羅雲豐， 鄭 捷， 魏良帥

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質調查局地質災害防治技術中心,四川 成都 611734； 3.電子科技大學成都學院，四川 成都 611731)

0 引言

隧道涌水量的預測計算方法很多，如水理統(tǒng)計法、水平衡法、地下水動力學法、地下徑流模數(shù)法等[1-5]，但目前對其進行精確的預測難度還比較大，主要是因為隧道作為一個復雜開放的非線性系統(tǒng)，人們對其的認識還不夠充分和完善，所以隧道涌水量的預測不僅僅是單一因素就能解決，必須采用多種方法相結合，多種學科交叉的手段，才能提高預測精度[6-8]。張雷等[9]系統(tǒng)地闡述了隧道涌水量預測的各種方法，從各種方法的原理出發(fā)，闡明了它們的優(yōu)缺點和適用條件及其工程應用情況。王建秀等[10]結合工程實例采用正演和反演方法計算了隧道涌水量，得到本質上不同的結果。林傳年等[11]從巖溶蓄水模式角度揭示巖溶區(qū)易發(fā)生涌水的構造機制，指出當前地質超前預報手段在涌水預報方面存在的問題。郭玉法等[12]用數(shù)值模擬方法進行了某隧道涌水的預測研究，認為數(shù)值模擬方法是進行隧道涌水量預測的有效方法。曹廷[13]采用降水入滲法和地下水動力學法計算了隧道涌水量。吳治生[14]根據(jù)淺埋巖溶長隧道涌水量及地表泉的長期觀測資料，利用反演推導得出新的方法。

筆者以牛欄江—滇池引水工程中大五山隧段及大公山隧道段為例，在詳細了解研究區(qū)水文地質的差異條件下，以巖溶地區(qū)隧道涌水量預測的理論研究現(xiàn)狀為基礎，系統(tǒng)地分析了2種隧道涌水量預測方法的影響因素、優(yōu)缺點以及適用范圍和條件，針對涌突水的預測準確性，提出了相應較合理的對比分析，根據(jù)最終的分析結果，可為此后在同類巖溶隧道中的涌水預測研究提供借鑒。

1 地質環(huán)境條件

研究區(qū)位于滇東巖溶高原，海拔2000～3000 m，在云南省昆明市東北部尋甸縣與昆明市之間，為云南高原的主體部分，屬金沙江、南盤江、元江流域的分水嶺地帶[15]。

大五山及大公山引水隧道所在區(qū)域地貌的形成經過了地質歷史上的多次構造變動，直到中生代三疊紀才逐漸升高形成陸地。燕山運動時期發(fā)生褶皺、斷裂并形成盆地，至中新世完成夷平階段。上新世末、更新世初期，伴隨著青藏高原的巨大隆起，開始大面積差別上升。在差別上升相對穩(wěn)定階段，以剝蝕為主，高原面上發(fā)育了一些盆地。以后，地面陸續(xù)上升，河流下切，形成連綿起伏的中山地貌，山脊頂部保留有殘存高原面。區(qū)內地層出露較齊全，從元古界薊縣系-新生界第四系均有出露。研究區(qū)的地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，以碳酸鹽為主。由于地質構造和地層巖性的控制作用，地表巖溶較為發(fā)育，巖溶洼地常常形成負地形。優(yōu)越的地表匯水條件，使巖溶地下水的循環(huán)徑流交替作用更為強烈，地下暗河和溶洞在宰格組(D3zg)和陽新組(P1y)的灰?guī)r中發(fā)育最多，研究區(qū)多年的平均氣溫只有14 ℃，四季溫差小，晝夜溫差大，年平均降雨量為1360 mm，降雨量在季節(jié)上分配較為不均，枯季(10月-次年4月)降水量占15%，雨季(5-10月)降水量占85%。

水文條件上研究區(qū)屬金沙江水系，其中牛欄江是金沙江右岸較大的一級支流，發(fā)源于昆明市官渡區(qū)流經云南省嵩明、馬龍、尋甸、曲靖、沾益、宣威、巧家、魯?shù)椤⒄殃枀^(qū)等11個縣(區(qū))及貴州省威寧縣，在昭通麻砂村匯入金沙江。

2 隧道涌水量預測方法及結果

2.1 預測方法

首先利用大氣降雨入滲系數(shù)法及地下水徑流模數(shù)法兩種預測方法對大公山隧洞及大五山隧洞進行涌突水整體預測。部分隧段結合地下水動力學法，包括大島洋志公式、科斯加可夫公式以及鐵路勘測規(guī)范中經驗公式共同得出預測結果推薦值。

