青岛地铁1号线一标段暗挖隧道涌水量预测研究

万 斌，徐 伟（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北　武汉430010）

青岛地铁1号线一标段暗挖隧道涌水量预测研究

万 斌，徐 伟
（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010）

青岛地铁1号线一标段瓦屋庄站—贵州路站区间线路全长约8.2 km，海域段长3.45 km，海域段底板埋深约为45 m，陆域段底板埋深为21～130 m，通过分析其地层岩性、地质构造及水文地质特征，并针对该暗挖隧道既有海域段又有陆域段的特点，对现有的各种涌水量计算方法对比分析后，采用以地下水动力学法为基本原理的不同模型预测了该隧道涌水量，得出了隧道涌水量预测数据；通过对预测数据进行分析，得出隧道涌水量较大的地段主要为断裂构造密集带和岩石风化程度较高的地段，进而为隧道设计及安全施工提供依据。

暗挖隧道；地下水动力学法；涌水量预测

近些年来，随着我国经济建设的高速发展，新建的大型市政和铁路基建类项目日益增多，促进了其理论水平和技术手段的不断提升。其中，隧道技术和施工质量越来越引起了人们的重视［1-3］。随着国家基础建设的不断投入，建设设计水平的提高以及新工艺、新设备的使用，许多隧道乃至深埋特长公路、海底隧道设计方案应运而生，但在隧道建设过程中引发的涌水灾害问题也变得异常突出。若隧道涌水预测工作和防排措施不到位，就很有可能导致在施工掘进过程中遇到突然涌水或特大涌水。因此，加强隧道涌水量方面的研究工作，对保障隧道建设的安全施工、制定合理有效的整治方案及后期隧道营运安全，都有着重要的指导意义［4］。

目前，隧道涌水量预测的方法主要有:降水入渗法、水均衡法、比拟法、地下径流模数法、地下水动力学法、灰色系统理论方法、数值分析法等［5-11］。本文采用以地下水动力学法为基本原理的不同模型，针对青岛地铁1号线一标段的具体水文地质和工程地质条件，对该暗挖隧道涌水量进行预测及预报研究，并通过对预测数据进行分析，进而为隧道工程的设计及安全施工提供依据。

1　隧道工程概况及水文工程地质条件

1.1工程概况

青岛地铁1号线一标段为瓦屋庄站—贵州路站区间（不含瓦屋庄站、贵州路站），线路起点里程为K23+522，终点里程为K31+723，全长约8.2 km，海域段长3.45 km，海域段底板埋深约为45 m，陆域段底板埋深为21～130 m；线路由团岛部队营区后入海，下穿胶州湾湾口，在薛家岛北端上庵村西侧登陆后过环岛路，标段终点在瓦屋庄设置瓦屋庄站。

隧道里程为K23+522～K24+521和K30+ 916～K31+723的结构断面采用两条分离的单洞单线隧道，洞内径高8.1 m、宽6.7 m，隧道里程为K24+521～K30+916的结构断面采用单洞隧道；隧道内共设置3座通风竖井。

1.2工程地质条件

1.2.1地层岩性

隧址区的第四系覆盖层较薄，大部分区域基岩直接出露于地表，基岩岩性为下白垩纪青山群的火山岩和早白垩世（燕山晚期）的侵入岩。地层岩性为糜棱状岩、基岩中等风化带、碎裂状岩、微风化碎裂岩（包括各种微风化碎裂岩）、微风化破碎岩（包括各种微风化破碎岩）、微风化正长斑岩、微风化凝灰岩、微风化安山岩、微风化闪长岩、微风化石英闪长岩、微风化辉绿岩、微风化花岗岩、微风化安山质火山角砾岩、微风化流纹岩、微风化凝灰质粉砂岩、微风化英安玢岩等。此层微风化岩体构成了隧址区岩石的主体，隧道洞身大部分在此层内展布。隧道工程地质断面图（以K30+892～K31+363段为例）见图1。

1.2.2区域地质构造

胶州湾处于胶莱坳陷和胶南隆起的结合部位，地质构造比较复杂。区域内分布3条断裂，其中沧口断裂的走向为NE45°左右，倾向以NW向为主，倾角较陡，该断裂最新活动年代为中更新世；劈石口断裂总体走向为NE48°左右，全长约47 km，断层面倾向以NW向为主，倾角多在70°以上，该断裂距隧道最近距离约10 km，其最新活动年代为中更新世；王哥庄断裂全长37 km，总体走向为NE40°左右，距隧道最近距离为16 km，该断裂最新活动年代为中更新世晚期。区域内的3条断裂带基本对隧道影响不大。

