陳 鵬，蒲文斌，鮑志言，李 強(qiáng)，錢 康

（四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都610000）

復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的隧道涌突水是常見的施工災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著現(xiàn)場施工安全及進(jìn)度。一直以來隧道涌突水計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的水文地質(zhì)問題，尤其當(dāng)隧道穿越段水文地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，隧道涌突水預(yù)測與計(jì)算則變得更加困難。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐向貧困、偏遠(yuǎn)山區(qū)邁進(jìn)，復(fù)雜地質(zhì)條件下超長隧道工程逐漸增多，這些隧道的涌突水量預(yù)測與計(jì)算是工程建設(shè)過程需直面的具體問題。從常規(guī)地質(zhì)方法角度進(jìn)行研究，從地下水補(bǔ)給、徑流、排泄、存儲和水壓等幾方面進(jìn)行分析可定性判斷隧道涌突水情況，但需要再進(jìn)一步預(yù)測和計(jì)算隧道的主要涌突水段和涌水量時(shí)則需要結(jié)合現(xiàn)場水文地質(zhì)條件采用科學(xué)、合理的方法與手段開展隧道涌突水預(yù)測和計(jì)算[1-5]。

1 隧道涌突水計(jì)算數(shù)值模擬方法

地下水流模擬方法是基于計(jì)算機(jī)利用數(shù)值方法來分析和預(yù)測不同條件下局部或區(qū)域地下水系統(tǒng)行為的一種手段。早期的地下水模擬采用的物理模型進(jìn)行模擬，隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，地下水流模擬逐漸從類比法（物理模擬）過渡到數(shù)值法，數(shù)值模擬方法就是在計(jì)算機(jī)上采用離散化的方式去求解數(shù)學(xué)模型，得到數(shù)學(xué)模型的近似解[6-8]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬法已經(jīng)發(fā)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(fù)雜及多變的水文條件下的地下水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。針對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道涌突水計(jì)算采用數(shù)值模擬方法可有效地模擬復(fù)雜水文地質(zhì)條件下隧址區(qū)地下水流場的變化情況。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)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(chǔ)資料。

2 水文地質(zhì)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(shè)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(fā)育3處海子處。隧址區(qū)主要地層為新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積層、河流沖洪積層、坡洪積層與中生界三疊系上統(tǒng)新都橋組板巖夾炭質(zhì)板巖、砂巖、侏倭組砂巖夾板巖，中統(tǒng)雜谷腦組砂巖夾板巖及印支期侵入正長巖構(gòu)成。區(qū)內(nèi)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(zhì)板巖、砂巖、變質(zhì)砂巖、正長巖的孔隙、裂隙中。隧址區(qū)地下水的補(bǔ)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?cái)鄬悠扑閹c基巖風(fēng)化及構(gòu)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(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式之一。隧址區(qū)水文地質(zhì)單元示意圖如圖1所示。

圖1 隧址區(qū)水文地質(zhì)單元示意圖

區(qū)內(nèi)的地下水滲透介質(zhì)為中生界變質(zhì)巖，印支期侵入體（正長巖）以及斷層破碎帶，根據(jù)各地層的巖性及區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)滲透介質(zhì)可概化為多孔介質(zhì)，具非均質(zhì)性，各滲透介質(zhì)內(nèi)部滲透性能變化不大，可視為均質(zhì)介質(zhì)。

計(jì)算區(qū)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(qū)內(nèi)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(jì)算時(shí)，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(jì)算，然后代入方程進(jìn)行計(jì)算；對于模擬區(qū)底部邊界概化時(shí)，因隧道開挖后將改變隧道周邊地下水的流場和地下水運(yùn)動(dòng)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(qū)頂部邊界主要接受大氣降水和融雪入滲補(bǔ)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(qū)內(nèi)地下水將大量向隧道洞身處徑流，隧洞涌水量將成為區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式之一。區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，且三維特征顯著，可采用地下水的非穩(wěn)定流模型來計(jì)算隧道的集中涌水量[9-11]：

