恒山隧道施工涌水量计算及分析

刘军伟

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

1 工程概况

恒山隧道工程区位于浑源县城东南约4 km，隧道进口位于浑源县大磁窑村东南，出口位于浑源县东坊城乡芦子洼村附近，隧道位于二者之间的低中山区，隧道设计为分离式，左、右线洞径均为10 m，左右洞线间距30 m，隧道总长5.17 km，隧道底板最大埋深290 m.隧道总体走向为N68.4°W.

2 地质条件概述

根据隧道所经地层岩性及其透水性、钻孔岩芯及水文地质测试结果、节理裂隙及断层发育情况、地下水埋藏条件等情况，将恒山隧道分为6个水文地质段，说明如下：

1）左线桩号 ZK84+150～ZK84+670（右线桩号 K84+150～K84+680）段

隧道所经地层岩性主要为奥陶系中统下马家沟组（O2x）灰岩、泥灰岩，之上为石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）泥岩、页岩夹砂岩、灰岩、煤层。洞顶围岩厚20～80 m.在左线桩号ZK84+365（右线桩号K84+440）附近发育F43正断层，断面产状N55°W/SW∠79°，与隧道呈小角度相交，断距25 m，破碎带宽度2 m，断层延伸长度超过450 m.在左线桩号ZK84+670（右线桩号K84+680）附近发育F62推测逆断层，断面产状：N5～15°E/SE∠85°，断距约 70 m，破碎带宽约 3 m.隧道多位于地下水位以下，一般地下水位高于洞底20～56 m.该段地下水类型主要为碳酸盐岩类岩溶裂隙水，水质类型为HCO3-Ca型水，建议渗透系数为0.212 m/d.

2）左线桩号ZK84+670～ZK85+440（右线桩号K84+680～K85+460）段

隧道所经地层岩性为石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）、上统山西组（C3s）泥页岩、砂岩、砾岩及煤层。洞顶围岩厚 32～140 m.在左线桩号 ZK84+790（右线桩号K84+780）附近发育F42正断层，断面产状：N22～30°E/NW∠65°～80°，断距25～35 m，破碎带宽约4 m.在左线桩号ZK85+440（右线桩号K85+460）附近发育F29正断层，断面产状：N30～60°W/NE∠81°～84°，断距约 25～120 m，破碎带宽6～18 m.隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底30～80 m.该段地下水类型主要为煤系地层碎屑岩类裂隙水，水质类型为SO4-Ca型水，建议渗透系数为0.095 m/d.

3）左线桩号ZK85+440～ZK86+500（右线桩号K85+460～K86+470）段

隧道所经地层岩性主要为奥陶系中统下马家沟组（O2x）灰岩、泥灰岩，之上为石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）、上统山西组（C3s）泥页岩、砂岩、砾岩及煤层。洞顶围岩厚3～165 m，左线桩号在ZK85+850（右线桩号K85+900）段洞顶围岩较薄，最薄处约3 m.在左线桩号ZK85+670（右线桩号 K85+690）发育 F31 逆断层，断面产状：N40°W/NE∠36°，断距约25～35 m，破碎带宽约15 m，与隧道小角度相交。在左线桩号ZK85+780附近发育F35正断层，断面产状：N40°～60°E/SE∠53°～72°，断距约 90 m，破碎带宽约 2 m.在左线桩号ZK86+000（右线桩号K85+950）附近发育F34逆断层，断面产状：N82°E/SE∠60°，断距约 20 m，破碎带宽 2～5 m.在左线桩号ZK86+150～165（右线桩号K86+140～155）段发育F32逆断层及F33逆断层，两断层在该段互相切割，断面倾向隧道出口方向，倾角约75°，破碎带宽5～10 m，影响带可能较宽。隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底10～140 m.该段地下水类型主要为碳酸盐岩类岩溶裂隙水，水质类型为HCO3-Ca型水。该段为一断层密集分布带，可能产生突水、突泥现象。

4）左线桩号ZK86+500～ZK87+470（右线桩号K86+470～K87+450）段

隧道所经岩体地层岩性为为石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）、上统山西组（C3s）泥页岩、砂岩、砾岩及煤层。其上覆有侏罗系中统髫髻山组（J2t）凝灰岩、凝灰角砾岩及安山岩。洞顶围岩厚105～270 m.隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底50～235 m.该段地下水类型主要为煤系地层碎屑岩类裂隙水，水质类型为SO4-Ca型水，建议渗透系数为0.114 m/d.

5）左线桩号ZK87+470～ZK87+880（右线桩号K87+450～K87+865）段

隧道所经地层岩性为侏罗系中统髫髻山组（J2t）凝灰岩、凝灰角砾岩及安山岩。洞顶围岩厚100～210 m.在左线桩号在ZK87+880（右线桩号K87+865）附近发育F22平移正断层，断面产状：N40°～60°W/SW∠70°～90°，断距较大，破碎带宽5～8 m.隧道位于地下水位以下，地下水位高于洞底86～168 m.该段地下水类型主要为岩浆岩类裂隙水，水质类型一般为HCO3-Ca型水，建议渗透系数为0.054 m/d.

