铁路岩溶隧道涌水量预测常用方法的比较

贺玉龙，张光明，杨立中

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031)

我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，岩溶主要分布在南方地区。其中四川、云南、贵州、重庆、广西、湖南、湖北和广东8省市的岩溶分布面积占总面积的38.1%，根据铁道部《中长期铁路网规划》(2008年调整)，在未来的十年内将有大量的铁路在上述省市修建。岩溶地区铁路隧道施工过程中经常会遇到涌水、突水灾害，不仅导致工程重大损失、破坏生态环境，甚至造成人员伤亡。如渝怀铁路圆梁山隧道，宜万铁路马鹿箐隧道、野三关隧道、大支坪隧道在施工过程中均发生了大规模涌水和突水。因此预防涌突水灾害成为岩溶隧道施工中的重要工作，而前提是要能够准确地预测隧道涌水量，正确选取涌水量预测方法是这项工作的关键。本文在对成贵铁路两座岩溶隧道涌水量预测的基础上，对目前铁路岩溶隧道中常用的几种涌水量预测方法进行了比较分析。

1 铁路岩溶隧道涌水量预测常用方法

目前铁路岩溶隧道常用的涌水量预测方法有两类:简易水均衡法和地下水动力学法。简易水均衡法是目前铁路隧道涌水量预测的一种主要方法，它以质量守恒定律为理论基础，根据水均衡原理查明隧道施工期水均衡的各收入、支出部分之间的关系进而获得施工段的涌水量。常用的简易水均衡法有地下径流模数法和降水入渗法。

地下径流模数法

式中，Qs为隧道通过含水地段的正常涌水量，m3/d;M为地下径流模数，L/(s·km2);A为计算块段集水面积，km2。

降水入渗法

式中，α为降水入渗系数;W为年降水量，mm。

地下水动力学法又称解析法，是根据地下水动力学原理用数学解析的方法对给定边界值和初值条件下的地下水运动建立解析式，而达到预测隧道涌水量的目的。在实际工程中，人们根据隧道工程的特点，结合裘布依稳定流公式和泰斯非稳定流公式，总结出了众多隧道涌水量预测经验公式。铁路岩溶隧道常用的有古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式、裘布依理论式、佐藤邦明经验式以及正常涌水量和最大涌水量经验式。

裘布依理论式

式中，L为隧道通过含水体长度，m;K为含水体渗透系数，m/d;H为洞底以上潜水含水体厚度，m;h为洞内排水沟假设水深，m;Ry为涌水地段的引用补给半径。

古德曼经验式

式中，Q0为隧道通过含水地段的最大涌水量，m3/d;H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m;d为洞身横断面等价圆直径，m。

佐藤邦明非稳定流式

式中，q0为隧道通过含水体地段单位长度最大涌水量，m3/(s·m);m为换算系数;h2为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m;r0为洞身横断面等价圆半径，m。

佐藤邦明经验式

式中，qs为隧道通过含水体地段单位长度正常涌水量，m3/(s·m);¯ε为试验系数，一般取12.8。

最大涌水量经验公式

正常涌水量经验公式

2 常用方法涌水量预测结果的比较

在现场实际调查、地质资料的充分收集和详细分析的基础上，结合深孔抽水试验资料，分别采用简易水均衡法和地下水动力学法，对处于勘察阶段的成贵铁路云南威信段的两座岩溶隧道的正常涌水量和最大涌水量进行了预测。

2.1 隧道概况

A隧道，起止里程DK278+010—DK285+475，全长7 470 m，最大埋深约497 m。隧道洞身穿越岩性主要为二叠系下统茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)灰岩和奥陶系灰岩及部分志留系砂页岩，地质构造复杂，断层、褶曲均比较发育。区内地下水主要接受大气降水补给，多年平均降水量为1 166 mm。

B隧道，起止里程DK271+844—DK277+400，全长5 556 m，最大埋深约340 m。隧道洞身穿越岩性主要为三叠系下统茅草铺组(T1m)的灰岩、白云岩和三叠系中统狮子山组、松子坎组(T2)，地质构造较为复杂。区内地表沟溪纵横发育，沟内常年流水，汇水面积大，地表水与地下水互为补给，多年平均降水量1 166 mm。

