摘 要：【目的】為了給隧道設(shè)計和施工提供依據(jù)，需對隧道涌水量進行預(yù)測。【方法】以青?；ブ鄙教亻L隧道為例，基于勘察報告，綜合分析其自然地理情況和工程地質(zhì)條件，對地表水和地下水化學(xué)特征進行詳細分析，采用降水入滲系數(shù)法、地下徑流模數(shù)法和地下水動力法等三種方法對隧址區(qū)涌水量進行預(yù)測分析。【結(jié)果】結(jié)果表明，采用地下徑流模數(shù)法計算的結(jié)果對施工安全的保障更有利?！窘Y(jié)論】研究成果對類似特長隧道涌水量預(yù)測具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：特長隧道；涌水量；降水入滲系數(shù)法；地下徑流模數(shù)法；地下水動力法

中圖分類號：TU443 " " "文獻標(biāo)志碼：A " "文章編號：1003-5168（2024）12-0070-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.014

Research on Water Inflow Prediction of Extra-long Tunnel of Huzhu Beishan

ZHENG Liang1 LONG Guiyun1 LI Qingqing2

（1.Sinohydro Engineering Bureau 4 Co.， Ltd.， Xining 810007， China；2.Faculty of Engineering， China University of Geoscience， Wuhan 430074， China）

Abstract： [Purposes] In order to provide a basis for tunnel design and construction， it is necessary to predict the water inflow of the tunnel. [Methods] Based on the investigation report， this paper took the extra-long tunnel of Huzhu Beishan in Qinghai Province as an example， comprehensively analyzed its physical geography and engineering geological conditions， analyzed the chemical characteristics of surface water and groundwater in detail， and used precipitation infiltration coefficient method， underground runoff modulus method and groundwater dynamic method to predict and analyze the water inflow in the tunnel site area.[Findings] The results show that the calculation result of underground runoff modulus method is more favorable to the guarantee of construction safety. [Conclusions] This study has certain reference significance for the water inflow prediction of similar long tunnel.

Keywords： extra-long tunnel; water inflow; precipitation infiltration coefficient method; underground runoff modulus method; groundwater dynamic method

0 引言

隧道涌水量預(yù)測是隧道工程領(lǐng)域中的一項重要任務(wù)，尤其對于長大深埋隧道而言，其涌水量預(yù)測是一個涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的復(fù)雜問題［1］，具有影響因素多、計算方法復(fù)雜、模型驗證困難等特點［2］，需要綜合運用地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、計算科學(xué)等多方面的知識和方法，才能得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果［3］。

近年來，許多專家學(xué)者在隧道涌水量預(yù)測方面進行了大量研究，并取得了一定進展。張修杰等［4］引入了實測數(shù)據(jù)擬合的動態(tài)涌水影響半徑，推導(dǎo)出基于涌水影響半徑的涌水量預(yù)測方法；蔡俊華［5］將地質(zhì)預(yù)報和涌水量預(yù)測結(jié)果同施工各因素共同作為施工許可的評價指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)根據(jù)破裂帶涌水預(yù)報建立的施工準(zhǔn)許機制對隧道突水預(yù)報和災(zāi)變防治有顯著的影響；王媛等［6］在建立了達西-非達西流的統(tǒng)一本構(gòu)方程及有限元計算方法的基礎(chǔ)上，對深埋巷道涌水量進行了計算；李錚等［7］提出了在施工過程中不考慮施工擾動影響的涌水量預(yù)報方法，并利用Visual-modflow軟件對該方法進行了數(shù)值模擬和分析；傅鶴林等［8］在考慮到圍巖不均勻的情況下，建立了隧道突涌水的計算模型，并推導(dǎo)出了涌水量和結(jié)構(gòu)外部水壓力的計算公式，最后與現(xiàn)場實測資料進行了比較，驗證了該模型和公式的準(zhǔn)確性；王健華等［9］提出了一種以有限（離散）解析為基礎(chǔ)的涌水綜合預(yù)報方法，并進行了相關(guān)的模擬試驗。

本研究基于青海互助北山特長隧道片巖段實際工程情況，采用三種方法對涌水量進行了預(yù)測研究，為行業(yè)內(nèi)類似工程施工設(shè)計和施工安全提供一定的參考。

