陳秀義

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 引言

山區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在隧道施工過(guò)程中，由于人為破壞了原有圍巖體中地下水的滲流條件，會(huì)使隧道洞身成為地下水以不同形式(滲出、滴流、股流及大范圍突水等)向外排泄的地下廊道，形成涌水災(zāi)害。

六盤(pán)山隧道勘測(cè)中通過(guò)大量地質(zhì)調(diào)繪及分析相關(guān)的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，根據(jù)隧道區(qū)水文地質(zhì)條件，采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算隧道涌水量[1]，預(yù)測(cè)正常涌水量和最大涌水量。

工程實(shí)踐表明，現(xiàn)今階段，通過(guò)詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)繪，準(zhǔn)確劃分富水性分區(qū)，采用地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)隧道涌水量是可行的，能夠保證隧道施工和運(yùn)營(yíng)的安全。

2 六盤(pán)山隧道地質(zhì)條件

六盤(pán)山特長(zhǎng)隧道是天水至平?jīng)鲨F路最長(zhǎng)隧道，位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣六盤(pán)山山脈，全長(zhǎng)16 690 m，洞身以N36°E走向穿越六盤(pán)山，最大埋深約720 m。

隧道范圍內(nèi)地層有第四系松散層、上第三系泥巖、白堊系下統(tǒng)砂巖夾泥巖、三疊系下統(tǒng)砂巖夾礫巖，局部夾頁(yè)巖，震旦系白云巖、玄武巖，斷層角礫巖和斷層泥礫等。隧道位于六盤(pán)山褶皺帶、鄂爾多斯地臺(tái)二個(gè)大地構(gòu)造單元，隧道區(qū)多種構(gòu)造交叉穿織，復(fù)合疊置，褶曲、斷裂較為發(fā)育，主體構(gòu)造走向以北西向?yàn)橹鳎c當(dāng)?shù)厣矫}走向基本一致。受構(gòu)造影響，帶內(nèi)地貌切割劇烈，山大溝深。隧道縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 六盤(pán)山隧道縱斷面

3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

常用的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法可分為理論解析法、經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值法、工程類比法等[2]。由于各項(xiàng)參數(shù)難以取得精確數(shù)據(jù)，故預(yù)測(cè)的隧道涌水量只能是宏觀的、近似的數(shù)量。六盤(pán)山隧道勘察過(guò)程中，為了分析隧道通過(guò)區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水涌水災(zāi)害，定量評(píng)價(jià)隧道涌水量，在全面水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)地表溝谷進(jìn)行泉水流量的測(cè)量，并布置了7個(gè)深孔進(jìn)行綜合水文地質(zhì)測(cè)試。根據(jù)隧道所處的環(huán)境地質(zhì)條件、收集到的水文地質(zhì)資料、實(shí)測(cè)泉水流量、深孔抽水試驗(yàn)資料，選用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、地下水動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測(cè)[3-7]。

3.1 大氣降水入滲法

式中，α為降水入滲系數(shù)；A為隧道通過(guò)含水體的集水面積(km2)；L為隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度(km)；B為隧道涌水地段長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)兩側(cè)的影響寬度(km)；W為年降水量(mm)。

降水入滲系數(shù)α根據(jù)巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育程度，白堊系砂巖夾泥巖、震旦系白云巖、玄武巖屬于破碎巖石取值0.20；上第三系泥巖、三疊系下統(tǒng)砂巖夾礫巖取值0.10。隧道影響寬度根據(jù)隧道區(qū)地形地貌、植被結(jié)合巖性、構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等因素綜合取值0.8～2 km。降水量根據(jù)華亭縣氣象資料推算隧道區(qū)降雨量950 mm。

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算，大氣降水入滲法預(yù)測(cè)隧道正常涌水量Qs＝11 747 m3/d。

3.2 地下徑流模數(shù)法

六盤(pán)山隧道位于中山-低中山區(qū)，隧道通過(guò)地區(qū)流域內(nèi)地表水以泉水形式出露，形成徑流。地下徑流模數(shù)能夠反映地下水的賦存，具備地下徑流模數(shù)法計(jì)算條件。

式中，q為某一富水性分區(qū)中隧道的單位涌水量(m3/d)；Bi為不同富水性分區(qū)中隧道兩側(cè)影響寬度(km)；Li為某一富水性分區(qū)中，隧道在第i個(gè)流域中的長(zhǎng)度(km)；Mi為上下游測(cè)流點(diǎn)之間匯水范圍相應(yīng)的徑流模數(shù)[m3/(d·km2)]。

由于測(cè)流時(shí)間屬于枯水季節(jié)，所以修正系數(shù)采用1.5對(duì)流量進(jìn)行修正。隧道區(qū)各支溝流域地下徑流模數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道區(qū)各支溝流域地下徑流模數(shù)

