萬 斌，徐 偉（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北　武漢430010）

青島地鐵1號線一標(biāo)段暗挖隧道涌水量預(yù)測研究

萬 斌，徐 偉
（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

青島地鐵1號線一標(biāo)段瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間線路全長約8.2 km，海域段長3.45 km，海域段底板埋深約為45 m，陸域段底板埋深為21～130 m，通過分析其地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征，并針對該暗挖隧道既有海域段又有陸域段的特點，對現(xiàn)有的各種涌水量計算方法對比分析后，采用以地下水動力學(xué)法為基本原理的不同模型預(yù)測了該隧道涌水量，得出了隧道涌水量預(yù)測數(shù)據(jù)；通過對預(yù)測數(shù)據(jù)進行分析，得出隧道涌水量較大的地段主要為斷裂構(gòu)造密集帶和巖石風(fēng)化程度較高的地段，進而為隧道設(shè)計及安全施工提供依據(jù)。

暗挖隧道；地下水動力學(xué)法；涌水量預(yù)測

近些年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，新建的大型市政和鐵路基建類項目日益增多，促進了其理論水平和技術(shù)手段的不斷提升。其中，隧道技術(shù)和施工質(zhì)量越來越引起了人們的重視［1-3］。隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷投入，建設(shè)設(shè)計水平的提高以及新工藝、新設(shè)備的使用，許多隧道乃至深埋特長公路、海底隧道設(shè)計方案應(yīng)運而生，但在隧道建設(shè)過程中引發(fā)的涌水災(zāi)害問題也變得異常突出。若隧道涌水預(yù)測工作和防排措施不到位，就很有可能導(dǎo)致在施工掘進過程中遇到突然涌水或特大涌水。因此，加強隧道涌水量方面的研究工作，對保障隧道建設(shè)的安全施工、制定合理有效的整治方案及后期隧道營運安全，都有著重要的指導(dǎo)意義［4］。

目前，隧道涌水量預(yù)測的方法主要有:降水入滲法、水均衡法、比擬法、地下徑流模數(shù)法、地下水動力學(xué)法、灰色系統(tǒng)理論方法、數(shù)值分析法等［5-11］。本文采用以地下水動力學(xué)法為基本原理的不同模型，針對青島地鐵1號線一標(biāo)段的具體水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，對該暗挖隧道涌水量進行預(yù)測及預(yù)報研究，并通過對預(yù)測數(shù)據(jù)進行分析，進而為隧道工程的設(shè)計及安全施工提供依據(jù)。

1　隧道工程概況及水文工程地質(zhì)條件

1.1工程概況

青島地鐵1號線一標(biāo)段為瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間（不含瓦屋莊站、貴州路站），線路起點里程為K23+522，終點里程為K31+723，全長約8.2 km，海域段長3.45 km，海域段底板埋深約為45 m，陸域段底板埋深為21～130 m；線路由團島部隊營區(qū)后入海，下穿膠州灣灣口，在薛家島北端上庵村西側(cè)登陸后過環(huán)島路，標(biāo)段終點在瓦屋莊設(shè)置瓦屋莊站。

隧道里程為K23+522～K24+521和K30+ 916～K31+723的結(jié)構(gòu)斷面采用兩條分離的單洞單線隧道，洞內(nèi)徑高8.1 m、寬6.7 m，隧道里程為K24+521～K30+916的結(jié)構(gòu)斷面采用單洞隧道；隧道內(nèi)共設(shè)置3座通風(fēng)豎井。

1.2工程地質(zhì)條件

1.2.1地層巖性

隧址區(qū)的第四系覆蓋層較薄，大部分區(qū)域基巖直接出露于地表，基巖巖性為下白堊紀(jì)青山群的火山巖和早白堊世（燕山晚期）的侵入巖。地層巖性為糜棱狀巖、基巖中等風(fēng)化帶、碎裂狀巖、微風(fēng)化碎裂巖（包括各種微風(fēng)化碎裂巖）、微風(fēng)化破碎巖（包括各種微風(fēng)化破碎巖）、微風(fēng)化正長斑巖、微風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化安山巖、微風(fēng)化閃長巖、微風(fēng)化石英閃長巖、微風(fēng)化輝綠巖、微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化安山質(zhì)火山角礫巖、微風(fēng)化流紋巖、微風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化英安玢巖等。此層微風(fēng)化巖體構(gòu)成了隧址區(qū)巖石的主體，隧道洞身大部分在此層內(nèi)展布。隧道工程地質(zhì)斷面圖（以K30+892～K31+363段為例）見圖1。

