盧全祥 李軍

涌水是隧洞工程施工中常見的地質(zhì)災害，準確預測隧洞的涌水量對于保證隧洞施工、降低隧洞施工風險及隧洞防排水設(shè)計具有重要意義。目前工程上常用的涌水量計算方法有水均衡法、解析法、比擬法、數(shù)值分析法等。

預測隧洞涌水量的計算過程中，計算參數(shù)的合理性對預測隧洞涌水量結(jié)果的準確性有重要影響。本文就如何進行計算參數(shù)的合理取值進行分析探討。

1 常用公式計算參數(shù)的取值分析

1.1 隧洞通過含水體地段的長度L

當隧洞經(jīng)過非均質(zhì)巖土層或構(gòu)造帶，如下穿水庫、沖溝或穿越斷層、巖性界面等，應根據(jù)不同地質(zhì)情況將整個隧洞分成多個相對均質(zhì)單元，再根據(jù)各單元的具體地質(zhì)特點選用相適應的預測隧洞涌水量公式進行計算，最后求和得到總預測隧洞涌水量，即L總=L1+L2+…+Li、Q總=Q1+Q2+…+Qi（i為正整數(shù)）。

1.2 集水面積A

集水面積A主要用于簡易水均衡法計算，與預測隧洞通過含水體的正常涌水量成正比關(guān)系。公式A=L·B中，影響寬度B需要根據(jù)實際工程情況或工程經(jīng)驗取值。當隧洞通過匯水盆地（洼地、富水構(gòu)造等）時，該盆地面積可用作該段隧洞的集水面積，取其平均寬度作為隧洞涌水影響寬度。當隧洞沿線地表不滿足上述條件時，可根據(jù)TB 10049—2004《鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中的經(jīng)驗式概略預測隧洞一側(cè)涌水影響跨度R值（m），R=215.5+510.5k，式中k為含水體滲透系數(shù)（m/d）；則B=2×0.001R。

1.3 含水體的滲透系數(shù)k

當中等透水巖土體不能通過現(xiàn)場試驗或室內(nèi)土工試驗測得實際的滲透系數(shù)時，建議先采用簡易水均衡法計算預測隧洞正常涌水量Qa，且采用TB 10049—2014《鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程》附錄E中表E.3.3.-2對隧洞最大涌水量Qb進行概略預測，再將上述結(jié)果與使用不同數(shù)量級的滲透系數(shù)k計算得到的預測隧洞涌水量Qc進行比對，結(jié)合工程實際情況進行分析，最后確定滲透系數(shù)k。以上的計算過程中，一般有Qa＜Qc＜Qb。

地下水滲流的垂直或水平方向若有多層滲透系數(shù)ki不相等的含水層，則需要根據(jù)每層含水層的厚度hi或長度li對滲透系數(shù)進行加權(quán)平均，即k=（i為正整數(shù)）。

1.4 與靜止水位有關(guān)的距離參數(shù)

山嶺、盆地等地勢變化明顯的地區(qū)，其地下靜止水位線主要依照地勢的起伏發(fā)生變化，在自然狀態(tài)下處于動態(tài)平衡。對隧洞整體或者單元進行預測隧洞涌水量的計算時，隧洞通過含水體地段長度La的區(qū)域內(nèi)的地下水位并非水平直線。為了計算方便，需要將“變化”的地下靜止水位線轉(zhuǎn)換成“恒定”的靜止水位線，方法建議如下：

在計算長度La區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地面高程單調(diào)遞增或遞減的變化將該區(qū)域劃分為若干子隧洞段Lai，將各子隧洞段最高水位hf及最低水位hg的平均值作為該子隧洞段的中間水位he，即再根據(jù)各子隧洞段的距離對其中間水位hei進行加權(quán)平均得到的hd，作為等價靜止水位，即hd=

2 工程實例計算

珠江三角洲水資源配置工程是從珠江三角洲河網(wǎng)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部的供水工程，為廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)供水。該工程輸水線路由西向東布置，主干線全長90.3 km，采用盾構(gòu)法、鉆爆法、TBM法等工藝施工，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模大（1）型。其中，沙溪至羅田段1#鉆爆隧洞長4.527 km，洞身主要經(jīng)過微風化（微透水）、弱風化（弱透水）花崗巖、后期侵入的脈巖類及斷層破碎帶（中等透水）等。圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主；穿越斷層、風化深槽處洞身圍巖以Ⅳ類為主，局部Ⅴ類。該段隧洞下穿東莞大嶺山，其間沖溝、斷層發(fā)育，大氣降水豐沛，場區(qū)內(nèi)巖土體水力聯(lián)系密切，多年平均年降雨量等值線變幅為1 600～2 600 mm。山間沖溝流水為影響該段輸水隧洞的主要地表水類型；地下水主要以風化裂隙水與構(gòu)造裂隙水為主，其中風化裂隙水與地表水的水力聯(lián)系、補排作用強烈，構(gòu)造裂隙水水量豐富、具有各向異性的特征。