2.2 涌水量预测结果

分别采用简易水均衡法(地下径流模数法和降水入渗法)和地下水动力学法(裘布依理论公式、佐藤邦明经验式、古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式、正常涌水量和最大涌水量经验式)对A、B两隧道的正常涌水量和最大涌水量进行预测。隧区的地下径流模数、降雨入渗系数参考《威信幅1∶20万区域水文地质普查报告》取值。可溶岩地段径流模数取11.2 L/(s·km2)，降水入渗系数0.71;非可溶岩地段径流模数取1.77 L/(s·km2)，水入渗系数取0.076。含水层渗透系数根据深孔抽水试验获得，如表1。简易水均衡法预测最大涌水量取正常涌水量的1.5～2.0倍。A隧道正常/最大涌水量预测结果如表2，B隧道正常/最大涌水量预测结果如表3。

从隧道总涌水量预测结果看，不管是正常涌水量还是最大涌水量，简易水均衡法的预测结果均要比地下水动力学法预测结果大，且降水入渗法的预测结果最大。对于正常涌水量，地下径流模数法预测结果是地下水动力学法的1.8～6.0倍，降水入渗法的预测结果是地下水动力学法的3.7～12.4倍;对于最大涌水量，地下径流模数法预测结果是地下水动力学法的1.6～2.4倍，降水入渗法的预测结果是地下水动力学法的3.5～5.4倍。

表1 A、B两隧道深孔试验渗透系数

表2 A隧道正常/最大涌水量预测值 m3/d

从各分段涌水量预测结果看，降水入渗法预测结果也是最大的。正常涌水量的分段预测中降水入渗法的预测结果是地下水动力学法的3～57倍;最大涌水量的分段预测中降水入渗法的预测结果是地下水动力学法的3～52倍。

表3 B隧道正常/最大涌水量预测值 m3/d

3 涌水量预测结果分析

通过对岩溶隧道涌水量预测结果进行比较，可以看到，简易水均衡法预测结果和地下水动力学法预测结果差异较大，尤其是分段预测结果差异更大。之所以产生如此大的差异，是由多种影响因素综合作用的结果。

1)预测原理不同

地下径流模数法采用假设地下径流模数等于地表径流模数的相似原理，根据大气降水入渗补给的下降泉流量或由地下水补给的河流流量，求出隧道通过地段的地表径流模数，作为隧道流域的地下径流模数，再确定隧道的集水面积，概略地预测隧道的正常涌水量。

降水入渗法是根据隧道通过地段的年均降水量、集水面积并考虑地形地貌、植被、地质和水文地质条件选取合适的降水入渗系数经验值，宏观、概略预测隧道正常涌水量。降水入渗法的计算假设是集水区域内渗入地下的这部分大气降水全部涌入隧道，但有时事实并非如此，这与地下岩溶发育情况、含水层的水文地质特征有关，这是降水入渗法预测结果较大的重要原因。

地下水动力学法的原理是依据裘布依稳定流和泰斯非稳定流两大基本理论，并结合实际工程经验总结出经验公式，从地下水动力学的角度来进行岩溶隧道涌水量预测。

2)适用条件和范围不同

地下径流模数法的计算参数只有两个:地下径流模数M和隧道集水面积A，简单的计算参数决定了其广阔的适用范围。适用于越岭隧道通过一个或多个地表水流域地区，也适用于岩溶地区。

降水入渗法计算所涉及的参数为降水入渗系数、年平均降水量和集水面积，参数较为简单，并且与地下含水层介质的水文地质参数无关，因而其使用范围较广，适用于埋藏较浅的越岭隧道，同时也适用于岩溶隧道。

地下水动力学法的理论依据是裘布依稳定流理论和泰斯非稳定流理论，而这两大理论成立的前提条件是:含水层均质各向同性，等厚且产状水平;要求地下水静止水位是水平的。而岩溶地区由于地下岩溶发育，含水层非均质各向异性强烈，甚至发育有地下岩溶管道。且山岭地区由于地形起伏较大，地下静止水位很难达到水平。因此，地下水动力学法在岩溶地区隧道中的应用具有很大的局限性。

3)计算参数选取值与实际值的差异

目前铁路隧道工程中使用地下径流模数法和降水入渗法预测涌水量时，采用的地下径流模数M和降水入渗系数α，多是参考20世纪70年代末的《区域水文地质普查报告》所取得。而事实上由于地表经历了近30年自然风化，以及人类活动的扰动，很多地区的降水入渗系数和地下径流模数都有了很大的变化。另外，地下径流模数法和降水入渗法对最大涌水量的预测是在正常涌水量基础上乘以大于1的倍数，而这个倍数多是根据经验确定，随意性较大。