1.2.2區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

膠州灣處于膠萊坳陷和膠南隆起的結(jié)合部位，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)分布3條斷裂，其中滄口斷裂的走向為NE45°左右，傾向以NW向為主，傾角較陡，該斷裂最新活動年代為中更新世；劈石口斷裂總體走向為NE48°左右，全長約47 km，斷層面傾向以NW向為主，傾角多在70°以上，該斷裂距隧道最近距離約10 km，其最新活動年代為中更新世；王哥莊斷裂全長37 km，總體走向為NE40°左右，距隧道最近距離為16 km，該斷裂最新活動年代為中更新世晚期。區(qū)域內(nèi)的3條斷裂帶基本對隧道影響不大。

1.3水文地質(zhì)條件

1.3.1地下水類型

擬建隧道陸域和海域范圍內(nèi)地層地下水根據(jù)其賦存形式可分為三類:松散巖類孔隙水、風(fēng)化基巖孔隙裂隙水和基巖裂隙水。陸域范圍內(nèi)的松散巖類孔隙水主要賦存在第四系的人工填土層中，海域范圍內(nèi)的松散巖類孔隙水則主要賦存在第四系全新統(tǒng)的海積層中；風(fēng)化基巖孔隙裂隙水賦存在全風(fēng)化和強風(fēng)化巖層中；基巖裂隙水賦存在基巖的構(gòu)造裂隙與風(fēng)化裂隙中。在海域部分的地層中一般沒有明顯的含水層和隔水層（堆積的砂層及某些富水性較好的基巖破碎帶除外），總體而言富水性較弱、滲透性較差，為弱或微含水層。

1.3.2地下水補給、徑流及排泄條件

（1）松散巖類孔隙水:該類地下水主要接受大氣降水和海水的補給，高潮時，海水向松散巖類孔隙中滲透，雜填土、砂土等地層中水量驟增，水量較大；低潮時，松散巖類孔隙水向海中排泄，雜填土、砂土等地層中水量驟減，水量較小。松散巖類孔隙水的排泄除了正常的蒸發(fā)、人為抽取之外，大部分向河溝或者海洋進行排泄，少部分則入滲補給下部的弱含水巖組。

（2）風(fēng)化基巖孔隙裂隙水:該類地下水主要接受上部孔隙水的入滲補給，但當(dāng)海水高潮水位高于局部底層底面時，則接受海水補給，之后再緩慢地側(cè)向或下滲補給基巖裂隙含水巖組。

（3）基巖裂隙水:出露地表的基巖主要接受大氣降水的入滲補給，而埋藏型基巖主要來自其他類型地下水的入滲補給，但其徑流由于受到基巖裂隙形態(tài)的控制，會呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，有時相互之間還會不連通，沒有統(tǒng)一的水面。

由于海域范圍內(nèi)的地下水類型之間一般不存在隔水層，故可將其視作一個無限厚的弱含水層，海水垂直入滲補給該弱含水層，而隱伏在其下部的含水巖組則接受上部含水巖組的入滲或越流補給。

2　隧道涌水量預(yù)測

本次勘察工作進行了大量的水文地質(zhì)試驗，得到了準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。陸域段隧道兩端島岸弱-微風(fēng)化基巖普遍埋藏較淺，局部裸露地表，巖體總體為弱-微透水性。海域段巖土體中微風(fēng)化巖層在同一層面上透水性較均勻，無突躍增大或減小的現(xiàn)象，受風(fēng)化裂隙影響，具弱-微透水性，綜合滲透等級為弱透水；微風(fēng)化破碎巖體受構(gòu)造裂隙、充填情況的影響，滲透等級為中等透水。海域段巖土體滲透系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1　海域段巖土體滲透系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Descriptive statistics of permeability coefficients of the rock and soil of the subsea tunnel

