李善祿，吳永斌

（青海巖土工程勘察院有限公司，青海 西寧 810000）

1 隧道工程概況

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路隧道的建設(shè)數(shù)量及長度也在增長，近幾年超特長高速公路隧道的建設(shè)數(shù)量也逐漸增加。建設(shè)長距離的公路隧道不僅要改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及勘察方法，而且實(shí)施過程中困難重重?！疤焐絼倮淼馈笔荊0711 烏魯木齊至尉犁段高速公路建設(shè)項(xiàng)目的重要控制性工程，建成后將打通天山南北的交通運(yùn)輸屏障，成為連接北疆、南疆之間的安全、舒適、快捷、高效公路運(yùn)輸通道。隧道設(shè)計(jì)為分離式，凈空11.0m（寬）×5.0m（高），長度約為22.1km。

2 隧道工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探成果及相關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料，隧道通過段地層主要有第四系（Q4）堆積層；泥盆系上統(tǒng)天格爾組灰綠色凝灰質(zhì)砂巖（D3tb）、中元古代（Pt2）薊縣系卡瓦布拉克群第二組（Jxk2）灰褐色變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖；中元古代（Pt2）長城系星星峽群（CHx）灰綠色石英片巖、片麻巖及華力西期侵入淺肉紅色花崗斑巖（γC2dH）、加里東期侵入灰白色花崗閃長巖（γδS1Q,γδS2Q）、晉寧期青白口紀(jì)侵入灰色片麻狀閃長巖（tnQbH）。

3 隧道區(qū)域地下水系統(tǒng)劃分

近年來，工程人員對(duì)于隧道水文地質(zhì)條件的調(diào)查和研究越來越重視。隧道水文地質(zhì)調(diào)研，首先要大致確定隧道通過段的水文地質(zhì)單元，進(jìn)而查明含水層巖性、地下水類型、補(bǔ)徑排條件等水文地質(zhì)條件。

本隧道通過區(qū)域地表水系主要為烏魯木齊河水系、烏拉斯臺(tái)河水系及阿拉溝水系，以天格爾山為分水嶺，以北為烏魯木齊河水系，以南為黃水溝河支流烏拉斯臺(tái)河水系及阿拉溝水系。

由于隧道通過段水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水系統(tǒng)主要受地貌、構(gòu)造以及一級(jí)地表水系的控制，以一級(jí)流域作為劃分的基本單元，本次研究將區(qū)域劃分為三個(gè)地下水系統(tǒng)：大西溝地下水系統(tǒng)（Ⅰ），阿拉溝地下水系統(tǒng)（Ⅱ），烏拉斯臺(tái)地下水系統(tǒng)（Ⅲ）。

3.1 大西溝地下水系統(tǒng)（Ⅰ）

位于隧道進(jìn)口至天格爾山主梁分水嶺以北地帶，地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。主要接受大氣降水、高山雪融水入滲補(bǔ)給。區(qū)域內(nèi)地形切割強(qiáng)烈、地形坡度大，多形成陡崖，基巖大面積裸露。大氣降水及冰雪融水順坡面向地勢(shì)低洼處運(yùn)移，集于溪溝，地下水多沿風(fēng)化節(jié)理裂隙、構(gòu)造線方向往東西兩側(cè)的溪溝徑流、排泄，最終匯入烏魯木齊河，排泄基準(zhǔn)面為烏魯木齊河。由于區(qū)內(nèi)斷層、褶皺發(fā)育、花崗閃長巖體侵入，巖體破碎程度不均，導(dǎo)致隧道穿越各段賦水程度存在差異，致使地下水的分布和富水程度規(guī)律性相對(duì)較差，故該區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。

3.2 阿拉溝地下水系統(tǒng)（Ⅱ）

位于天格爾山主梁分水嶺以南、奎先達(dá)坂主梁以東地帶，地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。主要接受大氣降水和高山雪融水入滲補(bǔ)給。區(qū)域內(nèi)地形坡度大，大氣降水及高山雪融水順坡面向地勢(shì)低洼處運(yùn)移，集于溪溝，地下水多沿風(fēng)化節(jié)理裂隙、巖體侵入接觸面往南北兩側(cè)的溪溝進(jìn)行徑流、排泄，最終匯入阿拉希公京溝。由于該區(qū)巖體破碎程度不具均一性，導(dǎo)致隧道穿越各段巖體賦水程度存在差異，致使地下水的分布和富水程度規(guī)律性相對(duì)較差，故該區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。

