趨勢基本一致。

4.2 地下水資源

區內地下水資源較為豐富, 地下水主要受大氣降雨補給, 徑流方向由南西向北東以泉水形式排泄, 測區主要地下水出露點觀測成果見表1。

表1 水文點觀測成果記錄表

4.3 地下水補給量

自然狀態下地下水的補給量由地下水徑流量Q徑、降水浸入量Q降、地表水浸入量Q表、含水層越流補給量Q越等組成。

4.3.1 地下水的徑流補給量

其中區內含水層以第四系松散層為主, 據試驗成果, 地下水滲透系數K取值為0.035m/d；地下水水力坡度0.06；過水斷面按隧道穿越地段的影響長度取1.304km, 含水層厚度按加權厚度取15.0m, 則地下水徑流補給量為：

4.3.2 降雨補給量

據《供水水文地質勘察規范》（GB50027-2001）,按大氣降雨入滲法計算, 場址區地下水年入滲補給量計算如下：

式中：Q降——降水入滲年補給量, m3/a;

α——年平均降水入滲系數, 根據場地水文地質條件, 取0.20;

X——年降雨量, m,龍門鎮取值為1.6819m;

F——匯水面積, 取值2.7km2。

Q降=F·α·X=2.7×1000000×0.2×1.6819=908226（m3/a）。

4.3.3 地表水及含水層越流補給量

區內無大面積農田漫灌, 主要地表水體位于徑流區下游, 所以地表水的補給量不計入, 主要含水層位于基巖裂隙含水層上部, 含水層透水性優于下臥含水層, 越流補給量較少。

綜上述, 區內地下水資源總補給量估算如下：

4.4 地下水排泄量

4.4.1 井泉排泄量

據現場工程地質、水文地質調查統計, 區內地下水主要以下降泉、井的形式排泄, 地下水排泄流量為37780.13m3/a。

4.4.2 潛水蒸量發

式中：E——多年平均潛水蒸發量, m3；

C年——潛水蒸發系數；

E0——多年平均水面蒸發量, mm。

潛水蒸發系數C年據當地水文地質條件取0.19;E0為多年E601觀測資料, 為1006.0mm；按《水文地質手冊》潛水蒸發系數法計算, 當地地下潛水年蒸發量E計算如下：

4.4.3 隧道開挖排泄量

擬建隧道長1304m, 地下水穩定水位高出隧道底板3～65m, 洞身穿越地段以中風化花崗巖為主, 在開挖過程中產生地下應力重新分布, 引起圍巖特別是塑性區或破壞帶內巖體松弛變形或剪切錯動破裂, 影響到上部含水層地下水重新分布, 改變了隧道圍巖應力場, 形成新的應力場。產生更多的節理、裂隙密集帶, 改變了地下水徑流方向；隧道施工以鉆爆法掘進為主, 施工放炮震動波傳播過程中, 使得巖土體破裂、松弛, 導致裂隙向四周擴展, 使水文地質條件發生改變。據抽水試驗成果, 進出口段含水體滲透系數為0.031～0.035m/d, 洞身段0.012～0.028m/d, 根據隧道水文地質條件, 按地下水動力學方法可概化為古德曼公式數學模型, 計算公式如下：

式中:Q0——隧道通過潛水含水體地段的最大涌水量, m3/d；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離, m；

D——隧道洞身橫斷面等價圓直徑, m；

L——隧道通過含水體的長度, m；

K——含水體的滲透系數, m/d。

依據上式, 隧道涌水量預測為960.1m3/d。

5 隧道施工對水文地質環境影響預測

5.1 隧道疏干范圍計算

隧道累計排出的水量為960.1m3/d, 在數量上是區內地下水徑流量與含水層疏干量的代數和。當降落漏斗達到穩定狀態時, 來水量則與地下水徑流量保持動態平衡。依據隧道巖土工程地質特征、水文地質特征, 將隧道含水層劃分為第四系孔隙潛水含水層、基巖裂隙水含水層, 區內疏干影響范圍由隧道涌水量計算。

疏干面積計算：利用地下徑流模數計算疏干面積, 計算公式如下：

式中：Q徑——地下水徑流量, m3/d；

M——年均地下徑流模數, L/（s·km2）；

F——疏干面積, km2；

86.4——單位換算系數。

參數取值：Q徑取隧道排水量960.1m3/d；M地下徑流模數平水期值3～6.00L/（s·km2）。

經計算, 隧道開挖排水疏干面積為1.90km2,沿隧道軸線呈帶狀分布。

5.2 洞身段疏干半徑計算

隧道施工為分段掘進, 一般襯砌、止水延后撐子面4m, 考慮隧道施工工藝, 疏干范圍影響半徑計算按洞身段和洞口段分別計算。

疏干條件下的影響半徑采用庫薩金公式：

式中：R——影響半徑, m；

s——水位降深；

H——靜止水位與隧道底板高度之差, m；

K——含水層滲透系數, m。

參數取值：按SK6鉆孔靜止水位埋深15.7m至隧道底板厚度H為71.79m。洞身段長度620m, 涌水量621m3/d,地下水降深s取值為低于隧道底板0.5m, 則水位降深為：

