蔡 磊 田學(xué)軍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

0 引言

隧道涌水突泥是隧道施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害，當隧道通過富水洞段地層時，易產(chǎn)生較嚴重的涌水、突泥等工程問題。隧道開挖過程中產(chǎn)生很大的涌水量和較強的滲水壓力，嚴重威脅洞室的安全，若該問題處理不當直接決定著隧道的工程安全、施工進度、工程投資等。

隧道涌水與地質(zhì)環(huán)境條件密切相關(guān)，地質(zhì)體中巖層的發(fā)育特征、構(gòu)造運動史和隧道穿越地區(qū)的地下水補給、徑流、排泄也是控制隧道涌水的重要因素。隧道涌水預(yù)測主要是指涌水量評估預(yù)測，為有效進行隧道涌水量的預(yù)估，各國學(xué)者經(jīng)過幾十年的努力，取得了豐碩的成果。學(xué)者們依據(jù)隧道環(huán)境地下水所處的具體地質(zhì)體特性、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工方法和生產(chǎn)要求等，通過定性、定量的方法系統(tǒng)研究隧洞涌水量。

隧道涌水量預(yù)測方法包括解析法、數(shù)值法、相關(guān)分析法等。其中應(yīng)用數(shù)值法預(yù)測涌水量已經(jīng)成為主要的技術(shù)方法之一[1]。在地下水數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和完善過程中，許多地下水模擬軟件被廣泛使用，Visual MODFLOW軟件是應(yīng)用最廣泛的一種[2]，它是目前國際上經(jīng)常用到的三維地下水流和溶質(zhì)運移模型評價的可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)[3]。本文在收集隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等資料的基礎(chǔ)上，利用解析法計算隧道涌水量，再利用數(shù)值模擬軟件Visual MODFLOW對研究區(qū)地下水系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，并將兩種方法預(yù)測的涌水量進行對比分析，可將預(yù)測結(jié)果用于指導(dǎo)隧道施工。

1 工程地質(zhì)概況

該公路隧道全長2795m，進口標高1886m、出口標高1910m，最大埋深457m。場區(qū)地處云貴高原烏蒙山脈北段，地貌類型屬溶蝕—侵蝕型低山地貌，地表受溶蝕、侵蝕作用強烈，地勢起伏大，隧址區(qū)地面高程為1891～2537m。

場區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均降雨量1253.5mm，最大年降雨量1682.8mm，日最大降水量154.8mm，場區(qū)溝谷內(nèi)分布有季節(jié)性溪流，流量受大氣降雨控制。

場區(qū)地層巖性為第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r及飛仙關(guān)組泥質(zhì)粉砂巖。其中，含碎石粉質(zhì)黏土，灰黃色，可塑狀，碎石粒徑2～5cm，含量約25%；灰?guī)r，深灰色，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎；泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體較破碎。

場區(qū)無區(qū)域性斷層及褶皺構(gòu)造發(fā)育，地層產(chǎn)狀整體較平穩(wěn)呈單斜產(chǎn)出，巖層傾向110°～135°之間，傾角20°～30°。主要節(jié)理為196°∠83°、292°∠84°，節(jié)理面起伏粗糙，可見泥質(zhì)充填。

2 場區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 地下水埋藏特征

補給區(qū)地下水以垂直入滲為主，埋深較大；徑流區(qū)地下水主要為水平方向運動，埋深較淺；排泄區(qū)水位接近河流基面，甚至出露地表。隧道進口段埋深約50～150m，隧道出口段地下水水位埋藏淺，一般小于50m，地下水水力坡度小于10‰。

2.2 地下水類型

根據(jù)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水。碳酸鹽巖巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖地層中，以灰?guī)r為主，富水性中等—強。基巖裂隙水含水巖組為泥質(zhì)粉砂巖，富水性弱—中等。第四系松散層孔隙水，賦存于山間洼地及第四系殘坡積層中，富水性差，水量貧乏。

2.3 地下水補、徑、排特征

(1)地下水補給。大氣降雨是場區(qū)地下水的主要補給源，其次部分地段接受外圍地下水越層補給。補給方式為降水形成的片流、地表徑流通過裂隙、溶隙、溶槽、落水洞(漏斗)下滲補給。雨季水量大，枯季水位下降、流水量小。

