超长隧道涌水量预测

蒋 亮，刘远明，杨家曌，尧 林

(1.贵州高速公路集团有限公司 贵阳市 550001； 2.贵州大学 土木工程学院 贵阳市 550025；3.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳市 550081)

0 引言

桐梓隧道是兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段(贵州境)扩容工程控制性工程，为分离式双向六车道大跨度隧道，左幅起止桩号为 ZK34+508～ZK45+005，长10497 m，进出口底板标高分别为895.87m、1079.35m，最大埋深649m；右幅起止桩号为 YK34+530～YK45+015，长10485m，最大埋深约639.07m，进出口底板标高分别为896.30m、1079.25m；隧道纵坡为2%。桐梓隧道长度大于10000m，是贵州省境内第一条超长高速公路隧道。

若处治不当， 隧道易发生涌水、突水以及突泥灾害，不仅导致工程重大损失、工期延误, 甚至造成人员伤亡。文献[1-10]详细分析了隧道涌水量预测方法特点，提出了合理隧道涌水量预测的建议。桐梓隧道施工分为两个标段，出口施工标段面临长距离反坡排水问题。正确地预测隧道涌水量有助于合理预防隧道涌突水灾害和节省工程费用。

经现场实际调查、地质资料收集和详细分析，并在现场进行深孔压水试验获取渗透系数。按照文献[1]要求，结合文献[11]提出的不同预测方法，分别采用大气降水入渗法、地下径流模数法、古德曼经验式法、铁路规范经验式对桐梓隧道涌水量进行了预测。预测的隧道涌水量可作为桐梓隧道设计和施工的依据，也可为同类工程提供参考。

1 水文地质概况

桐梓隧道穿越的褶皱构造有东山背斜、高桥向斜、茅坝向斜，穿过的断裂主要为开肩堡断层、令狐家垭口断层、出水孔断层和夜猫洞断层。测区地处松坎河、桐梓河和清溪河的上游，分别属长江流域綦江水系、赤水河水系与乌江水系。松坎河、桐梓河和清溪河差异较大，但均为山区雨源型河流，主要由降水补给径流，局部地下水有一定调节作用。场区属亚热带季风气候区，年均气温 14.7℃，极端最高 36.6℃，极端最低-6.9℃；多年平均降水量1037.3mm，年最大降雨量 1374mm，最大日降雨量173.3mm。隧址区地表无常年地表径流。因山体高程落差大，地形坡度较陡，地表水分散排泄速度快，仅在雨季因降水及泉点水出露排泄于冲沟内集中径流，形成短浅溪流。以地表分水岭为界，重庆端地表径流流入松坎河，遵义端流入桐梓河。

隧址区地层众多，岩性多样，组合复杂。上覆第四系土层分布零星，厚度不大。出露的基岩有：三叠系下统茅草铺组(T1m)灰岩、夜郎组灰岩(T1y )泥岩夹泥灰岩，二叠系上统长兴组(P3c)灰岩、龙潭组(P3l)煤系地层，二叠系中统茅口组(P2m)灰岩、二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩夹炭质泥岩，志留系中统韩家店组(S1h)泥岩、石牛栏组(S1sh)泥质泥岩、下统龙马溪组(S1l)泥质灰岩与泥岩互层，奥陶系中上统五峰组(O3w)、涧草沟组(O3j)、宝塔组(O2b)灰岩，奥陶系下统湄潭组(O1m)粉砂质泥岩夹灰岩。隧道穿越的碳酸盐岩地层有二叠系中统栖霞组-茅口组(P2q-m)灰岩，二叠系上统长兴组(P3c)灰岩，三叠系下统夜郎组(T1y)灰岩，三叠系下统茅草铺组段(T1m)灰岩。岩溶发育形态主要为岩溶洼地、落水洞、溶洞、溶隙及暗河管道，受岩性和构造限制，多呈带状和块状出现。

区内出露地层多样，根据地层岩性及其组合特征、地下水赋存条件、水理性质和水力特征，将区内地下水类型分为碳酸盐岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水，以碳酸盐岩岩溶水为主。

地表分水岭与地下分水岭总体一致，依据地表分水岭及水文网所起的控制作用， 将区内分为三个水文地质区：松坎河流域水文地质区(Ⅰ)、桐梓河流域水文地质区(Ⅱ)、清溪河流域水文地质区(Ⅲ)，再按构造单元、地貌形态类型，划分为 7 个亚区，亚区边界是以隔水岩层和阻水断层为界，见图1。

2 桐梓隧道渗透系数试验

结合桐梓隧道区水文地质情况，选择有代表性钻孔 ZK5(YK35+782左8m)、ZK6( ZK37+990右10m)、ZK7 (ZK42+395左8m)进行压水试验，以获取各岩性段渗透系数。

参照文献[12]进行压水试验，采用三级压力五个压水段进行，即按 P1—P2—P3—P4(=P2)—P5(=P1)进行，P1、P2、P3 压力级分别为 0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa。安装好实验设备后，每隔 5min 进行一次观测，当相邻读数之差小于最终读数 10%时结束本次观测。采用文献[12]附录D式D.1计算岩石的渗透系数，试验压力按照 1m=9.8kPa 进行折算。

根据桐梓隧道围岩情况，将桐梓隧道划分为40段分别计算渗透系数，其中YK44+055～YK44+290段渗透系数最小为0.012，YK42+315～YK42+395段渗透系数最大为0.435。

