馮 升 王 勇 朱興禮 陳 勇

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(tuán)有限公司 濟(jì)南 250014)

伴隨交通基礎(chǔ)設(shè)施大發(fā)展，巖溶區(qū)長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，建設(shè)期往往會(huì)遭遇巖溶涌水的危害，而對(duì)設(shè)計(jì)為單向縱坡的隧道而言，施工期間高端洞口不得不面對(duì)反坡排水的問(wèn)題[1]。李方華[2]運(yùn)用大氣降水入滲法和巖溶洼地滲入法，對(duì)大廣高速紫荊山隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，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(yùn)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(cè)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(wàn)山隧道研究了山嶺區(qū)特長(zhǎng)隧道反坡施工排水設(shè)計(jì)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(duì)巖溶區(qū)反坡施工隧道涌水的研究，多集中在勘察設(shè)計(jì)階段隧道一段或多段總體涌水量的預(yù)測(cè)和施工階段反坡排水施工處理技術(shù)2個(gè)方面，而對(duì)于工程計(jì)量時(shí)設(shè)計(jì)涌水量的準(zhǔn)確計(jì)算鮮有觸及。本文以利萬(wàn)高速齊岳山隧道為例，對(duì)勘察設(shè)計(jì)、施工期間和施工后期隧道涌水量預(yù)測(cè)和計(jì)算方法進(jìn)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(wàn)高速公路的控制性工程，設(shè)計(jì)為分離式雙向4車道隧道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，左幅全長(zhǎng)3 375 m，右幅全長(zhǎng)3 386 m，最大埋深543 m。隧道左幅進(jìn)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(jìn)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(tuán)第二工程有限公司負(fù)責(zé)，共涉及2個(gè)工區(qū)，其中二工區(qū)施工隧道進(jìn)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(jìn)口段。

2 勘察設(shè)計(jì)階段涌水量預(yù)測(cè)

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(yè)巖)和三疊系灰?guī)r(局部夾薄層頁(yè)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(chǔ)存于巖溶管道內(nèi)，地下水主要靠大氣降雨補(bǔ)給，通過(guò)地表巖溶洼地和落水洞進(jìn)入到巖溶含水層中，通過(guò)溶蝕裂隙和管道徑流，最終以巖溶泉(暗河)形式排泄。

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)涌水量的大小，勘察設(shè)計(jì)單位針對(duì)齊岳山隧道進(jìn)行了巖溶水文地質(zhì)專題研究，綜合運(yùn)用工程類比法、滲透流速法和降雨入滲系數(shù)法對(duì)隧道洞身分段涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[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(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

Q=q0ω0l

(1)

式中：Q為預(yù)測(cè)段涌水量；q0為石洞子煤礦對(duì)應(yīng)段的單位長(zhǎng)度涌水量；ω0為預(yù)測(cè)隧道與石洞子煤礦坑道的面積比；l為預(yù)測(cè)隧道段長(zhǎng)度。

2.2 滲透流速法

滲透流速法是在觀測(cè)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(gè)含水層中的透水?dāng)嗝娑?jì)算出來(lái)的隧道掌子面的涌水量，計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。

Q=unωl

(2)

式中：Q為預(yù)測(cè)段涌水量；u為地下水實(shí)際流速；n為預(yù)測(cè)隧道巖溶率；ω為隧道開(kāi)挖掌子面面積；l為預(yù)測(cè)隧道段長(zhǎng)度。

2.3 降雨入滲系數(shù)法

大氣降水一部分蒸發(fā)或?yàn)橹参锝亓?，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(bǔ)充包氣帶并產(chǎn)生表層流，剩余部分到達(dá)潛水面補(bǔ)給地下水，計(jì)算方法見(jiàn)式(3)。

Q=PFλη

(3)

式中：Q為預(yù)測(cè)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合運(yùn)用式(1)～式(3)對(duì)隧道洞身各段分別計(jì)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(cè)表，見(jiàn)表1。

表1 齊岳山隧道分段涌水量、水壓力預(yù)測(cè)表

3 施工階段涌水量計(jì)算

該項(xiàng)目施工招標(biāo)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(kāi)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(jì)工程量或出現(xiàn)新的工程時(shí)，按本合同約定的設(shè)計(jì)變更規(guī)則辦理設(shè)計(jì)變更審批手續(xù)，對(duì)承包人計(jì)量支付”。施工期間承包人實(shí)際簽認(rèn)抽排水量為8 309 430 m3，需要對(duì)設(shè)計(jì)涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算才能進(jìn)行工程計(jì)量。

3.1 確定反坡排水段落

根據(jù)齊岳山隧道進(jìn)口段開(kāi)挖臺(tái)賬，左洞貫通樁號(hào)為ZK21+307，右洞貫通樁號(hào)為YK21+075(對(duì)應(yīng)左洞樁號(hào)為ZK21+048)。因?yàn)樗淼烙叶簇炌ê罂勺鳛樽?、右洞施工期臨時(shí)排水通道，再扣除隧道明洞明挖段落，確定需計(jì)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(jiàn)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(shí)間