地下水动力学法最重要的计算参数是含水层的厚度和渗透系数K，由于实际情况的限制，工程中经常用某一深孔抽水试验得到的水文地质参数来代替附近区域含水层的水文地质参数。由于岩溶地区含水层具有强烈的非均质各向异性的特点，这种做法必然带有“一孔之见”的局限。

通过上述分析可知，使用简易水均衡法和地下水动力学法预测岩溶隧道涌水量差异较大是由各种方法预测原理不同、使用条件和范围不同、计算参数选取值和实际值存在差异等诸多因素共同导致的结果。

4 涌水预测计算参数的确定

这里仅对降水入渗法的参数取值提出几点建议。因为降水入渗法的三个参数:年平均降水量、降水入渗系数、汇水面积都是变量，对预测结果影响很大，为取得较为合理的预测结果，三项参数的取值很关键。

1)涌水量计算时年平均降水量最好选取最近至少十年的平均年降水量;当缺乏资料时，最大涌水量可按正常涌水量的2～6倍估算。

2)当隧道处于勘测阶段且穿越山岭时，很难通过现场实测获得降水入渗系数。在参考《区域水文地质普查报告》确定降水入渗系数时要充分考虑到近三十年来的自然风化和人类活动对降水入渗系数的影响，降水入渗系数一般不超过0.5，但是在我国南方岩溶强烈发育地区降水入渗系数已超过0.5。

3)在平面图上勾画汇水面积时，平面图的范围要足够大，可溶岩地区建议至少包括隧道左右两侧各4 km的范围。

4)汇水面积主要根据分水岭所包围的面积确定，分水岭可选取隧道两侧3～4 km范围内的控制性分水岭;当隧区山体的四周有深切河谷，且谷底高程低于隧道底板高程时可取该范围内隧道底板以上的面积作为隧道的汇水面积;当隧道穿越区无明显分水岭时，可具体结合隧道埋深，取隧道两侧2～4 km范围作为汇水面积。

5 结论和建议

岩溶隧道涌水量预测较为复杂，从目前铁路工程隧道常用的涌水量预测方法来看，简易水均衡法较适用于岩溶隧道的涌水量预测，地下水动力学方法在岩溶隧道中的应用具有较大的局限性，其更多的是适用于均质各向同性的孔隙含水层。

使用简易水均衡法尤其是降水入渗法预测岩溶隧道涌水量时的缺点是只能对涌水量做宏观、概略的预测，往往预测出的涌水量值较大;其优点是在使用多种方法预测涌水量时可用它来对预测结果进行检算或补充计算。

［1］朱大力，李秋枫．预测隧道涌水量的方法［J］．工程勘察，2000(4):18-22．

［2］蒙彦，雷明堂．岩溶区隧道涌水研究现状与建议［J］．中国岩溶，2003，22(4):287-292．

［3］中华人民共和国铁道部．TB10049—2004 铁路工程水文地质勘察规程［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［4］王振宁，陈银鲁，刘国华，等．隧道涌水量预测计算方法研究［J］．水利水电技术，2009，40(7):40-43．

［5］刘坡拉．岩溶隧道涌水量预测方法及适宜性分析［J］．安全与环境工程，2009，16(5):119-122．

［6］董兴文．矿井最大涌水量计算与参数确定［J］．工程勘察，1995(4):24-28．

［7］黄涛，杨立中．渗流—应力—温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量的预测［J］．西南交通大学学报，1999，34(5):554-559．

［8］聂志红，张弥，白李妍．用经验公式计算隧道涌水量［J］．铁道标准设计，2000，20(6-7):48-49．

［9］薛禹群．地下水动力学［M］．北京:地质出版社，1997:61-102．

［10］朱大力，李秋枫．隧道最大涌水量与经常涌水量关系［J］．铁道工程学报，1993(2):34-39．

［11］曹廷．隧道涌水预测分析［J］．铁道建筑，2010(11):29-31．

［12］王洪勇，李彦军，严高翔．铁路隧道岩溶的勘察与预防［J］．铁道工程学报，2005(增):308-315．