結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料及隧道巖性、構(gòu)造情況，徑流模數(shù)在弱富水區(qū)取值300～800 m3/d·km2，中等富水區(qū)取值1 200 m3/d·km2。

六盤(pán)山隧道地下徑流模數(shù)法正常涌水量為17 274 m3/d、最大涌水量以正常涌水量的3倍計(jì)算為 51 822 m3/d，見(jiàn)表2。

表2 六盤(pán)山隧道地下徑流模數(shù)法涌水量預(yù)測(cè)

3.3 地下水動(dòng)力學(xué)法

勘察中沿隧道中線布置7個(gè)鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，采用裘布依潛水完整孔公式和庫(kù)薩金經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)合求得各段滲透系數(shù)K和影響半徑R(見(jiàn)表3)，然后應(yīng)用裘布依公式預(yù)測(cè)隧道正常涌水量，古德曼公式預(yù)測(cè)隧道最大涌水量。

(1)裘布依公式預(yù)測(cè)隧道正常涌水量

式中，L為隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度(m)；H為洞底以上潛水含水體厚度(m)；h為洞外水柱高度，一般考慮水躍值，h＝(0.5～0.75)H；r為洞身橫斷面寬度之半(m)，r＝4 m。

(2)古德曼公式預(yù)測(cè)隧道最大涌水量

式中，H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離(m)；d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑(m)，d＝8.8 m。

表3 六盤(pán)山隧道地下水動(dòng)力學(xué)法涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)前述方法計(jì)算的涌水量，地下徑流模數(shù)法和地下水動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)的隧道正常涌水量和最大涌水量大體接近，綜合分析后確定，以地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)結(jié)果作為設(shè)計(jì)涌水量。

4 涌水量、涌水段落及地質(zhì)條件

六盤(pán)山隧道施工過(guò)程中，進(jìn)口段埋深大，裂隙水較發(fā)育，水量較大；出口段埋深淺，裂隙水不發(fā)育，水量較小?，F(xiàn)場(chǎng)每次較大涌水發(fā)生后，測(cè)得的水量減去以前的涌水量，作為涌水段落最大涌水量。2～3個(gè)月后，水量基本穩(wěn)定時(shí)，測(cè)得的水量作為正常涌水量[8-9]。隧道貫通后，洞口測(cè)得的水量21 000 m3/d為隧道正常涌水量，最大涌水量約為正常涌水量的3.1倍。較大涌水量的涌水位置及水量見(jiàn)表4。

表4 六盤(pán)山隧道涌水位置、水量及地質(zhì)條件

從施工過(guò)程中涌水量和涌水位置的觀測(cè)分析，六盤(pán)山隧道的涌水屬構(gòu)造裂隙水及巖溶水。巖溶水涌水主要發(fā)生在第3段(見(jiàn)圖2)，此段白云巖中溶蝕現(xiàn)象較明顯，涌水以股狀涌出為特征?；鶐r裂隙水發(fā)生在巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育的節(jié)理密集帶中，水量變化較大，一般順寬張的節(jié)理涌出，少有突泥、突砂現(xiàn)象。斷裂帶裂隙水的分布發(fā)育與斷裂帶的性質(zhì)、展布密切相關(guān)。F4斷層破碎帶、F4-1斷層破碎帶均發(fā)生較大涌水，預(yù)測(cè)位置也較準(zhǔn)確；F5斷層屬于逆斷層，隧道通過(guò)時(shí)，破碎帶物質(zhì)固結(jié)致密，只有少量的滲滴水，但在F5次級(jí)斷層發(fā)生了大涌水(見(jiàn)圖3)，水量變化較大，最大20 000 m3/d，沿軟弱結(jié)構(gòu)面噴出，有突泥、突砂的現(xiàn)象。

圖2 股狀涌水

圖3 F5次級(jí)斷層涌水

5 各預(yù)測(cè)方法涌水量對(duì)比分析及參數(shù)選取

5.1 大氣降水入滲法

大氣降水入滲法是依據(jù)總的水量來(lái)源為基礎(chǔ)(年降水量)，結(jié)合調(diào)查者對(duì)隧道所在地區(qū)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)而綜合判定。六盤(pán)山隧道預(yù)測(cè)正常涌水量11 747 m3/d，實(shí)際涌水量21 000 m3/d，總的涌水量差值較大。分析原因可以看出，隧道出口DIK93＋430～DIK100＋190段埋深較小，多數(shù)在200 m以下，預(yù)測(cè)的涌水量與實(shí)際差別很??；而DIK83＋500～DIK93＋430段埋深大于300 m，多數(shù)在500～600 m，預(yù)測(cè)涌水量比實(shí)際正常涌水量少10 000 m3/d，差近1倍。在年降水量和降水入滲系數(shù)0.2(破碎巖體)不變時(shí)，從實(shí)際涌水量反算，影響寬度達(dá)到3.8 km，說(shuō)明埋深大的隧道采用大氣降水入滲法預(yù)測(cè)涌水量時(shí)影響寬度需要根據(jù)隧道埋深進(jìn)行修正。