3.3 烏拉斯臺(tái)地下水系統(tǒng)（Ⅲ）

位于天格爾山主梁分水嶺以南、奎先達(dá)坂主梁以西地帶，地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。主要接受大氣降水和高山雪融水入滲補(bǔ)給。區(qū)域內(nèi)地形坡度大，大氣降水及高山雪融水順坡面向地勢(shì)低洼處運(yùn)移，集于溪溝，地下水多沿風(fēng)化節(jié)理裂隙、構(gòu)造線方向及巖體侵入接觸面往南北兩側(cè)的溪溝進(jìn)行徑流、排泄，最終匯入烏拉斯臺(tái)河。由于該區(qū)巖體破碎程度不具均一性，導(dǎo)致隧道穿越各段巖體賦水程度存在差異，致使地下水的分布和富水程度規(guī)律性相對(duì)較差，故該區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。

綜上所述，三大地下水系統(tǒng)由于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等方面存在一定的差異，表現(xiàn)出地下水類型多樣，其補(bǔ)給、徑流、排泄位置、方向等均不一致，具有獨(dú)立的地下水系統(tǒng)，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

4 隧道涌水量計(jì)算方法

預(yù)測(cè)隧道涌水量首先需要廣泛搜集水文地質(zhì)資料。本次研究區(qū)域的水文地質(zhì)研究程度很低，因此充分搜集利用有關(guān)權(quán)威單位的水文地質(zhì)研究成果非常重要。其次，將理論公式與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合。對(duì)于隧道涌水量的計(jì)算，目前沒有完全成熟的理論公式，利用前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式常?？梢匀〉帽容^準(zhǔn)確的結(jié)果。最后，正常涌水量和最大涌水量的計(jì)算分別采用兩種方法。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，利用不同的方法進(jìn)行計(jì)算以便對(duì)比分析，充分利用本次調(diào)查工作取得的數(shù)據(jù)，尤其是鉆探、水文試驗(yàn)、物探等成果，在此基礎(chǔ)上建立符合實(shí)際的涌水量計(jì)算概念模型。

就新疆所有的基巖山區(qū)而言，水文地質(zhì)的研究程度都很低。常用的隧道涌水量計(jì)算方法一般分為理論公式法、模數(shù)計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)公式法三大類。

本隧道為越嶺隧道，沖溝發(fā)育，地下水主要靠大氣降水、沖溝河水及高山雪融化入滲補(bǔ)給。本次研究通過鉆孔水文試驗(yàn)，采用《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB 10049—2014）中推薦的地下徑流模數(shù)法、大氣降水入滲法計(jì)算出隧道的正常涌水量，采用地下水動(dòng)力學(xué)法中的古德曼經(jīng)驗(yàn)式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式計(jì)算出了隧道的最大涌水量。

4.1 水文地質(zhì)試驗(yàn)及參數(shù)

4.1.1 水文地質(zhì)試驗(yàn)

依據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件及成井結(jié)構(gòu)，采用降水頭注水試驗(yàn)求取水文地質(zhì)參數(shù)。具體試驗(yàn)方法及原則為：

（1）覆蓋層鉆孔孔徑為110mm，基巖層鉆孔孔徑為77mm，鉆至預(yù)定深度后，采用清水洗井，經(jīng)肉眼判別達(dá)到水清砂凈則洗井結(jié)束。

（2）洗井工作結(jié)束后，進(jìn)行孔內(nèi)地下水位觀測(cè)，水位觀測(cè)間隔時(shí)間為5min，當(dāng)連續(xù)2 次觀測(cè)數(shù)據(jù)變幅小于10cm 時(shí)，水位觀測(cè)即可結(jié)束，用最后一次觀測(cè)值作為地下水位計(jì)算值。

（3）開始向孔內(nèi)下入套管進(jìn)行試段隔離，確保套管下部與孔壁之間不漏水。

（4）試段隔離后，向套管內(nèi)注入清水，將套管內(nèi)水位至孔口部位作為初始水頭值，停止供水，并開始記錄管內(nèi)水位隨時(shí)間變化的情況。

（5）管內(nèi)水位觀測(cè)間隔時(shí)間按照《水利水電工程鉆孔注水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 345—2007）的要求，開始間隔時(shí)間為1min，連續(xù)觀測(cè)5 次；然后間隔時(shí)間為10min，觀測(cè)3 次；以后每隔30min 觀測(cè)一次。當(dāng)試驗(yàn)水頭下降至初始試驗(yàn)水頭的0.3 倍或連續(xù)觀測(cè)點(diǎn)達(dá)到10個(gè)以上時(shí)，即可結(jié)束試驗(yàn)。待試驗(yàn)完畢，整理觀測(cè)數(shù)據(jù)，并繪制水位降深—時(shí)間關(guān)系曲線。

