小相岭公路隧道几种预测涌水量方法的比较

韩志远 凌 佳

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

小相岭公路隧道几种预测涌水量方法的比较

韩志远 凌 佳

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

以小相岭公路隧道涌水量预测为例，详细介绍了预测隧道涌水量的方法，讨论了其计算步骤、公式及适用条件，指出在实际工程中，应根据适用条件，合理选择预测方法，以获得较好的预测效果。

隧道涌水量，地质条件，预测，方法

0 引言

为保证隧道安全设计和正常施工，须采用有效的计算方法来准确预测隧道涌水量。我国自20世纪80年代起开始对隧道涌水量的预测进行系统的研究，提出了很多预测方法和适用条件[1]，本文结合小相岭公路隧道工程实例来简单介绍几种实际工作中常用的隧道涌水量预测方法。

1 小相岭隧道水文地质条件

测区内水系较发育，多为山区性河流，河谷深切，峡谷众多，河流属雨源及雪融型，水位、流量受大气降水的季节性变化影响显著，枯水季节常以排泄地下水来维持其径流。隧道穿越区域分水岭，进出口洞门海拔位置较高，隧道上方地形为单一“人”字坡，有利于地表水的排泄，不利于大气降水的入渗补给。根据岩性、构造、地形地貌等等条件，可将小相岭隧道洞身大致分为以下四个

段落：

K19+030～K19+600段岩性主要为中粒～粗粒岩屑砂岩及长石砂岩与砾岩互层，厚～巨厚层，节理一般发育，岩体较完整，地下水为基岩裂隙水，主要赋存于砂岩、砾岩风化裂隙中，透水性较差，地下水发育较弱。

K19+600～K20+350段为主要的构造发育段，隧道依次穿过“向斜—逆断层—背斜”构造，岩性以厚～巨厚层砂岩为主，背斜核部(K19+928～K20+137段)为厚～巨厚层白云质灰岩。该段受构造作用，裂隙发育，透水性较好，沿构造轴线两端有河流经过，可通过构造带补给地下水，该段地下水较发育。

K20+350～K21+800段岩性主要为厚～巨厚层砂岩，局部夹砾岩、页岩，节理不发育，岩体较完整，透水性差，地下水不发育。

K21+800～K23+080段岩性主要为砂岩与页岩互层，节理不发育，岩体较完整，透水性差，地下水不发育。

综上，可以初步判定隧址区一般地段地下水富水程度弱，属贫水区，褶皱发育段、断裂发育段及可溶岩段内，地下水富水程度相对较高，属中等富水区。

2 本隧道所采用的预测方法

本文选取6种常用方法对小相岭隧道涌水量进行计算，以相互对比印证。在预测时,需根据洞身的富水性对隧道进行分段，分别计算出各段的正常涌水量和可能最大涌水量，最后再综合成整体隧道的涌水量[2]。

2.1 水文地质比拟法

该法强调拟建与已建隧道水文地质条件相似，要求已建隧道要有长期的涌水量观察资料，以保证数据的可靠性。公式如下：

F=B·L

(1)

F′=B′·L′

其中，Q，Q′分别为拟建、已建隧道的正常涌水量或最大涌水量，m3/d；F，F′分别为拟建、已建隧道的涌水面积，m2；s，s′分别为拟建、已建隧道自静止水位计起的水位降深，m；B，B′分别为拟建、已建隧道洞身横断面的周长，m；L，L′分别为拟建、已建隧道通过含水体的长度，m。

从岩性、构造、地形地貌、降雨量等条件综合考虑，选取已贯通的合福铁路五城隧道作为参考来计算小相岭隧道正常涌水量(见表1)。

表1 小相岭隧道与五城隧道水文地质条件对比

五城隧道贯通后枯水期实测正常涌水量Q枯′=1 866.2 m3/d，丰水期正常涌水量按枯水期涌水量两倍考虑，Q丰′=3 732.4 m3/d，全年正常涌水量按枯水期1.5倍考虑，Q′=2 799.36 m3/d。

五城隧道断面周长B′=42.8 m，小相岭隧道断面周长B=33.4 m。

据比拟法计算公式可得小相岭隧道的正常涌水量Q枯=1 203.2 m3/d，Q丰=2 406.4 m3/d，Q=1 804.8 m3/d。

2.2 评分法

在踏勘和初测阶段，可采用评分法概略预测隧道最大涌水量。根据TB 10049-2004铁路工程水文地质勘察规程表B.3.3-2《隧道最大涌水量概略预测表》，累计相加确定，计算过程及结果见表2。

表2 评分法预测隧道涌水量

2.3 地下水径流模数法

该方法具有较强的实用性，对岩性较为单一，水文地质条件较简单的地区较为实用。

Qs=M·A

M=Q′/F

(2)