3 桐梓隧道涌水量预测

隧道各段涌水量采用降水入渗法、地下径流模数法、古德曼经验式法、铁路规范经验式进行预测，并对各方法预测结果进行对比分析。

3.1 大气降水入渗法

Q=2.74α·W·A

(1)

式中：Q—隧道通过含水岩体地段的涌水量(m3/d)；

α—降水入渗系数；

W—降雨量；

A—隧道通过含水体的地下集水面积(km2)。

通过现场水文试验并结合相关经验值选取降水入渗系数，降雨量选桐梓隧道区内日最大降水量173.3mm。隧道各段涌水量采用大气降水入渗法，计算结果见表1。将各段降雨量累加得隧道最大涌水量为202093m3/d。

表1 大气降水入渗法计算隧道涌水量

3.2 地下径流模数法

Q=86.4×M×A

(2)

式中：Q—隧道通过含水岩体地段的涌水量(m3/d)；

M—地下径流模数(l3/(s·km2))；

A—隧道通过含水体的地下集水面积(km2)。

根据《桐梓幅1∶20万区域水文地质调查报告》及相关经验选取隧道区域最大径流模数。根据隧道地下水汇水范围，在1∶1万地形地质图上量测汇水面积。桐梓隧道各段涌水量采用地下径流模数法计算结果见表2。桐梓隧道最大涌水量为189119m3/d。

表2 地下径流模数计算隧道涌水量

3.3 古德曼经验式

(3)

式中：Q—隧道通过含水体底端的最大涌水量(m3/d)；

K—含水体渗透系数(m/d)；

H—静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离(m)；

D—洞身横断面等价圆直径(m)；

L—隧道通过含水体的长度(m)。

根据围岩情况，将桐梓隧道划分为40段，洞身横断面等价圆直径取为22m。各段含水体渗透系数根据水文地质试验所得数据及相关经验综合取值，静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离根据各钻孔的稳定水位及水流坡度综合确定。

按古德曼经验式法预测隧道正常涌水量排前5的隧道计算结果见表3。

表3 古德曼经验式法预测隧道涌水量

将桐梓隧道40个段预测涌水量相加可得到总涌水量。通过各段预测涌水量累加，按古德曼经验式法预测隧道涌水量为192467m3/d。

3.4 铁路经验公式法

(1)按铁路经验公式I预测正常涌水量见式(4)

Q0=KH(0.676-0.06K)·L

(4)

式中：Q0—正常涌水量(m3/d)；

K—含水体渗透系数(m/d)；

H—静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离(m)；

L—隧道通过含水体的长度(m)。

(2)按铁路经验公式II预测最大涌水量见式(5)

Q=(0.0255+1.9224KH)·L

(5)

式中：Q—最大涌水量(m3/d)；

K—含水体渗透系数(m/d)；

H—静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离(m)。

同样地，将桐梓隧道划分为40段，各段含水体渗透系数、静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离的取值与古德曼经验式法相同。

按铁路经验式法I预测隧道正常涌水量排前5的计算结果及按铁路经验式法II预测隧道最大涌水量排前5的计算结果见表3。

表4 铁路经验式法预测隧道涌水量

将桐梓隧道40段预测涌水量相加可得到总涌水量。通过各段预测涌水量累加，按铁路经验公式I预测隧道正常涌水量为82256m3/d，按铁路经验公式II预测隧道最大涌水量为238955m3/d。

4 桐梓隧道涌水量预测分析

将大气降水入渗法、地下径流模数法、古德曼经验式法、铁路规范经验式预测隧道最大涌水量列入表5。

表5 隧道涌水量表(单位： m3/d)

由表5可见：

(1)铁路经验公式法预测的隧道最大涌水量值最大，降水入渗法次之，古德曼经验式法再次之，地下径流模数法预测的隧道涌水量值最小。预测的隧道最大涌水量值介于189119～238955m3/d。

(2)地下径流模数法、古德曼经验式法、大气降水入渗法等预测隧道最大涌水量较为接近。

(3)桐梓隧道涌水量很大，在设计和施工中应引起重视。特别是YK39+480～YK39+970段、YK41+425～YK41+545段涌水量、YK42+395～YK43+180段局部涌水量大，施工中应做好超前预报工作，采取合理措施，防止涌突水灾害。

5 结论

通过分析桐梓隧道区域地质及水文地质条件，并按水文地质条件进行区段划分，选择降水入渗法、地下径流模数法、古德曼经验式法、铁路规范经验式等方法进行计算，并相互核对，确定桐梓隧道涌水量。

(1)依据地表分水岭及水文网所起的控制作用，将桐梓隧道区分为三个水文地质区，再按构造单元、地貌形态类型，划分为 7 个亚区，亚区边界是以隔水岩层和阻水断层为界。

(2)选取桐梓隧道区内日最大降水量(173.3mm)，按照隧道围岩特性先计算隧道各段涌水，然后汇总得整个隧道涌水量。

(3)铁路经验公式法预测的隧道最大涌水量为238955m3/d，是4种方法预测隧道最大涌水量中最大的；地下径流模数法预测的隧道最大涌水量为189119m3/d，是4种方法预测隧道最大涌水量中最小值。

(4)对于YK39+480～YK39+970段、YK41+425～YK41+545段涌水量、YK42+395～YK43+180段局部涌水量大，施工中应做好超前预报工作，采取合理措施，防止涌突水灾害。