某隧道断层带疏水降压设计研究

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(中国地质大学 工程学院，武汉 430074 )

1 研究背景

随着我国公路、铁路和地铁的快速发展，越来越多的工程需通过修建隧道穿越。而在隧道掘进工程中难免会遭遇溶洞、断层、暗河、瓦斯、天然气等各种不良地质问题。对于富水隧道，往往容易发生涌水、突泥等各种不良地质现象。这些现象不仅增加了施工难度甚至导致施工无法运作，而且也威胁着施工人员的安全，此时必须进行地下水控制，主要措施就是进行工程降水。

随着地下水开发利用规模的扩大，对地下水认识的加深，国内外对于地下水动力学的研究比较多。达西(Herry Darcy)于1856年根据在砂柱中水的渗透实验[1]，总结出水在孔隙介质中流动的基本定律，称之为达西定律。该定律至今仍是地下水动力学最基本、最重要的定律。1863年，裘布依[2](J.Dupuit) 提出圆岛状含水层中心一口完整抽水井条件下的地下水稳定流动的方程；19世纪80年代，福希海默[3](P.Forchheimer)开始研究比较复杂的稳定流动问题。1889年，俄国数学和力学家茹可夫斯基(H.E.Жуковский)提出稳定渗流的微分方程[4]；1904年，法国水力学家布西涅斯克(J.Boussinesq)导出潜水不稳定流的微分方程[5]；1922年，苏联学者巴夫洛夫斯基在水工建筑物的渗流理论和应用方面做出重要贡献[5]，但这阶段研究主要属于地下水稳定流动问题；到20世纪20年代，美国大规模开采地下水，使得地下水水位随时间发生了明显的变化。1935年，美国学者泰斯[6](C.V.Theis)首次提出地下水向井孔的不稳定流动公式，称为泰斯公式。泰斯公式的出现，不仅在理论上，而且在实际应用上为研究地下水流向井孔的运动奠定了基础。此外，随着计算机技术的发展，已有大量学者将数值模拟运用到地下水渗流分析中。

本文研究的岳山隧道全长10 000多米，最大埋深600多米，为单面下坡，隧道穿越得胜场槽谷的高压富水F断层及得胜场暗河，断层规模大，发育着多条次级分支，断层沿断层带溶洞、漏斗、泉水等十分发育，该段发生突水突泥的风险程度、规模和工程处理难度，为国内外罕见，是该隧道乃至全线最困难地段，也是公认的世界级难题。该超高压富水大F断层长达200余米、最大水压力达2.5 MPa以上，断层规模大，成分复杂，构造作用强烈，所处特殊位置使其成为隧道施工安全和环境造成影响的高风险地段。目前，正洞、平导均进入该断层及影响带，正洞剩余237 m，平导剩余178 m。场区风向随季节变化而变化，隧道通风困难，危险源多，防范压力巨大。

本文基于地下水渗流理论，通过数学解析的方法建立非完整潜水水平坑道位于无限含水体计算模型，进行了3种不同排水洞布置方案的降水计算，采用井点叠加法进行了井点降水方案的理论计算分析，可为该隧道的降水工程设计提供理论依据。

2 断层带地质条件

F断层沿得胜场槽谷西侧分布，断层与槽谷走向基本一致，为NE35°～45°；断层倾角为50°～70°，平面发育长度45 km、地表宽度为245 m。岩性成分复杂，具有饱水含碎石粉质黏土或碎石土的类似性质，其下盘、上盘裂隙发育带导水能力强，核部地段导水能力一般，围岩强度低、稳定性差，受水的浸泡软化，工程性质更加恶化，是隧道遭受突泥、坍方的高风险地段，围岩等级为V—Ⅵ级，在隧道的施工开挖中，将会面临涌泥、塌方的严重威胁。

断层带主要由泥灰岩、断层泥、断层角砾岩、糜棱岩组成，物质成分复杂，胶结差；呈碎裂结构或角砾岩化，岩性软硬不均，裂隙发育、软弱破碎，发育4组节理，间距10～80 cm，多为张性，宽度多在0～0.1 m，局部宽度可达0.3 m，泥质充填或无充填。受节理裂隙切割，岩体极破碎。据开挖揭示断层破碎带的泥灰岩夹断层泥，呈粉碴状，局部见扭曲的岩层面和结构面。