含水層為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水, 含水層滲透系數K值取加權平均值, 為K=0.031m/d。

洞身段疏干區計算橫斷面圖見圖1。

洞身斷裂構造發育地段, 構造帶滲透系數0.496～0.760m/d, 按上式計算, 構造帶分布區影響半徑857.31m。

5.3 進口段疏干范圍估算

按鉆孔資料計算進口段疏干條件下的影響半徑采用公式：

R=2×s H·K

式中：R——疏干影響半徑, m；

s——水位降深；

H——靜止水位與隧道底板高度之差；

K——含水層滲透系數, m。

靜止水位埋深2.0m, 標高450.85m, 至隧道底板厚度約450.85-433.84=17.01（m）。洞身段起止樁號K156+477～K156+640, 長度163m, 涌水量51.2m3/d,地下水降深s取值為低于隧道底板0.5m, 則水位降深為：s=17.51m。

含水層厚度H按28.00m,含水層主要為第四系孔隙潛水, 據試驗資料滲透系數K取0.046m/d。

進口段疏干區計算橫斷面圖見圖2。

5.4 出口段疏干范圍估算

調查期間, 左、右線出口, 均有下降泉分布, 按現場測繪, 地下水穩定水位標高454.28m, 疏干條件下的影響半徑采用公式：

式中：R——疏干影響半徑, m；

s——水位降深；

H——靜止水位與隧道底板高度之差；

K——含水層滲透系數, m。

靜止水位埋深10.0m, 標高454.28m, 至隧道底板厚度約454.28-416.93=37.35（m）。洞身段起止樁號K157+600～K157+781, 長度181m, 涌水量59.4m3/d,地下水降深s取值為低于隧道底板0.5m, 則水位降深為：s=37.35+0.5=37.85（m）, 含水層厚主度H按454.28-410.50=43.78（m）, 依據試驗資料, 滲透系數K取0.046m/d。

出口段疏干區計算橫斷面圖見圖3, 通過上面的計算結果, 隧道施工后產生的排水疏干面積為1.90km2, 影響半徑為隧道兩側39.75～212.70m, 斷裂構造分布地段最大可達857.31m, 呈棱形分布。

5.5 隧道施工對當地水文地質環境影響評價

按大氣降雨入滲法計算, 隧道場址區地下水徑流量計算如下：

式中：Q——降水入滲補給量, m3/d;

α——年平均降水入滲系數, 根據場地水文地質條件, 取0.20;

X——年降雨量, m,龍門鎮取值為1.6819m;

F——匯水面積, 測算為2.7km2。

Q=F·α·X/365=2.7×1000000×0.2×1.6819/365=2488.3（m3/d）。

場區地處低緯度亞熱帶地區, 年均降雨量1722.2mm, 年均蒸發量1006.0mm, 地下水徑流模數3.0～6.0L/（s·km2）, 即259.2～518.4m3/（d·km2）, 為弱富水區段。

本區降雨量較大, 山體植被發育, 花崗巖風化層中地下水滲入量較大, 地下水資源較為豐富。隧道施工排水量預測為960.1m3/d, 排水量遠小于補給量, 所以隧道施工的排水不會對區內水文地質環境產生根本性的難以恢復的破壞。但隧道施工期間的排水將在隧道軸線二側39.75～212.70m范圍內形成疏干區（斷裂構造分布地段857.31m）, 區內地下水水位下降10～71m。

6 結語

（1）隧道施工期間的排水將在隧道軸線二側39.75～212.70m(斷裂構造帶分布區為857.31m)范圍內形成棱形疏干區, 疏干面積1.90km2, 區內地下水水位下降10～71m。

（2）隧道施工排水量預測為960.1m3/d, 排水量遠小于補給量, 所以隧道施工排水不會對區內水文地質環境產生根本性的難以恢復的破壞。

（3）隧道施工期間對地下水較豐富的破碎帶、裂隙密集帶采取環向注漿等裂隙封閉措施, 改善施工工藝, 做好防水、止水工作, 結合農田灌溉合理排放地下水, 減少施工對周圍水文地質環境的破壞。

（4）疏干區內居民生產、生活用水供水源地應選擇在疏干區外側, 計算出的疏干區外側地表水和地下水資源受隧道施工影響不大。

（5）本文計算的疏干區面積經施工驗證基本吻合, 該計算方法已在多個項目中推廣應用, 取得了較好的經濟效益與社會效益。