4.1.2 水文地質(zhì)參數(shù)

計(jì)算滯后時(shí)間的公式如下：

式（1）中：T為滯后時(shí)間（min）；t1,t2為注水試驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻的試驗(yàn)時(shí)間（min）；H1,H2為在試驗(yàn)時(shí)間t1,t2時(shí)的試驗(yàn)水頭（cm）。

基于鉆孔降水頭注水試驗(yàn)，采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）中的公式計(jì)算滲透系數(shù)：

式（2）中：K為含水層滲透系數(shù)（cm/min）；A為注水管內(nèi)徑截面積 （cm2）；T為滯后時(shí)間 （min）；F為形狀系數(shù)（cm），由鉆孔和水流邊界條件確定。

鉆孔內(nèi)試段頂部以上下入套管止水，試驗(yàn)段裸露，孔壁與孔底進(jìn)水，形狀系數(shù)值按式（3）計(jì)算。

式（3）中：視孔內(nèi)水平、垂直滲透系數(shù)相同，m取值為1；l為試驗(yàn)段長度（cm）；r為鉆孔半徑（cm）。

通過7 個(gè)試驗(yàn)孔注水試驗(yàn)資料，計(jì)算出來的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。SZK02 號(hào)孔、SZK07 號(hào)孔的水位降深與時(shí)間關(guān)系曲線分別見圖1、圖2。

表1 水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 SZK02號(hào)孔水位降深與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖2 SZK07號(hào)孔水位降深與時(shí)間關(guān)系曲線圖

4.2 正常涌水量計(jì)算

4.2.1 地下徑流模數(shù)法

采用地下徑流模數(shù)法計(jì)算隧道通過含水體地段的正常涌水量的公式如下：

式（4）中：Q為隧道通過含水體地段的正常涌水量（m3/d）；M為地下徑流模數(shù) （m3（/d·km2））；A為隧道通過含水體地段的集水面積（km2）。

根據(jù)相關(guān)研究資料，烏魯木齊河流域山區(qū)徑流模數(shù)M1=7.884×104m3/(a·km2)=216m3/(d·km2)；阿拉溝地下水系統(tǒng)的徑流模數(shù)M2=52554×104m3/a÷14487km2=3.628×104m3/(a·km2)=99.40m3/(d·km2)；烏拉斯臺(tái)地下水系統(tǒng)的徑流模數(shù)M3=238699×104m3/a÷48700km2=4.9×104m3/(a·km2)=134.24m3/(d·km2)。

根據(jù)隧道通過的三個(gè)水文地質(zhì)單元的地下水徑流模數(shù)和各段落集水面積，采用徑流模數(shù)方法計(jì)算的隧道左幅正常涌水量為10 697m3/d，右幅正常涌水量為10 720m3/d。

4.2.2 大氣降水入滲法

式（5）～式（6）中：Q為隧道通過含水體地段的正常涌水量（m3/d）；a為降水入滲系數(shù)，根據(jù)隧道平面投影所在地貌單元、氣候分帶，a取值為0.15～0.40；W為年降水量，根據(jù)中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所在隧道穿越區(qū)建立的五處長期綜合氣象站點(diǎn)（GS001～GS005）提供的降水量數(shù)據(jù)，取550mm；A為隧道通過含水體地段的集水面積（km2）；L為隧道通過含水體地段的長度（km）；B為隧道涌水地段L長度內(nèi)對(duì)兩側(cè)的影響寬度（km）；影響寬度采用經(jīng)驗(yàn)公式（式（7））計(jì)算；R為隧道一側(cè)涌水影響寬度（m）。

隧道涌水單側(cè)影響寬度的計(jì)算采用了《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB 10049—2014）[3]中推薦的計(jì)算誤差較小的經(jīng)驗(yàn)公式：