對該地鐵線所穿越地區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件進行綜合分析后，認(rèn)為地下水動力學(xué)法比其他隧道涌水量預(yù)測方法更加適用于該標(biāo)段隧道涌水量的計算。由于此線路既有陸域又有海域，因此針對陸域和海域暗挖隧道不同的特點，本文選擇了不同的涌水量計算模型和計算公式，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1陸域段隧道涌水量計算模型

一般來說，陸域段暗挖隧道的涌水量會呈現(xiàn)出以下特點:在施工初期的涌水量最大，但后期涌水量隨隧道施工時間的增加而慢慢變小，存在最大涌水量和正常涌水量的問題。參照《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10049—2004）和鐵路規(guī)范經(jīng)驗公式，陸域段暗挖隧道涌水量的計算模型（見圖2）和計算公式［12］如下:隧道最大涌水量計算公式:

式中:q0為單位最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；d為隧道洞身橫斷面的等價圓直徑（m）。

（2）q0=0.025 5+1.922 4K H （鐵路規(guī)范經(jīng)驗式模型2）

式中:q0為單位最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為含水體厚度（m）；隧道正常涌水量計算公式:

式中:qs為單位正常涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為洞底以上含水體厚度（m）；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深（m），本次計算取值為0；r為洞身橫斷面等價圓半徑（m）；Ry為隧道涌水地段的引用補給半徑（m）。

（2）qs=K H（0.676-0.06K）（鐵路規(guī)范經(jīng)驗公式 模型3）

式中:qs為單位正常涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為含水體厚度（m）。

2.2海域段隧道涌水量計算模型

海域段暗挖隧道由于處于半無限厚的弱含水層中，其施工初期的最大涌水量與施工中的正常涌水量基本一致，其隧道最大涌水量的計算模型（見圖3）和計算公式［12］如下:

式中:q0為單位長度最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；d為洞身橫斷面的等價圓直徑（m）。

式中:q0為水底隧道施工中單位長度最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為自水體底部至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；H0為地面水體厚度（m）；r0為洞身橫斷面的等價圓半徑（m）。

為保證隧道涌水量預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，隧道總涌水量計算采用分段計算的方法，根據(jù)各段滲透系數(shù)的不同將隧道分為若干段，各段滲透系數(shù)的取值綜合考慮了地層巖性、巖體完整度、巖石風(fēng)化程度、構(gòu)造斷裂帶及巖脈發(fā)育侵入等諸多因素。該隧道最大涌水量和正常涌水量預(yù)測結(jié)果見表2和表3。

表2　隧道最大涌水量預(yù)測結(jié)果Table 2 Prediction results of maximum water inflow of the tunnel

表3　隧道正常涌水量預(yù)測結(jié)果Table 3 Prediction of the normal water inflow of the tunnel

3　結(jié)論與建議

（1）本文針對青島地鐵1號線一標(biāo)段暗挖隧道存在陸域部分和海域部分的特點，通過地下水動力學(xué)法的不同計算模型對該隧道涌水量進行預(yù)測。由于陸域段暗挖隧道涌水存在最大涌水量和正常涌水量的問題，這就要求在隧道涌水量預(yù)測過程中需綜合考慮兩者的影響，對此采用以地下水動力學(xué)法為基本原理的古德曼公式和鐵路規(guī)范的經(jīng)驗公式計算了隧道的最大涌水量，同時用裘布依公式和鐵路規(guī)范的經(jīng)驗公式計算了隧道的正常涌水量，這樣較好地解決了該問題。預(yù)測結(jié)果顯示:該隧道最大涌水量預(yù)測值為34 081.63 m3/d，正常涌水量預(yù)測值為29 954.03 m3/d。海域段由于接受海水的垂直入滲補給，其涌水量明顯比陸域段的大很多，其次海域段線路為兩端高中間低，不利于涌水的排出，因此在施工過程中應(yīng)采取堵漏與排水相結(jié)合的措施，并在重點地段加強施工過程中的涌水量監(jiān)測，以保證施工順利進行。可見，針對線路較長，又經(jīng)過多種不同水文地質(zhì)條件的暗挖隧道工程，應(yīng)盡量采用分段計算的方法預(yù)測涌水量，這樣可使預(yù)測結(jié)果盡可能地接近實際涌水量，以便更好地指導(dǎo)隧道工程施工和排水設(shè)計工作。