2.2 隧道涌水量預測結果

大公山隧洞K00+000～K10+809與K14+940～K26+997段正常涌水量為81331 m3/d，單位長度穩(wěn)定涌水量最大值出現(xiàn)在2號支洞暗河-F5段K6+100～945處，其值為0.000358 m3/(s·m)；采用地下水徑流模數(shù)法預測正常涌水量為81112 m3/d，單位長度正常涌水量最大值也出現(xiàn)在該段，值為0.000366 m3/(s·m)。以上預測分析是基于理想狀態(tài)下均質含水層的結果。在汛期，巖溶管道及溶洞水在暴雨-大暴雨工況下極速增加，施工過程中具有極高的危險性。

大五山隧洞推薦隧道正常涌水量151742 m3/d，最大涌水量269514 m3/d，單位長度正常涌水量7.01 m3/d。其中推薦進出口淺埋段K9+055～K17+679和K29+091～K30+702段采用大氣降水入滲法得出的涌水值，正常涌水量分別為98012、7500 m3/d，最大涌水量分別為196023、14999 m3/d。

3 隧洞涌突水預測準確性及其影響因素分析

3.1 實際涌突水情況

施工完成后，大公山隧洞、大五山隧洞全長61362.25 m，實際涌水量15562 m3/h。出水支洞總計26個，進出口段4個，其中共有8個支洞、2個進口段、1個出口段預測準確性極高(見表1)，大大超出目前國內預測平均水平(見表1)其中大公山隧洞8號支洞，大五山隧洞4號支洞、6號支洞、8號支洞涌水量>1000 m3/h出水量較大，水量豐富。大公山隧洞支洞實際涌水量<500 m3/h的支洞占78%，實際涌水量處于500～1000m3/h的支洞占15%，實際涌水量>1000 m3/h的支洞占7%。大五山隧道各支洞中，實際涌水量<500 m3/h的支洞占47%，實際涌水量處于500～1000 m3/h的支洞占35%，實際涌水量>1000 m3/h的支洞占18%。

表1 大公山及大五山隧洞涌水量統(tǒng)計

3.2 隧洞涌突水量預測準確性對比分析

由隧洞涌突水量預測結果與實際隧洞涌突水量進行對比分析可知，大公山隧洞和大五山隧道的實際涌水量較預測涌水量偏小30%。其中，大公山隧洞實際涌水量較預測涌水量偏小57%，大五山隧洞實際涌水量較預測涌水量偏小6%。因此大公山隧洞的預測準確率明顯低于大五山隧洞(見圖1、圖2)。

圖1 大公山隧洞預測涌水量與實際涌水量比值圖

圖2 大五山隧洞預測涌水量與實際涌水量比值圖

3.3 隧洞涌突水預測準確性影響因素分析

3.3.1 地質背景條件差異

3.3.1.1 地層巖性特征及地質構造的影響

不同地層條件對預測結果準確性影響進行分別討論具體情況見表2。

由于巖溶現(xiàn)象在不同地層的發(fā)育情況不同，導致用相同的預測方法所得結果的準確性差距明顯，寒武系地層中的預測結果相對準確率較高。二疊系下統(tǒng)陽新組(P1y)、石炭系中統(tǒng)威寧組(C2+3)地層中的支洞預測結果與實際涌突水結果均偏大。其余穿過多個巖層的支洞，沒有明顯規(guī)律。由此在巖溶發(fā)育的長大隧洞涌突水預測中，建議其預測水量推薦值可據(jù)地層條件的不同按比例減小或增大。結合本次工程實例，在巖性比較單一的隧段可用隧洞涌突水量修正公式對預測結果進行修正。

表2 不同巖性對涌水量預測準確性的影響

A=Qα

式中：A——涌突水預測量修正值，m3/d；Q——隧洞正常涌水量計算值，m3/d；α——修正系數(shù)，峨眉山玄武巖(P2β)地層、統(tǒng)陽新組(P1y)地層、威寧組(C2+3)地層、宰格組(D3zg)地層、寒武系地層的修正系數(shù)分別為：0.78、0.47、0.52、0.65、1。