A=L·B

其中，Qs为隧道通过某含水体范围的正常涌水量，m3/d；A为隧道通过某含水体范围的集水面积，km2；M为地下水径流模数，m3/(d·km2)；Q′为枯水期地下水补给的河流的流量或下降泉流量，m3/d；F为与Q′相当的地表流域面积，km2；L为隧道通过某含水体范围的长度，km；B为隧道涌水地段L长度内对两侧的影响宽度，km。

涌水影响宽度的确定是该法的重点之一。首先应考虑用调查法确定涌水影响宽度，当隧道通过汇水盆地(洼地或富水构造等)，该汇水盆地可作为该段隧道的集水面积，用其平均宽度作为该段隧道的涌水影响宽度。若难以通过调查法确定涌水影响宽度时，可用《铁路工程水文地质勘察规程》的经验式来计算。

R=215.5+510.5K

(3)

其中，R为隧道涌水影响半径，m；K为含水体渗透系数，m/d。

本隧道K20+150～K21+800段因难以通过调查法确定影响宽度，故采用经验式来计算，其余范围用调查法确定，具体数值见表3。

表3 地下水径流模数法计算表

2.4 降水入渗法

该方法适用于隧道通过潜水体且埋藏深度较浅。本方法可以作为核对其他方法计算结果的一种补充性计算方法，如果条件适合，预测结果也较为理想。

Qs=2.74α·W·A

(4)

其中，α为降水入渗系数；W为年降雨量，其他符号意义同式(2)。

降水入渗法计算表见表4。

表4 降水入渗法计算表

2.5 地下水动力学法

地下水动力学法又称水文地质解析法，该方法简化了水文地质条件，经过了水文地质模型概化，获得在给定边界和初值条件下的涌水量，具有快速实用的特点[3]。基于同样的原因，该方法计算结果与隧道开挖后的实际情况可能有一定出入[4]。

国内外学者依据该方法研究得出了许多计算隧道涌水量的半理论半经验公式。以下选取常用的两个公式来分别计算隧道最大涌水量和正常涌水量。

1)古德曼经验式：

(5)

其中，Q0为隧道通过某含水体范围的最大涌水量，m3/d；K为含水体渗透系数，m/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；L为隧道通过某含水体范围的长度，m。

古德曼经验式法计算表见表5。

表5 古德曼经验式法计算表

2)裘布依理论式:

(6)

其中，Qs为隧道通过某含水体范围的正常涌水量，m3/d；Ry为隧道涌水地段的引用补给半径，m，即隧道涌水影响宽度；其他符号意义同上。

该式适用于浅埋隧道，当隧道埋深较大时，含水体厚度和涌水时水位降深值须准确确定。

裘布依理论式法计算表见表6。

表6 裘布依理论式法计算表

2.6 铁路经验公式法

Qs=L·K·H(0.676-0.06K)

(7)

Q0=L(0.025 5+1.922 4K·H)

(8)

式中符号意义同上。

铁路经验式法正常涌水量，最大涌水量计算表见表7，表8。

表7 铁路经验式法正常涌水量计算表

表8 铁路经验式法最大涌水量计算表

3 结语

1)从以上几种方法结果的比较可以看出，地下水径流模数法计算正常涌水量的结果偏小，主要原因是把隧址区复杂的地下水条件进行了简化，采用了区域性的地下水径流模数值，该值可能偏小。2)其余方法计算的正常涌水量及最大涌水量结果均比较接近，计算结果得到互相印证，说明参数选取合理，预测结果可信度较高。3)在工程实例经验的基础上，经验公式法对理论公式法的计算模型进行了修正，使得预测结果更为准确。故选取铁路经验公式法计算结果作为最终计算结果。4)根据计算结果，K19+500～K20+150范围为强富水段，需加强防排水措施。在该隧道设计中，本研究结果为隧道防排水设计提供了合理依据。

[1] TB 10049-2004，铁路工程水文地质勘察规程[S].

[2] 朱大力，李秋枫.预测隧道涌水量的方法[J].工程勘察,2000,28(4):18-22.

[3] 徐国锋,杨建锋,陈侃福.台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察与涌水量预测[J].岩石力学与工程学报，2005,24(S2):5531-5535.

[4] 王建秀,朱合华,叶为民.隧道涌水量的预测及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2004，23(7):1150-1153.

[5] 陈水龙.谈隧道围岩渗透系数的测定及预测隧道开挖涌水量[J].山西建筑，2013，39(22)：166-167.

The comparison of several methods prediction of water inflow of Xiaoxiangling highway tunnel

HAN Zhi-yuan LING Jia

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignResearchInstitute,Tianjin300133,China)

Taking the water inflow prediction of Xiaoxiangling highway tunnel for example, this paper introduced the predicting method of tunnel water inflow, discussed the calculation steps, formula and applicable condition, pointed out that in actual engineering, according to the applicable conditions, selected reasonable prediction methods, so as to obtain better prediction effect.

tunnel water inflow, geological condition, prediction, method

1009-6825(2014)07-0195-03

2013-12-26

韩志远(1985- )，男，助理工程师； 凌 佳(1986- )，男，助理工程师

U452

A