根據(jù)隧洞設(shè)計資料與工程地質(zhì)勘察成果，計算1#鉆爆法隧洞的涌水量，主要計算思路：以斷層破碎帶為界，將該段隧洞劃分為若干子隧洞單元，分別求出各單元的等價靜止水位hd，根據(jù)大島洋志法分別計算各單元和各斷層破碎帶的隧洞單位長度最大涌水量q0，通過佐藤邦明經(jīng)驗式計算得到隧洞單位長度正常涌水量qs，各相應單位長度涌水量與隧洞長度的乘積累加得到1#鉆爆隧洞預測最大涌水量和正常涌水量。采用TB 10049—2014《鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程》附錄E中表E.3.3-2（見表1）對隧洞最大涌水量進行概略預測，將兩種最大涌水量的計算結(jié)果進行對比校驗。

表1 隧洞最大涌水量概略預測 m3/d

1#鉆爆法隧洞穿過區(qū)域性斷裂帶F9及其次生斷層f203、f204等，均為強透水層。根據(jù)1.3節(jié)計算Qa、Qb、Qc并結(jié)合工程經(jīng)驗進行比對，確定區(qū)域性斷裂帶F9的滲透系數(shù)取1×10-3cm/s、其余次生斷層滲透系數(shù)取1×10-4cm/s。

整體隧洞圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，其中Ⅱ類圍巖微透水，滲透系數(shù)取1×10-6cm/s；Ⅲ類圍巖弱透水，滲透系數(shù)取1×10-5cm/s。根據(jù)1.3節(jié)計算得到各子隧洞加權(quán)平均滲透系數(shù)，即ki=具體計算參數(shù)與結(jié)果見表2。

表2 1#鉆爆法隧洞涌水量計算表

按表2對1#鉆爆法隧洞進行評分并累加，概略預測隧洞的最大涌水量，計算結(jié)果：Q0=2 900+0+0+2 730+500+3 140+3 860+0+23+1 607=14 760（m3/d）。由表2可知，通過公式計算得到1#鉆爆法隧洞的預測隧洞最大涌水量為13 936.66 m3/d。兩種計算方法得到預測隧洞最大涌水量數(shù)值較接近，則說明計算方法與成果較可靠。

3 結(jié)語

本文主要針對常用的隧洞涌水量預測計算公式中各主要參數(shù)的取值進行了分析與探討，并以珠江三角洲水資源配置工程中的一段隧洞為例進行隧洞涌水量計算。通過分析總結(jié)，對常用的隧洞涌水量預測計算公式中各主要參數(shù)的取值有以下幾點建議：

（1）隧洞工程洞身穿越的地層一般為非均質(zhì)，在采用經(jīng)驗公式計算隧洞涌水量時，首先需要將總長度為L的工程整體劃分為多個（相對）均質(zhì)的長度為Li的子隧洞單元，再根據(jù)各個單元所處的地質(zhì)情況選取相適應的公式、參數(shù)進行涌水量計算，各單元的預測涌水量之和即為整體隧洞工程的預測涌水量。

（2）集水面積A可根據(jù)經(jīng)驗公式進行計算，即A=0.002L(215.5+510.5k)，L為計算隧洞長度（km）、k為含水體的滲透系數(shù)（m/d）。

（3）確定中等透水巖土體的滲透系數(shù)k時，先用不同數(shù)量級的k值試算隧洞涌水量Qc，再與通過降水入滲法和隧洞涌水量概略預測得出的結(jié)果Qa和Qb進行比對校驗，一般有Qa＜Qc＜Qb，從而確定滲透系數(shù)k的數(shù)量級。對于不同透水性的地層，由各巖土層的滲透系數(shù)ki在水平方向上與隧洞穿越各巖土體的長度或在垂直方向上與各層巖土體的厚度進行加權(quán)平均而得到。

（4）在地下水位線為非水平直線的隧洞單元中，將水位線上的各極大、極小值之差的平均值與相對應的隧洞段長度進行加權(quán)平均，以加權(quán)平均作為等價靜止水位。

（5）對同一隧洞建議采取多種不同公式或方法進行涌水量預測分析，并進行比對校驗；若結(jié)果相差較大，則需分析各主要計算參數(shù)的取值合理性，修正后再重新計算。