3 断层带导水性

据勘察资料，断层带地下水水位埋深8～9 m，现场进行深孔抽水、压水及水位恢复试验综合确定断层带渗透系数为0.15～0.27 m/d；施工过程超前钻孔实测单孔流量一般在10～70 m3/h，持续时间较长；最大单孔流量为790 m3/h，持续0.5 h；超前钻孔时存在喷石现象。

3.1 放水实验分析

隧道平导注浆施工前，在PDK365+330掌子面钻探3孔(孔深18 m)进行放水实验，并开展了水量、水压、降雨量观测。观测期间最大日降雨量曾达到132 mm，钻孔水量在245～500 m3/h范围内变化，水压变化范围为2.2～2.5 MPa，钻孔放水时的流量及放水前后水压变化均较小，表明：①降雨量对隧道涌水量影响较小；②放水量较小时降压效果不明显；③隧道涌水量主要取决于断层带的导水性质。

3.2 隧道涌水量及深孔水位长期观测分析

深孔水位及平导排水量观测曲线分别如图1和图2所示。由图可知，深孔水位在1 303～1 312 m范围内变化，并与降雨量呈现正相关关系，在大到暴雨时，深孔水位急剧上升且波动幅度较大；出口平导排水量在400～900 m3/h变化。水位最大变幅为15 m，降雨前后出口平导水量基本变化不大，表明降雨对水量影响不大。

图1 深孔水位-降雨量关系曲线

图2 出口平导降雨量-排水量关系曲线

根据上述观测分析成果，采用降雨入渗法[7]预测断层段涌水量Q，即

Q=2.74αWA。

(1)

式中:α为入渗系数；W为年降雨量(mm)，正常涌水量采用平均降雨量，最大涌水量采用最大降雨量；A为集水面积(km2)。

由式(1)计算得出：该断层段正常涌水量为1.1万m3/d，最大涌水量为11.5万m3/d。实测最大水压2.6 MPa。

综上可知，该断层带地下水补给范围广、水位高、水压大、围岩破碎、自稳性差；断层带导水、隧道涌水量大小主要受断层带导水性控制。

图3 计算模型剖面示意图

4 断层带排水洞排水降压计算分析

4.1 排水洞排水降压计算模型

结合断层带地质条件，本文选用非完整潜水水平坑道位于无限含水体的计算模型[8]，如图3所示，进行不同排水方案剩余水头高度计算，并绘制相应降落漏斗曲线进行方案必选分析。

排水洞处在t时水位降深S为

(2)

式中：q为排水洞单位长度流量(m3/(d·m))；R为补给半径(m)；K为含水体渗透系数；C为排水洞洞底以上含水体厚度(m);μ为潜水含水体给水度；a为含水体导压系数；H平为排水洞与含水层底板距离(m)；δ为排水洞中心与隧道中心距离(m)。

2个排水洞中间在t时水位降深SM为

(3)

含水体渗透系数K为

K=0.732Q/[(H2-h2)lg(R/r)] 。

(4)

式中：H为潜水含水层厚度(m)；h为抽水孔在抽水水位稳定时自含水层底板计起的厚度(m)；r为抽水孔半径(m)。

表1 方案1剩余水头高度计算结果

含水体导水系数T和导压系数a的计算公式为

(5)

a=0.14(πr2/t)e(4πKM/Q)s(r,t)。

(6)

式中：M为承压含水层厚度(m)；s(r，t)为抽水试验地下水在时间t、距离r的降深(m)。

承压含水体释水系数s为

s=Qt/[πM(x2-r2)] 。

(7)

式中x为抽水孔至观测孔距离(m)。

潜水含水体给水度μ为

μ=Qt/[π(y+h)(x2-r2)/2] 。

(8)

式中y为观测孔在抽水水位稳定时自含水层底板计起的厚度(m)。

排水洞流量Q为

Q=BK(H2-h2)/(2R) 。

(9)

式中B为含水体长度(m)。

4.2 不同排水洞布置方案计算

4.2.1 两线间隧顶以上设置排水洞(方案1)

如图4所示，隧道左右2线间隧顶以上设置排水洞方案，排水洞设置在正洞、平导间，排水洞高于隧底12.0 m。

图4 方案1计算模型示意图

采用上文非完整潜水水平坑道位于无限含水体模型计算，排水洞泄水后，距排水洞外墙若干点的剩余水头高度如表1。

表1数据表明，排水洞建成后泄水365 d，距排水洞外墙15 m处隧道的剩余水头高度仍有193.63 m。漏斗降落曲线如图5所示，排水洞中心处降深最大，远离中心，降落量减少；两端降落曲线呈单双曲线，基本对称。