(2)地下水徑流。地下水徑流部位一般為斜坡地帶，排泄區(qū)為溝谷、谷地及河流，受地貌、巖溶、地質(zhì)構(gòu)造、水網(wǎng)展布控制，地段性差異較大，但一般與巖層走向一致。地下水接受補給后少部分貯存于土層孔隙內(nèi)，大多向下伏基巖節(jié)理、風化裂隙及巖溶裂隙運移，徑流類型以隙流、層面流及暗河狀態(tài)自南西向北東運移，多集中于隧道出口的溝谷排出。

(3)地下水排泄。區(qū)內(nèi)排泄區(qū)為山間溝谷和河谷，隧道左側(cè)較遠處的河流為最終排泄基面。地下水排泄以泉點及地下伏流出口等形式排泄，區(qū)內(nèi)地下水大都沿巖層面相間分布，一般集中于橫切溝谷排泄。

2.4 水文地質(zhì)單元劃分及特征

場區(qū)地表分水嶺與地下分水嶺總體一致，依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用[4]，將區(qū)內(nèi)分為姑開和引底河兩個水文地質(zhì)分區(qū)，又根據(jù)含水巖組的不同，將姑開水文地質(zhì)分區(qū)劃分為黑龍井(Ⅰ1)及甘家寨(Ⅰ2)兩個亞區(qū)；將引底河水文地質(zhì)分區(qū)劃分為仡佬寨(Ⅱ1)及巖腳寨(Ⅱ2)兩個亞區(qū)，水文地質(zhì)單元分區(qū)如圖1所示。隧道主要位于黑龍井(Ⅰ1)、仡佬寨(Ⅱ1)及巖腳寨(Ⅱ2)3個亞區(qū)內(nèi)。

圖1 場區(qū)水文地質(zhì)單元劃分

3 解析法預(yù)測隧道涌水量

3.1 計算方法

解析法又叫地下水動力學(xué)法，利用地下水動力學(xué)的原理，用數(shù)學(xué)解析的方法給已有初值條件和邊界條件的地下水運動建立數(shù)學(xué)表達式，從而達到預(yù)測隧道涌水量的目的[5]。根據(jù)隧道的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，在結(jié)合勘察鉆孔的基礎(chǔ)上，對地下水水位進行推測，選用地下水動力學(xué)方法，對隧道涌水量進行分段初步預(yù)估，計算方法及公式見表1。

表1 涌水量計算公式

3.2 計算參數(shù)選取

該隧道穿越不同類型水文地質(zhì)單元，根據(jù)鉆孔及水文地質(zhì)試驗確定計算以及模擬所需滲透系數(shù)(K)、重力給水度(μ)；降雨補給強度(W)依據(jù)隧道所在地年平均降雨量；含水層厚度(H)根據(jù)隧道縱剖面取平均值；排水時間(t)計劃隧道開工到施工結(jié)束約3年[6]。

4 涌水量預(yù)測結(jié)果分析

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ 610-2011)指出狹長坑道線性類項目的地下水水位影響區(qū)域半徑計算公式如公式(1)和(2)[7]：

(1)

(2)

式中：R為影響半徑，m；H為潛水含水層厚度，m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；W為降水補給強度，m/d；μ為重力給水度，無量綱；t為排水時間d。

由公式(1)、(2)計算隧道地下水水位影響區(qū)域半徑，計算結(jié)果見表2。

表2 隧道影響半徑分段預(yù)測結(jié)果

由表2可知，隧道施工對地下水的影響主要體現(xiàn)在飛仙關(guān)組(T1f)中，地下水的影響范圍較大，R=40.38m。永寧鎮(zhèn)組(T1yn)出露于隧道進口段，地下水位以及隧道埋深較淺，影響范圍較小，R=36.52m。

由表1中的計算公式根據(jù)含水地層分段計算隧道涌水量，計算結(jié)果見表3。

表3 隧道涌水量分段預(yù)測結(jié)果

由表3計算結(jié)果可知，三疊系永寧鎮(zhèn)組飛仙關(guān)組(T1yn、T1f)灰?guī)r夾泥巖和砂巖夾泥巖作為富水性最好的含水巖組，隧道穿越該地層時，涌水量偏大，根據(jù)大島洋志公式計算的涌水量約7360.85m3/d，根據(jù)科斯加科夫公式計算的涌水量約18523.53m3/d，根據(jù)鐵路經(jīng)驗公式計算的涌水量約5890.38m3/d～8195.57m3/d。隧道穿越三疊系飛仙關(guān)組T1f泥巖夾砂巖地層時，涌水量普遍偏小。通過計算結(jié)果分析研究，大島洋志和鐵路經(jīng)驗計算出的涌水量接近，可作為預(yù)測隧道的正常涌水量(Qs:8195.57m3/d)；科斯加科夫計算出的涌水量偏大，可作為預(yù)測隧道的最大涌水量(Qmax:18523.53m3/d)。