根據(jù)齊岳山隧道進(jìn)口段開(kāi)挖臺(tái)賬，左洞暗洞開(kāi)挖時(shí)間為2013年4月21日，貫通時(shí)間為2015年7月4日；右洞暗洞開(kāi)挖時(shí)間為2013年4月10日，貫通時(shí)間為2015年5月8日。右洞貫通時(shí)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(shí)排水通道，因此確定需計(jì)算反坡排水涌水量的時(shí)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(jì)算涌水量

勘察設(shè)計(jì)階段給出的隧道洞身各段預(yù)測(cè)整體涌水量是在隧道區(qū)段整體瞬間挖除這個(gè)假定條件下得出的，而實(shí)際上隧道開(kāi)挖是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。因此，施工期間隧道涌水量和每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度、支護(hù)的時(shí)間相關(guān)。

設(shè)計(jì)涌水量可由式(4)計(jì)算得出

Q設(shè)計(jì)=q0f(Δt,l)

(4)

式中：Q設(shè)計(jì)為區(qū)段設(shè)計(jì)涌水量；q0為單位長(zhǎng)度正常涌水量；Δt為涌水持續(xù)時(shí)間；l為開(kāi)挖進(jìn)尺長(zhǎng)度。

以隧道右洞第3段YK19+340-YK19+920為例，預(yù)測(cè)單位長(zhǎng)度正常涌水量q0=5.35 m3/(d·m)，區(qū)段長(zhǎng)度l=580 m，設(shè)區(qū)段內(nèi)共n個(gè)開(kāi)挖作業(yè)循環(huán)，第i個(gè)循環(huán)開(kāi)挖時(shí)間為ti1，進(jìn)尺長(zhǎng)度為li，二砌施工時(shí)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(gè)循環(huán)涌水持續(xù)時(shí)間

Δti=ti2-ti1

(5)

第i個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)涌水量為

Q設(shè)計(jì)i=q0Δtili

(6)

則第3段施工期間總設(shè)計(jì)涌水量為

(7)

式中：Q設(shè)計(jì)為區(qū)段設(shè)計(jì)涌水量；Q設(shè)計(jì)i為區(qū)段內(nèi)第第i個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)區(qū)段設(shè)計(jì)涌水量；q0為單位長(zhǎng)度正常涌水量；Δti為第i個(gè)循環(huán)涌水持續(xù)時(shí)間；li為第i個(gè)循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺長(zhǎng)度。

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

4 施工后期出水量計(jì)算

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

4.1 確定單位長(zhǎng)度出水量

由于隧道的貫通改變了地下水的賦存、分布和運(yùn)移規(guī)律，故需要對(duì)隧道貫通后洞內(nèi)單位長(zhǎng)度出水量進(jìn)行重新測(cè)量，本次測(cè)量采用薄壁三角堰法[8]，測(cè)量用薄壁三角堰見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)量用薄壁三角堰

薄壁三角堰法具有測(cè)量精度較高、簡(jiǎn)便易行、原理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，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(guò)時(shí)具有銳緣堰流的性質(zhì)，在過(guò)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(jiàn)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(zhǎng)度出水量分別為0.17 m3/(d·m)和0.10 m3/(d·m)。

4.2 分段計(jì)算工后出水量

同樣以隧道右洞第3段YK19+340-YK19+920為例，實(shí)測(cè)單位長(zhǎng)度出水量q0=0.10 m3/(d·m)，區(qū)段長(zhǎng)度l=580 m，仍按n個(gè)開(kāi)挖作業(yè)循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，第i個(gè)循環(huán)二襯施工時(shí)間為t1，隧道貫通時(shí)間為t2，通過(guò)式(4)～式(7)計(jì)算得到本段施工后期出水量為Q工后=24 595 m3，運(yùn)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(yǔ)

以利萬(wàn)高速齊岳山隧道為例，建設(shè)過(guò)程分勘察設(shè)計(jì)、工程施工、施工后期3個(gè)階段，對(duì)巖溶區(qū)反坡隧道涌水量預(yù)測(cè)和計(jì)算方法進(jìn)行了研究，成果通過(guò)業(yè)主單位項(xiàng)目交工驗(yàn)收和審計(jì)單位最終項(xiàng)目審計(jì)，得到各單位認(rèn)可，其經(jīng)驗(yàn)可總結(jié)如下。

1) 鑒于涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，且不同的涌水量預(yù)測(cè)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(jìn)行預(yù)測(cè)，互相驗(yàn)證以提高預(yù)測(cè)精度。

2) 施工階段反坡施工隧道設(shè)計(jì)涌水量的確定宜以前期預(yù)測(cè)正常涌水量為依據(jù)，綜合考慮涌水段長(zhǎng)度和開(kāi)挖、襯砌時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

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

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