式（1）中：K為滲透系數(shù)，m/d；H為水頭，m；Ss為彈性釋水率，1/d；Ω為計(jì)算區(qū)；H0為計(jì)算區(qū)初始流場，m；n為各邊界面的外法線方向；A1為計(jì)算區(qū)的東部邊界面；A2為計(jì)算區(qū)的南部邊界面；A3為計(jì)算區(qū)的西部邊界面；A4為計(jì)算區(qū)的北部邊界面；A5為計(jì)算區(qū)的底部邊界面；A6為滲流區(qū)內(nèi)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(zhì)滲透性能參數(shù)，m2/d；Hr為河流水位標(biāo)高，m；W為降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)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(shù)，m2/d；HD為隧洞排水標(biāo)高，m。

上述的滲流數(shù)學(xué)模型，可用有限差分法進(jìn)行求解。即在對計(jì)算區(qū)進(jìn)行適當(dāng)剖分的基礎(chǔ)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(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程組的求解問題。

3 參數(shù)選取及模型識別

滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)是影響區(qū)內(nèi)地下水的滲流狀態(tài)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(jì)算中各地層所采用的滲透系數(shù)，是根據(jù)隧道初勘、詳勘期間的鉆探、相關(guān)試驗(yàn)等成果取得資料，同時(shí)考慮模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，并結(jié)合區(qū)內(nèi)地層巖性，通過模型識別綜合確定，通過模型識別把研究區(qū)細(xì)分為6個(gè)參數(shù)區(qū)，如表1所示。

表1 各參數(shù)分區(qū)參數(shù)取值表

模擬區(qū)內(nèi)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(jù)前述概念模型，區(qū)內(nèi)各河流及海子可概化為河流邊界。計(jì)算時(shí)根據(jù)模擬區(qū)數(shù)字高程模型提取出區(qū)內(nèi)的地表水系，得到反映主要地表水體與地下水交換關(guān)系，然后根據(jù)水系的平面位置，并結(jié)合區(qū)內(nèi)數(shù)字高程模型，共同確定河流不同位置的水位標(biāo)高。采用下式計(jì)算地表水體的排水量：

4 模擬計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(jù)模型計(jì)算結(jié)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(jì)算區(qū)隧道開挖后地下水流場圖如圖2所示，計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。

圖2 計(jì)算區(qū)隧道開挖后地下水流場圖

表2 隧道涌突水計(jì)算成果表

表3 隧道穿越接觸帶及斷層破碎帶涌水量計(jì)算成果表

K47＋600—K47+700為侵入接觸帶，巖體裂隙發(fā)育，破碎，地下水較發(fā)育，地下水受補(bǔ)給后沿侵入接觸帶向下運(yùn)移，通過計(jì)算，預(yù)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(fā)育，破碎，地下水較發(fā)育，通過計(jì)算，預(yù)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(fā)育，破碎，地下水較發(fā)育，同時(shí)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(jì)算，預(yù)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(fā)育，破碎，地下水較發(fā)育，地下水受補(bǔ)給后沿侵入接觸帶向下運(yùn)移，通過計(jì)算，預(yù)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(fā)育，巖體較破碎，成為地下水良好的富集、運(yùn)移的場所，透水性強(qiáng)，地下水較豐富，并穿越溝谷，補(bǔ)給源除降水、融雪外，隧道開挖后，溝道內(nèi)地表水也成為其豐富的補(bǔ)給源，通過計(jì)算，預(yù)測該段涌水量為6 500 m3/d左右。

5 計(jì)算結(jié)果對比

本次計(jì)算同時(shí)采用徑流模數(shù)法、降雨入滲法多種方法對邛崍山隧道涌水量進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如表4所示。對比結(jié)果表明，本次數(shù)值模擬法的計(jì)算結(jié)果可以接受，建立的數(shù)學(xué)模型能夠較好反應(yīng)實(shí)際情況，能夠較好地預(yù)測隧道的涌水量。最終推薦采用數(shù)值法計(jì)算結(jié)果作為最終涌水量推薦結(jié)果。

表4 邛崍山隧道涌水量計(jì)算成果對比一覽表

6 結(jié)論及建議

一直以來隧道涌突水計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的水文地質(zhì)問題。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐向貧困、偏遠(yuǎn)山區(qū)推進(jìn)，復(fù)雜地質(zhì)條件下超長隧道工程逐漸增多，這些隧道的涌突水量預(yù)測與計(jì)算是工程建設(shè)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(fù)雜水文地質(zhì)條件下隧址區(qū)地下水流場的變化情況。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)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(chǔ)資料。