1 自然地理情況

青?；ブ铰肪€里程ZK32+470～ZK43+634（左幅）、K32+493～K43+610（右幅）段地形起伏較大，設(shè)計擬以分離式隧道（互助北山特長隧道）形式通過該路段。左幅隧道起點里程為ZK32+470，止點里程為ZK43+634（左幅），隧道全長11 160 m，最大埋深約769.00 m，屬構(gòu)造剝蝕中高山地貌區(qū)。

1.1 地形、地貌

隧道區(qū)海拔高程為2 815～3 699 m，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，相對高差達884 m，工程區(qū)地勢陡峭，天然坡降30°～55°，多為森林類型，植被較為豐富；基巖一般埋深較淺或裸露。

1.2 氣候

本工程研究區(qū)域地處青藏高原東北緣，屬高原半干旱型大陸性氣候，整體上呈現(xiàn)寒長夏短，多風(fēng)少雨，春旱夏涼，秋短冬長，蒸發(fā)量大，日溫差大，雨、熱同時存在等特征。區(qū)域多年平均氣溫-0.3～3.5 ℃，極端最高氣溫24.7～29.3 ℃，極端最低氣溫-33.1 ℃，多年平均年降水量為404.6～506.5mm，年最大降雨量為563.8～695.9 mm。根據(jù)多年以來的氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，區(qū)域內(nèi)氣候條件總體對施工較為有利，但雨季時間較長是影響本項目施工的主要的氣候因素。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造與地震

擬建隧址區(qū)處于構(gòu)造剝蝕淺切割中高山地貌區(qū)，根據(jù)區(qū)域勘察結(jié)果顯示，隧址區(qū)雖未見有活動斷裂性構(gòu)造發(fā)育的跡象，但根據(jù)1∶50 000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，F(xiàn)5斷層為活動性斷裂，如圖1所示。物探資料顯示，破碎帶及其影響帶較寬，為60～80 m。

工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，由于場區(qū)近幾年來斷層的活動特征較弱，且沒有形成中、強地震的可能，因此可以判定場區(qū)處在一個地殼基本穩(wěn)定地區(qū)。

2.2 隧道圍巖分級

依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）中的相關(guān)規(guī)定，隧道圍巖可按照圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正值［BQ］進行劃分，見式（1）。

[BQ=100+3Rc+250 Kv] " " " （1）

式中：Rc為巖石單軸飽和抗壓強度值；Kv為巖體完整性系數(shù)。計算結(jié)果及圍巖分級詳見表1。

綜合分析后，確定互助北山特長隧道圍巖分級劃分為Ⅲ～Ⅴ級，Ⅲ級占34.87%，Ⅳ級占34.06%，Ⅴ級占31.07%。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地表水

隧址區(qū)屬侵蝕構(gòu)造中切割中高山陡坡地貌，在里程約K35+600 m處為元甫溝沖溝，水深為0.20～0.50 m，勘查期間屬豐水期，溝內(nèi)流量1 000.0～2000.0 L/s；在里程約為K34+100 m、K34+900 m、K36+100 m、K36+900 m、K40+000 m、K41+000 m、K42+500 m處均分布有小型溪流，水深約為0.10～0.30 m，勘查期間屬豐水期，溝內(nèi)流量為100.0～400.0 L/s。

3.2 地下水

場地地下水主要有三類：第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水。從整體上看，工程區(qū)水文地質(zhì)情況對隧道施工有很大的影響。

3.3 水文試驗

根據(jù)隧道鉆探任務(wù)要求，勘察階段對各個鉆孔進行了水文地質(zhì)試驗，試驗方法根據(jù)鉆孔實際情況選定。本研究對鉆孔YFG2ZK-1采用注水試驗，YFG2ZK-2采用抽水試驗，YFG2ZK-3、4、6、13采用提水試驗，各鉆孔水文試驗計算成果見表2。

4 隧道涌水量預(yù)測

在綜合分析隧址區(qū)水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，隧道涌水量擬采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法及地下水動力學(xué)法分別進行分析預(yù)測。

4.1 降水入滲系數(shù)法

根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（TB 10049—2004）的要求，采用降水入滲系數(shù)方法對正常涌水量進行估算，計算公式見式（2）、式（3）。