5.2 地下徑流模數(shù)法

徑流模數(shù)計(jì)算是在充分分析隧道區(qū)的氣候、地形地貌、植被、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于在降雨后間隔較長(zhǎng)時(shí)間才進(jìn)行測(cè)流，屬于枯水季節(jié)，可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)涌水量明顯偏低，影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。勘測(cè)計(jì)算中對(duì)溝谷流量做了一定的修正。

誤差較大的第2段預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量30 800 m3/d誤差達(dá)3倍。主要原因一是DIK91＋096～DIK91＋284段長(zhǎng)188 m出現(xiàn)了F5次級(jí)斷層，發(fā)生特大涌水，其斷層帶靜儲(chǔ)量很大[11]；另一個(gè)原因是隧道涌水量計(jì)算中，根據(jù)隧道地質(zhì)調(diào)繪未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，區(qū)域地表水流量較小，對(duì)隧道構(gòu)造發(fā)育程度及充填情況的認(rèn)知出現(xiàn)偏差，造成富水性巖體的劃分不準(zhǔn)確，將此段劃分為構(gòu)造裂隙水弱富水區(qū)，徑流模數(shù)取值800 m3/(d·km2)，影響寬度B值取值1，參數(shù)選取不準(zhǔn)確，導(dǎo)致預(yù)測(cè)涌水量明顯偏低。若按中等弱富水區(qū)，徑流模數(shù)取值1 200 m3/(d·km2)，影響寬度B值取值1.5，預(yù)測(cè)涌水量就和實(shí)際接近。

說(shuō)明勘察階段對(duì)嶺脊段隧道地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)存在偏差和失誤，而導(dǎo)致偏差失誤的主要原因則是未調(diào)查出F5次級(jí)斷層，對(duì)砂巖夾泥巖、礫巖破碎程度認(rèn)識(shí)不足。若在此段落有鉆孔和物探資料控制，認(rèn)識(shí)可能就會(huì)較為符合實(shí)際。

5.3 地下水動(dòng)力學(xué)法

該隧道在勘察階段，在各類地層中均布置鉆孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，采用裘布依潛水完整孔公式和庫(kù)薩金經(jīng)驗(yàn)公式求得隧道正常涌水量和最大涌水量，與施工中涌水量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除第2段由于出現(xiàn)了F5次級(jí)斷層，涌水量誤差較大外，其余4段涌水量均與預(yù)測(cè)的基本一致。這表明，在弱富水、中等富水區(qū)有鉆孔抽水試驗(yàn)時(shí)，地下水動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算，能夠反映隧道富水的實(shí)際情況。

采用地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)隧道涌水量時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn):

(1)抽水試驗(yàn):鉆孔抽水試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)采用清水鉆進(jìn)或干鉆，抽水試驗(yàn)結(jié)果的可靠性才能有所保證，且計(jì)算結(jié)果應(yīng)分析其代表段落。

(2)參數(shù)選取:裘布依潛水完整孔公式中h表示洞外水柱高度，一般理想地認(rèn)為地下水位下降到洞內(nèi)排水溝處，取0.2 m或0.5 m。從已施工隧道分析，地下水位下降有限，h值相當(dāng)大。本次計(jì)算中，采用中鐵一院多個(gè)隧道總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)含水層厚度，h取值(0.5～0.75)H。實(shí)際涌水量表明，參數(shù)修正是合理的。

從隧道總涌水量來(lái)看，地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)的隧道涌水量與實(shí)際相比，總體預(yù)測(cè)水量偏小，但接近實(shí)際情況。在對(duì)隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)程度提高，水文地質(zhì)參數(shù)選取更加合理后，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道涌水量[10-12]。

6 結(jié)論

(1)采用大氣降水入滲法計(jì)算隧道涌水量時(shí)，邊界條件要合理，埋深大于200 m的隧道采用大氣降水入滲法預(yù)測(cè)涌水量時(shí)影響寬度需要修正。

(2)通過(guò)六盤(pán)山隧道涌水量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比可知，在六盤(pán)山地區(qū)及類似氣候、地形條件下，通過(guò)大量的水文地質(zhì)調(diào)繪和鉆孔抽水試驗(yàn)，準(zhǔn)確劃分富水性分區(qū)，采用地下徑流模數(shù)法預(yù)測(cè)隧道涌水量是可行的。查明隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件是一切涌水量計(jì)算方法的前提。

(3)斷裂帶裂隙水水量較難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且涌水發(fā)生時(shí)多有突砂、涌泥現(xiàn)象，對(duì)隧道施工危害較大，應(yīng)在勘測(cè)設(shè)計(jì)中予以高度重視。