图5 方案1漏斗降落曲线

4.2.2 2线间隧顶以下设置排水洞(方案2)

2线间隧顶以下设置排水洞方案为排水洞低于隧道15.0 m，计算分析过程同第4.2.1节，由于篇幅有限，在此不再赘述。

计算结果表明：排水洞建成后泄水365 d，距排水洞外墙15 m处隧道的剩余水头高度仍有198.72 m。

4.2.3 隧道两侧设置排水洞(方案3)

隧道两侧设置排水洞方案为排水洞距正洞、平导中心20 m，2排水洞间距70 m，如图6所示。

图6 方案3计算模型示意图

2排水洞中间及排水洞处水位随时间的降深计算结果如表2，排水洞建成后12～26 d，2排水洞中间的水位降深281.00 m，建成12 d后2排水洞中间的水头高度便可降为0；从图7的漏斗降落曲线上可以看出，2排水洞中心的水位下降较快，中心两侧600 m范围内的水位下降较大。

表2 方案3剩余水头高度计算结果

5 断层带井点疏水降压计算分析

5.1 井点疏水降压计算模型

图7 方案3漏斗降落曲线

模型采用一侧为隔水边界(出口端)，另一侧为供水边界(断层带与灰岩接触带)。将计算模型概化成半无限空间含水层，采用井点叠加法计算2隧道及2隧道间距中心(计15个点)当地下水位降至隧底以下1.0 m所需要的时间。

5.2 井点降水降压计算分析

断裂带断面流量9 000～10 000 m3/d，需要抽水井16口，井径800 mm、平均井深300 m，上下游各8口。抽水井距离隧道边墙外10.0 m，2排井间距50.0 m。每排8口井中，出口端4口井为承压水井，进口端4口井为潜水井。深井泵采用200QJ25-308/22，每口井日抽水600 m3。

采用半无限空间含水层概化计算模型，用井点叠加法进行计算，水位降深S为

S=h0-{h02-Q/(2πk)×

[W(r2/4at)+W(ρ/4at)]}1/2。

(10)

式中：h0为含水层厚度(m)；ρ为井点到井中任一点的距离(m)。

不同单井抽水量时的水位降水计算结果如表3，由于含水介质厚度大、水头高，单井抽水量需达到3 500 m3/d，抽水1个月正洞(平导)水位降深可达到150～203 m；单井抽水量600 m3/d，抽水一个月仅可降低水位30～40 m。

表3 不同单井抽水量时的水位降水计算结果

6 结论与建议

(1) 对比表1和表2的计算数据可以得出，若采用正洞、平导间设置排水洞方案，排水1 a剩余水头高度还有205 m，排水降压效果不明显；隧道两侧设置排水洞方案，排水12～26 d后2排水洞间的水头可降至隧道洞身附近。从表3中可以得出，当单井抽水量为3 500 m3/d时，抽水1个月正洞(平导)水位降深可达到150～203 m；单井抽水量为600 m3/d时，抽水1个月仅可降低水位30～40 m，采用井点降水想要把水位降280 m不可行。采用两侧设置排水洞方案能够有效降低水位，满足工程要求。

(2) 采用两侧设置排水洞方案可较快降低水头，达到疏水降压目的。但受降雨入渗的影响，2排水洞间存在降雨入渗水量，排水洞在设置需时还应考虑降雨入渗的影响。另外，进口端断层带与灰岩接触面附近，由于存在灰岩岩溶水补给，为保证排水降压效果，应增大排水洞排水量。

(3) 为验证排水洞是否将断层带水头降低至隧道洞身附近，还应在隧道开挖前进行超前钻探量测水量、水压；同时进行排水洞、正洞、平导的水量监测，分析各个洞室水量变化规律，确定排水降压效果。

参考文献：

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[3] FORCHHEIMER P.Ueber die Ergiebigkeit von Brunnen-anlagen und Sickerschlitzen[J].Z.Architekt.Ing.Ver.Hannover, 1886, 32: 539-563.

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[5] 张宏仁.地下水非稳定流理论的发展和应用[M].北京：地质出版社,1975.(ZHANG Hong-ren.Development and Application of the Theory of Unsteady Flow of Groundwater[M].Beijing: Geological Publishing House, 1975.(in Chinese))

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[8] 工程地质手册编写委员会.工程地质手册[M].北京: 中国建筑工业出版社，1994.(Engineering Geology Manual Writing Committee.Engineering Geology Manual[M].Beijing: China Architecture and Building Press，1994.(in Chinese))