3.3.1.2 研究區(qū)水文地質單元劃分的影響

水文地質單元是根據(jù)水文地質條件的差異性而劃分的若干個區(qū)域。對于隧洞內的涌水情況，通過對巖溶地下水系統(tǒng)的研究，大致可以確定各巖溶地下水系統(tǒng)對隧洞涌水量的影響，水文地質單元的范圍確定一般由現(xiàn)場探勘并結合當?shù)厮牡刭|報告中得出，其影響范圍人為劃分計算所得。由于研究區(qū)處于巖溶非常發(fā)育的地區(qū)，雖然在總體上能對其水文地質單元進行劃分，但由于巖溶地區(qū)地下巖溶發(fā)育情況是極為復雜的，導致其在具體支洞預測時準確性不高。只有在準確劃分巖溶水文地質單元的基礎上，結合一些其它的研究，方能較為準確地對隧洞涌水量進行預測。

3.3.2 研究區(qū)涌突水預測方法選取

大公山與大五山隧洞都分別用不同方法對各地層進行了涌水量預測，但在其預測結果最終選取上，大公山隧洞各支洞涌突水量推薦值以大氣降雨入滲法所得結果為主，地下水動力學法所得結果為輔。而大五山隧洞則與之相反，其推薦值以地下水動力學法所得結果為主大氣降雨入滲法所得結果為輔。結合施工完成后實際涌突水情況可以看出大五山隧洞的預測準確性更高。因此，每種預測方法都有自己使用條件，在具體情況下，要綜合分析其水文地質情況，選擇分析其最適方法，這樣才能得出更準確的預測結果。

3.3.3 研究區(qū)涌突水計算參數(shù)選取

只要根據(jù)實際情況準確地選取技術參數(shù)，計算結果的準確性一定會提高。但是如何準確地選取計算參數(shù)又是一個相當復雜的過程。如隧洞涌水影響半徑R的確定，由于其地層的復雜多變性，在一個水文地質單元內，統(tǒng)一的選用一個含水層滲透系數(shù)便不能對其影響半徑進行正確的評估，因此要綜合考慮研究區(qū)的各種水文地質條件，進行合理細分和取值。所以，只有結合實際情況，對隧址影響范圍內的各種基本參數(shù)進行更加準確的確定，才能保證預測的準確性。

3.3.4 研究區(qū)隧道涌水影響范圍確定

根據(jù)調查人員現(xiàn)場地質調查的結果，再結合具體公式對隧道涌水的影響范圍進行劃分，故涌水影響范圍的確定存在自然因素(客觀因素)和人為因素的干擾。

3.3.4.1 自然因素(客觀因素)

巖溶地區(qū)構造復雜多變，而前期基礎地質調查、鉆孔勘查局限性較大，難以查明巖溶地區(qū)的地層巖性、地質構造、巖溶發(fā)育特征，而最重要的巖溶地下水含水巖組類型、特點、補徑排條件、水力聯(lián)系系統(tǒng)等水文地質條件都難以準確確定，因此其影響范圍的確定往往偏大或偏小。

3.3.4.2 人為因素

在隧洞建設過程中和隧洞建設完成后，由施工對原始地層造成的人為變動，必然導致其地下水與周圍環(huán)境之間水力聯(lián)系發(fā)生改變。在計算過程中必須考慮不同時期的影響范圍，具體量化。

4 結論

(1)大公山隧洞和大五山隧道的實際涌水量較預測涌水量偏小30%。其中，大公山隧洞實際涌水量較預測涌水量偏小57%，大五山隧洞實際涌水量較預測涌水量偏小6%。因此大公山隧洞的預測準確率明顯低于大五山隧洞。

(2)影響巖溶隧洞涌突水預測準確性的五大主控因素分別為：研究區(qū)地層巖性及地質構造、水文地質單元的劃分、涌突水預測方法的選取、計算參數(shù)的選取、隧道涌水影響范圍的確定。其中研究區(qū)地層巖性、預測方法及計算參數(shù)的選取的影響最為明顯，地層巖性的不同，直接影響計算過程中隧道涌水影響范圍的確定，從而對計算參數(shù)和預測方法的選取產生進一步影響，應根據(jù)不同地層選取不同預測方法及計算參數(shù)，最后通過修正系數(shù)進行涌水量最終確定。

(3)建議其預測水量推薦值可據(jù)地層條件的不同按比例減小或增大。結合本次工程實例，在巖性比較單一的隧段可用隧洞涌突水量修正公式A=Qα對預測結果進行修正，針對峨眉山玄武巖(P2β)、統(tǒng)陽新組(P1y)、威寧組(C2+3)、宰格組(D3zg)、寒武系地層，修正系數(shù)分別為0.78、0.47、0.52、0.65、1。從而整體提高巖溶地區(qū)長大隧洞涌突水預測準確性。