5 基于MODFLOW軟件預(yù)測隧道涌水量

5.1 模型的建立

(1)模型范圍。據(jù)場區(qū)地下水類型、地下水的補給、徑流、排泄特征和水文地質(zhì)單元劃分等水文地質(zhì)條件，結(jié)合隧道的尺寸將模型范圍設(shè)定為一長3100m、寬1400m的長方形[8]。

(2)邊界條件的確定。場區(qū)不存在較大的水庫，考慮地表支溝體對地下水的影響，所以把模型范圍內(nèi)的支溝以及河流作為溪流邊界和河流邊界；在分析隧道對天然滲流場的影響時，將隧道概化為排水溝邊界[9]。排水溝邊界程序包：排水量正比于含水層的水頭與某一固定水頭或高程之差。如果含水層水頭低于排水溝的固定水頭，排水溝程序包假設(shè)排水就沒有效果。排水溝程序包要求包含這個邊界條件的每個單元具備輸入資料水頭標高和水力傳導(dǎo)系數(shù)。

(3)模型的時空離散。由于本隧道地層巖性和含水巖組單一，結(jié)合隧道巖土體滲透系數(shù)取值，此外根據(jù)工程需求，在空間上按照50m網(wǎng)格將其剖劃為62行、28列，為更精準地刻畫地層的空間展布，分為3層，其中，局部地區(qū)網(wǎng)格加密，共劃分5208個單元(圖2)。

圖2 模型網(wǎng)格剖分

預(yù)計隧道施工需要3年時間，所以模型模擬期定為3年，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)報告中降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，長期平均年降雨量約1240mm，其中11月—次年4月總降雨量約為340mm，5月—10月總降雨量為900mm。所以，按照季節(jié)將一年作為2個應(yīng)力期，每個時間段內(nèi)包括若干時間步長，時間步長由模型自動控制，嚴格控制每次迭代的誤差。本文使用強隱過程程序包即SIP，是一種通過迭代求解一組大型聯(lián)立線性方程的方法，該迭代計算方法的優(yōu)點是結(jié)果很穩(wěn)定以及有較好的收斂性，但求解速度較慢。

5.2 計算參數(shù)的選取

含水層滲透系數(shù)(K)依據(jù)鉆孔壓水試驗換算確定，貯水系數(shù)(S)根據(jù)巖石力學(xué)試驗孔隙度確定，以上參數(shù)在模型調(diào)試中通過進一步修正，各參數(shù)取值如表4所示。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)取值

5.3 模型及參數(shù)的校驗

建立3D地質(zhì)模型后，首先擬合初始滲流場，校驗?zāi)Ｐ偷某跏妓缓透鱾€參數(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料觀測的地下水位和模擬區(qū)域的地形地貌對其他模擬區(qū)域采取插值法以確定地下水的大致高程，將該方法得到的地下水位作為模型的初始水位，然后計算模型的非穩(wěn)定流。圖3為天然條件下地下水三維滲流場，圖4為鉆孔測點水位擬合。

圖3 天然狀態(tài)等水位線分布

圖4 鉆孔觀測點水位擬合

在本次模擬中將隧道洞身鉆孔ZK1和ZK2設(shè)置成為模型的實時監(jiān)測點，模型中設(shè)水頭觀測孔，把模型計算出的地下水位與實際觀測的地下水位進行對比，以確定模型的擬合程度(如圖4所示)。地下水位從第7個應(yīng)力期開始就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，ZK1和ZK2鉆孔真實水位分別為2036.5m、2010.5m，模擬水位分別為2035.5～2039.3m、2006.7～2010.8m，模型誤差較小，建立的地質(zhì)模型符合實際地質(zhì)情況，所以模型通過檢驗。因此該隧道天然條件的滲流場模型符合實際，可用來預(yù)測評價隧道施工排水對滲流場的改變。

5.4 涌水量預(yù)測結(jié)果分析

采用Visual MODFLOW中的水均衡計算模塊下的排水溝程序包計算隧道涌水量。根據(jù)隧道穿越地層巖性及含水巖組的區(qū)別將隧道分為3段(具體樁號及長度如解析法劃分段落所示)進行數(shù)值模擬分析，此外為更準確真實地預(yù)測隧道施工的涌水過程，模擬過程中采用全排水和封堵排水結(jié)合兩種工況進行分析研究[10]。