式（8）中：K為含水體的滲透系數(shù)（m/d）。

根據(jù)隧道通過段的降水入滲系數(shù)、含水體滲透系數(shù)、年降水量、積水面積等數(shù)據(jù)，大氣降水入滲方法計(jì)算的隧道左幅正常涌水量為24 304m3/d，右幅正常涌水量為24 334m3/d。

4.3 最大涌水量計(jì)算

根據(jù)場(chǎng)地褶皺、斷裂構(gòu)造、侵入接觸及沖溝發(fā)育情況，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分段，采用地下水動(dòng)力學(xué)法中的古德曼經(jīng)驗(yàn)式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式計(jì)算其最大涌水量。

4.3.1 佐藤邦明非穩(wěn)定流式

式（9）中：q0為隧道通過含水體地段的單位長度最大涌水量（m3·s-1·m-1）；m為換算系數(shù)，一般取0.86；K為含水體滲透系數(shù)（m/s）；h2為水頭高度（m）；r0為洞身橫斷面等價(jià)圓半徑（m），本隧道取r0=5.5m；hc為含水體厚度（m）。

佐藤邦明非穩(wěn)定流計(jì)算結(jié)果：隧道左幅最大涌水量為21 511.8m3/d，隧道右幅最大涌水量為21 109.1m3/d。

4.3.2 古德曼經(jīng)驗(yàn)式

式（10）中：Q0為隧道通過含水體地段的最大涌水量（m3/d）；K為含水體滲透系數(shù)（m/d）；各圍巖段滲透系數(shù)根據(jù)該段鉆孔或鄰近鉆孔水文地質(zhì)試驗(yàn)成果得到；H為水頭高度（m）；d為洞身橫斷面等價(jià)圓直徑（m）；L為隧道通過含水體的長度（m）。

古德曼經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算結(jié)果：隧道左幅最大涌水量為41 584.3m3/d，隧道右幅最大涌水量為40 770.3m3/d。

5 隧道涌水量取值確定

大氣降水入滲法適用于隧道通過潛水含水體且埋藏深度較淺時(shí)的正常涌水量計(jì)算。本隧道工程通過區(qū)雖然含水體均為潛水含水體，但是隧道的埋藏深度很大，最深達(dá)到1 200m左右。含水體埋藏深度越大，含水體的風(fēng)化越弱，透水性就越差，地下水的循環(huán)徑流就越慢。本次水文地質(zhì)試驗(yàn)計(jì)算得出的含水體滲透系數(shù)K的數(shù)量級(jí)在10-4～10-3就證明了這一點(diǎn)。因此，利用大氣降水入滲法計(jì)算的正常涌水量結(jié)果偏大。地下水徑流模數(shù)法中引用的地下水徑流模數(shù)均引自權(quán)威報(bào)告，這些數(shù)據(jù)是通過分析典型河流水文站10年以上的水文資料得出的結(jié)論，代表了流域平均的地下水徑流模數(shù)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，由此計(jì)算的涌水量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

古德曼公式法、佐藤邦明非穩(wěn)定流式計(jì)算最大涌水量的方法和公式是基于地下水動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合以往類似隧道工程經(jīng)驗(yàn)得出，在其適用范圍內(nèi)，取得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，計(jì)算簡便，能達(dá)到一定的預(yù)測(cè)精度。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，最大涌水量采用結(jié)果較大的古德曼公式計(jì)算的隧道最大涌水量。

綜上所述，采用地下水徑流模數(shù)方法計(jì)算的隧道正常涌水量相對(duì)比較可靠，可以作為隧道正常涌水量使用；最大涌水量采用結(jié)果較大的古德曼公式計(jì)算的隧道最大涌水量。

6 結(jié)語

隨著我國“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實(shí)施，山區(qū)高速公路迅速發(fā)展，隧道建設(shè)的規(guī)模也越來越大，高寒、高海拔、高烈度區(qū)及大埋深超長公路隧道越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年4月，我國在建的10公里以上超長公路隧道就有17條。部分高速公路隧道在施工建設(shè)期間會(huì)遇到較大涌水或突然涌水，給施工造成重大影響。針對(duì)這種情況，做出準(zhǔn)確的涌水量預(yù)測(cè)及防突水方案就顯得尤為重要。應(yīng)根據(jù)隧道通過段工程及水文地質(zhì)特征，建立正確的水文地質(zhì)系統(tǒng)單元，并采用多種計(jì)算方法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果互相驗(yàn)證，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件得出切實(shí)可靠的隧道涌水參數(shù)。