6）左线桩号ZK87+880～ZK89+400（右线桩号K87+865～K89+400）段

隧道所经地层岩性为白垩系下统芦子洼组（K1l）紫红色-棕红色泥岩与灰黑色-灰紫色砾岩。洞顶围岩厚6～90 m.在左线桩号ZK88+955（右线桩号K88+960）附近发育F60正断层，断面产状：N73°E/SE∠70°。隧道多位于地下水位以下，地下水位高于洞底0～80 m.该段地下水类型为非煤系地层碎屑岩类裂隙水，水质类型为HCO3-Na型水，建议渗透系数为0.053 m/d.

3 隧道涌水量分段计算

准确预测隧道涌水量一直是国内外隧道建设的难点，目前尚无成熟的方法。现根据隧道区水文地质条件进行涌水量粗略估算。

恒山隧道均在基岩中穿过，根据赋水介质水文地质分区及构造等，将隧道区大致分为6段，分别采用水平坑道涌水量计算法和降水入渗系数法两种方法对其涌水量进行预测。

3.1 水平坑道涌水量计算法

1）计算公式

根据隧道所在的水文地质情况，采用《水文地质手册》中潜水非完整式水平坑道计算公式1［1］，对隧道各段涌水量进行预测。

式中：Q—预测涌水量，m3/d；

B—隧道长度，m；

H1—由隧道左线路肩起算的含水层厚度，m；

H2—由隧道右线路肩起算的含水层厚度，m；

R1—隧道左线排水影响宽度，m；

R2—隧道右线排水影响宽度，m；

b—隧道宽度，m；

S—平均降深，m；

T—坑底至隔水底板距离，m；

让未成年人强调“自我保护”的意识绝不意味着“自私”，这是尊重客观规律的表现。我们提倡见义勇为，要提倡的是一种精神，人与人之间的一种关爱，而不是冷漠，这对于改善社会风尚，树立高尚道德情操，是必须的。救人的行为值得尊敬，但这决不意味着要让他们盲目地、鲁莽地行动，受到不必要的伤害。

k—隧道围岩渗透系数，m/d.

隧道排水影响宽度采用《水利水电工程钻孔抽水试验规程》中潜水含水层抽水试验影响半径计算公式进行估算。

式中：R—排水影响宽度，m；

S—平均降深，m；

K—围岩渗透系数，m/d；

H—含水层厚度，m.

2）参数选取及估算结果

隧道为双向线隧道，假定二隧道间地下水贮存量已被抽完，隧道宽度b取值50 m，其它参数取值如下：各段隧道水平长度B（m）由各段桩号差求得；各段隧道左右线含水层厚度H1、H2（m）由横剖面量取相对隔水层以上含水层；各段降深S（m）按水位降至洞底以下1 m控制。各段渗透系数根据各水文地质分区中试验数据，再考虑各段构造发育情况给出建议值。计算示意剖面图见下图1，计算结果见表1.

图1 计算示意剖面图

表1 各段隧道参数取值及涌水量计算结果表

由表1计算结果可以看出，左线桩号ZK85+440～ZK86+500（右线桩号K85+460～K86+470）段为可能的涌水量最大地段，该段由于断层发育还要考虑突水、突泥的可能性。采用水平坑道法计算隧道总涌水量约为23 787 m3/d.

3.2 降水入渗系数法

1）计算公式

隧道处于山区，大气降水是其补给源，隧道涌水量与大气降水入渗量有密切的相关关系，故采用隧道集水区入渗量近似估算隧道涌水量，计算采用降水入渗系数法。

式中：Q—计算涌水量，m3/d；

α—入渗系数；

ω—年降水量，mm；

A—隧道集水面积，km2.

2）参数选取及计算结果

入渗系数（α）：该隧道基岩大多裸露，地形条件变化较大，降水入渗系数主要受地形、岩性及构造影响，隧道沿线入渗系数并不均匀。由于隧道段集水面积难以分段区分，故区段降雨入渗系数按一个值概括，根据大同市水资源调查评价资料，浑源县多年平均入渗系数为0.18，从隧道区地形地貌条件分析，其基岩裸露、断层构造发育，地层岩性以砂页岩及灰岩为主，建议入渗系数按0.22考虑。年降雨量（ω）：根据大同市水资源调查评价资料，浑源县1956～2000年多年平均降水量为408.2 mm.隧道集水面积（A）：从1/50000地形图上量取，隧道区集水面积约41 km2.

根据上述参数取值，采用降水入渗系数法计算该隧道区涌水量为10 089 m3/d.

4 估算结果分析

由水平坑道法计算隧道区涌水量为23 787 m3/d，入渗系数法计算隧道区涌水量为10 089 m3/d，二者有一定差异。两种方法计算结果与计算方法本身考虑因素及参数选取有关。

水平坑道法计算主要影响因素有：①将隧道区含水层近似视为均质含水层，而隧道区含水层实际多为非均质。②隔水底板的选取对估算结果影响较大。③隧道区各段渗透系数取值代表性的影响。

入渗系数法计算主要影响因素有：①只考虑降水补给量，未考虑原有含水层贮存量，从这个角度考虑其值偏小。②集水面积有一定人为误差。③隧洞部分地段在降排水量大时有可能引起唐峪河水倒渗，计算时未考虑这一因素。

两种计算方法均存在一定误差，总体上看，水平坑道法考虑了隧道区围岩含水层的厚度、渗透性、水位变幅等因素，较入渗系数法更接近实际情况。在隧道设计及施工时建议隧道区涌水量采用水平坑道法的计算结果。

［1］地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册［M］.北京：地质出版社，1983：724.