（2）隧道K23+520～K23+960段和K30+ 916～K31+580段地質(zhì)構(gòu)造相似，但上覆巖層風(fēng)化程度不同，因此對比兩段隧道涌水量后，得出隧道上覆巖體風(fēng)化程度越大隧道涌水量越大的結(jié)論。

（3）隧道K26+950～K30+260段有斷裂E1、E2、E3、E4橫穿，該段區(qū)域構(gòu)造活動強烈，裂隙比較發(fā)育且連通性好，該地段隧道涌水量明顯高于其他地段，因此可以得出碎裂帶的存在會對隧道涌水量產(chǎn)生顯著影響的結(jié)論。

［1］鄧百洪，方建勤.隧道涌水量預(yù)測方法的研究［J］.公路交通技術(shù)，2005（3）:161-163.

［2］李利平，李術(shù)才，陳軍，等.基于巖溶突涌水風(fēng)險評價的隧道施工許可機制及其應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（7）: 1345-1355.

［3］李術(shù)才，薛翊國，張慶松.高風(fēng)險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，28 （7）:1297-1307.

［4］Ohshima H.Hydrogeological study of water inflow and associated changes of water balance caused by tunnel excavation［J］. Quarterly Reports-Railway Technical Research Institute（Japan），1984，25（1）:25-32.

［5］朱大力，李秋楓.預(yù)測隧道涌水量的方法［J］.工程勘察，2000 （4）:19-23.

［6］張雷，趙劍，張和平.隧道涌水量預(yù)測的計算方法研究［J］.公路交通技術(shù)，2007（1）:121-123.

［7］田海濤，董益華，王延輝.隧道涌水量預(yù)測的研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2007，5（3）:75-78.

［8］徐幫樹，張憲堂，張芹.海底隧道涌水量預(yù)測及其應(yīng)用研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2007，31（4）:599-602.

［9］黃濤，楊立中.滲流與應(yīng)力耦合環(huán)境下裂隙圍巖隧道涌水量的預(yù)測研究［J］.鐵道學(xué)報，1999，21（60）:75-80.

［10］王振宇，陳銀魯，劉國華，等.隧道涌水量預(yù)測計算方法研究［J］.水利水電技術(shù)，2009，40（7）:41-44.

［11］Heuer R E.Estimating rock tunnel water inflow［C］//Proceedings-Rapid Excavation and Tunneling Conference［S.l.］: ［S.n.］，1995:41-60.

［12］TB10049—2004 鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程［S］.

The Forecasting Study on the Water Inflow of the First Section's Bored Tunnel of Qingdao Metro Line 1

WAN Bin，XU Wei
（Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

The first section of Qingdao metro Line 1 between Wawuzhuang station and Guizhou road station is 8.2 km long including a length of 3.45 km under the sea.The floor of its foundation buries 45 meters deep underground as the metro crosses the sea and 21～130 meters when it crosses the land.The paper analyzes the characteristics of stratum lithology，geological structure and hydrological geology.Considering that the bored tunnel crosses both the land and the sea，the paper predicts the water flow by using different groundwater hydraulic models after comparing the existing calculation methods.The paper analyzes the predicted data and comes to a conclusion that the larger water inflow district lies in the area of high fracture density and high degree of rock weathering.So the paper provides the basis for tunnel design and safety construction.

bored tunnel；groundwater dynamic method；inflow prediction

X948；U456.3+2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.029

1671-1556（2015）05-0163-05

2015-03-27

2015-07-29

萬斌（1968—），男，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計及工程項目管理工作。E-mail:350977917@qq.com