[Q=2.74α×W×A] " " " "（2）

[A=L×B] " " " " " "（3）

以上式中：[Q]為隧道正常涌水量，m3/d，最大涌水量Qmax按正常涌水量的2倍計算；[α]為降水入滲系數(shù)，根據(jù)地層巖性特征采用規(guī)范經(jīng)驗值；[W]為年均降雨量，mm，氣象資料顯示，取最大值695.9 mm；[A]為隧道集水面積，km2；[L]為隧道長度，km；[B]為隧道涌水段的兩面影響寬度，km。

隧道主線長度按右線長度11 117 m計算，影響寬度據(jù)1∶10 000區(qū)域圖上量取約2.0 km。計算結(jié)果為：隧道正常涌水量Q=9 161.63 m3/d，最大涌水量Qmax=18 323.26 m3/d。

4.2 地下徑流模數(shù)法

根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（TB 10049—2004）的要求，采用地下徑流模數(shù)法進行估算，涌水量的計算公式見式（4）、式（5）。

[Q=M×A] " " " " " " （4）

[A=L×B] " " " " " " "（5）

以上式中：[Q]為隧道正常涌水量，m3/d，最大涌水量Qmax按正常涌水量的2倍計算； [M]為利用枯水期流量和相似的集水區(qū)面積來計算的模數(shù)，m3/（d·km2）；[A]為隧道通過含水體地段的面積，km2；[L]為隧道長度，km；[B]為隧道涌水段的兩面影響寬度，km。

隧道分段涌水量計算過程及參數(shù)選取詳見表2，計算可得該隧道正常涌水量Q=11 132.64 m3/d，最大涌水量Qmax=22 265.28m3/d。

4.3 地下水動力學(xué)法

本研究根據(jù)各鉆孔的水文地質(zhì)試驗結(jié)果計算所得滲透系數(shù)，采用裘布依公式法估算隧道各段的正常涌水量，見式（6）。

[Q=LKH2??2Ry?r] " " " " " " "（6）

式中：[Q]為隧道正常涌水量，m3/d；[L]為隧道穿過含水體長度，m；[K]為水文試驗所的滲透系數(shù)，m/d；[H]為洞底以上潛水含水體厚度，m；[?]為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深，m；[Ry]為隧道涌水地段引用補給半徑，m，以[Ry=2S×HK]公式求得；[S]為水位降深，m。

隧道長度按右線長度111 17 m計算，計算結(jié)果為：隧道正常涌水量Q=6 752.32 m3/d，最大涌水量Qmax=13 504.64 m3/d。

4.4 隧道涌水量預(yù)測評價

三種方法計算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，采用降水入滲系數(shù)法計算的隧道主線正常涌水量為9 161.63 m3/d，采用徑流模數(shù)法計算的正常涌水量為11 132.64 m3/d，采用地下水動力學(xué)法計算的結(jié)果則為6 752.32 m3/d，其計算值明顯偏低，而對于降水入滲系數(shù)法，在實際過程中其較適用于埋藏深度較淺的隧道，本研究中互助北山特長隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，埋藏較深，因此采用能反映區(qū)域地質(zhì)條件的徑流模數(shù)法，計算的隧道主線正常涌水量Q=11 132.64 m3/d，最大涌水量為Qmax=22 265.28 m3/d。

5 結(jié)語

本研究針對互助北山特長隧道的復(fù)雜情況，基于勘察報告和相關(guān)行業(yè)規(guī)范的要求，采用降水入滲系數(shù)法、地下徑流模數(shù)法和地下水動力學(xué)法對隧道涌水量進行預(yù)測研究。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，采用徑流模數(shù)法計算的涌水量值最大，且更能反映區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)條件。故選取隧道主線正常涌水量Q=11 132.64 m3/d，最大涌水量Qmax=22 265.28 m3/d。

但在實際工程中，特長深埋隧道的涌水量受到多種因素的影響，包括地質(zhì)條件、氣候條件、圍巖特性、施工方法等。這些因素之間相互影響、相互制約，因此采用地下徑流模數(shù)法計算的結(jié)果不一定就是最安全可靠的，隧道涌水量的預(yù)測還應(yīng)采取各種綜合勘察手段。

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