(1)全排水工況時，隧道從1段到3段施工的涌水過程如下：

①隧道開挖至第1段時，穿越研究區(qū)的含水巖組三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)地層，從圖5可以看出隧道開挖對地下水環(huán)境的影響較小，僅在隧道軸線附近有很小的降落漏斗，涌水量約3520m3/d。

圖5 第1段開挖等水位線分布圖6 第2段開挖等水位線分布

②隧道開挖至第2段時，穿越研究區(qū)的含水巖組三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層，由于隧道穿越含水地層的長度很大，從圖6可以看出在隧道軸線產(chǎn)生了較大的降落漏斗，該段隧道開挖時對地下水環(huán)境的影響很大，涌水量約為12741m3/d。

③隧道開挖至第3段時，穿越研究區(qū)的相對隔水地層三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層泥巖夾砂巖，至此隧道開挖完畢，從圖7可以看出在整個隧道軸線上產(chǎn)生了完整的降落漏斗，該段隧道開挖時對地下水環(huán)境的影響大，涌水量約為302m3/d。

圖7 第3段開挖等水位線分布圖8 第1段開挖等水位線分布

(2)封堵排水結(jié)合工況時，封堵排水結(jié)合就是將已開挖隧道段采取止水措施將地下水阻擋在襯砌等支護結(jié)構(gòu)外圍。按照實際開挖程序分別模擬隧道涌水過程，具體過程如下。

①第1段隧道開挖時，地層巖性為含水巖組三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)，從圖8可看出地下水滲流場沒有較大的變化，該段隧道開挖時對地下水環(huán)境的影響較小，涌水量約為3862m3/d。

②第2段隧道開挖時，穿越研究區(qū)的含水巖組三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層，由于隧道穿越含水地層的長度較大，從圖9可以看出地下水滲流場在山脊部位產(chǎn)生了較大的降落漏斗，隧道施工時對地下水環(huán)境的影響大，地下水位降深較大，涌水量約為13190m3/d。

圖9 第2段開挖等水位線分布圖10 第3段開挖等水位線分布

③第3段隧道開挖時，穿越研究區(qū)的相對隔水地層三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層泥巖夾砂巖，至此隧道開挖完畢，從圖10可看出在隧道出口處等水位線明顯向山脊凸出，說明開挖時對該地區(qū)地下水環(huán)境的影響較大，涌水量約為363m3/d。

基于Visual MODFLOW數(shù)值模擬計算隧道涌水量，采用全排水和封堵排水結(jié)合兩種工況進行模擬計算。預(yù)測的涌水量見表5所示，從模擬結(jié)果可知封堵排水工況下的涌水量大于全排水工況下的涌水量，由于封堵排水工況下對已開挖隧道段采取止水措施將地下水阻擋在襯砌等支護結(jié)構(gòu)外圍，地下水只能在施工段排泄。綜合分析可知，排水工況下涌水量可作為隧道正常涌水量(Qs:15563m3/d)，封堵排水工況下涌水量可作為隧道最大涌水量(Qmax:16415m3/d)。

表5 兩種工況下數(shù)值模擬的涌水量

6 結(jié)語

根據(jù)解析法預(yù)測隧道涌水量計算結(jié)果分析研究，大島洋志和鐵路經(jīng)驗計算出的涌水量接近，可作為預(yù)測隧道的正常涌水量(Qs:8195.57m3/d)；科斯加科夫計算出的涌水量偏大，可作為預(yù)測隧道的最大涌水量(Qmax:18523.53m3/d)。

根據(jù)水文地質(zhì)單元分段進行模擬分析時，通過排水工況和封堵排水結(jié)合兩種工況下的預(yù)測結(jié)果顯示，封堵排水工況下隧道涌水量普遍大于排水工況下的涌水量，排水工況下涌水量可作為隧道正常涌水量(Qs:15563m3/d)，封堵排水工況下涌水量可作為隧道最大涌水量(Qmax:16415m3/d)。

隧道涌水量的大小與隧道的水文地質(zhì)條件密切相關(guān)，根據(jù)隧道各區(qū)段的水文地質(zhì)條件采用不同方法計算各段的涌水量較為合理，以解析法為基礎(chǔ)預(yù)測隧道涌水量結(jié)合數(shù)值模擬方法分析隧道正常涌水量和最大涌水量，可為隧道設(shè)計和施工提供較準確的數(shù)據(jù)，從而有效預(yù)防隧道涌水突泥災(zāi)害對隧道建設(shè)的危害[11]，對隧道工程建設(shè)具有較大的借鑒指導(dǎo)作用。