1.3水文地质条件

1.3.1地下水类型

拟建隧道陆域和海域范围内地层地下水根据其赋存形式可分为三类:松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水和基岩裂隙水。陆域范围内的松散岩类孔隙水主要赋存在第四系的人工填土层中，海域范围内的松散岩类孔隙水则主要赋存在第四系全新统的海积层中；风化基岩孔隙裂隙水赋存在全风化和强风化岩层中；基岩裂隙水赋存在基岩的构造裂隙与风化裂隙中。在海域部分的地层中一般没有明显的含水层和隔水层（堆积的砂层及某些富水性较好的基岩破碎带除外），总体而言富水性较弱、渗透性较差，为弱或微含水层。

1.3.2地下水补给、径流及排泄条件

（1）松散岩类孔隙水:该类地下水主要接受大气降水和海水的补给，高潮时，海水向松散岩类孔隙中渗透，杂填土、砂土等地层中水量骤增，水量较大；低潮时，松散岩类孔隙水向海中排泄，杂填土、砂土等地层中水量骤减，水量较小。松散岩类孔隙水的排泄除了正常的蒸发、人为抽取之外，大部分向河沟或者海洋进行排泄，少部分则入渗补给下部的弱含水岩组。

（2）风化基岩孔隙裂隙水:该类地下水主要接受上部孔隙水的入渗补给，但当海水高潮水位高于局部底层底面时，则接受海水补给，之后再缓慢地侧向或下渗补给基岩裂隙含水岩组。

（3）基岩裂隙水:出露地表的基岩主要接受大气降水的入渗补给，而埋藏型基岩主要来自其他类型地下水的入渗补给，但其径流由于受到基岩裂隙形态的控制，会呈现不同的状态，有时相互之间还会不连通，没有统一的水面。

由于海域范围内的地下水类型之间一般不存在隔水层，故可将其视作一个无限厚的弱含水层，海水垂直入渗补给该弱含水层，而隐伏在其下部的含水岩组则接受上部含水岩组的入渗或越流补给。

2　隧道涌水量预测

本次勘察工作进行了大量的水文地质试验，得到了准确的水文地质参数。陆域段隧道两端岛岸弱-微风化基岩普遍埋藏较浅，局部裸露地表，岩体总体为弱-微透水性。海域段岩土体中微风化岩层在同一层面上透水性较均匀，无突跃增大或减小的现象，受风化裂隙影响，具弱-微透水性，综合渗透等级为弱透水；微风化破碎岩体受构造裂隙、充填情况的影响，渗透等级为中等透水。海域段岩土体渗透系数统计结果见表1。

表1　海域段岩土体渗透系数统计结果Table 1 Descriptive statistics of permeability coefficients of the rock and soil of the subsea tunnel

对该地铁线所穿越地区的水文地质和工程地质条件进行综合分析后，认为地下水动力学法比其他隧道涌水量预测方法更加适用于该标段隧道涌水量的计算。由于此线路既有陆域又有海域，因此针对陆域和海域暗挖隧道不同的特点，本文选择了不同的涌水量计算模型和计算公式，以确保计算结果的准确性。

2.1陆域段隧道涌水量计算模型

一般来说，陆域段暗挖隧道的涌水量会呈现出以下特点:在施工初期的涌水量最大，但后期涌水量随隧道施工时间的增加而慢慢变小，存在最大涌水量和正常涌水量的问题。参照《铁路工程水文地质勘察规程》（TB10049—2004）和铁路规范经验公式，陆域段暗挖隧道涌水量的计算模型（见图2）和计算公式［12］如下:隧道最大涌水量计算公式:

式中:q0为单位最大涌水量（m3/d·m）；K为岩层渗透系数（m/d）；H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离（m）；d为隧道洞身横断面的等价圆直径（m）。

（2）q0=0.025 5+1.922 4K H （铁路规范经验式模型2）

式中:q0为单位最大涌水量（m3/d·m）；K为岩层渗透系数（m/d）；H为含水体厚度（m）；隧道正常涌水量计算公式:

式中:qs为单位正常涌水量（m3/d·m）；K为岩层渗透系数（m/d）；H为洞底以上含水体厚度（m）；h为洞内排水沟假设水深（m），本次计算取值为0；r为洞身横断面等价圆半径（m）；Ry为隧道涌水地段的引用补给半径（m）。

（2）qs=K H（0.676-0.06K）（铁路规范经验公式 模型3）

式中:qs为单位正常涌水量（m3/d·m）；K为岩层渗透系数（m/d）；H为含水体厚度（m）。

2.2海域段隧道涌水量计算模型

海域段暗挖隧道由于处于半无限厚的弱含水层中，其施工初期的最大涌水量与施工中的正常涌水量基本一致，其隧道最大涌水量的计算模型（见图3）和计算公式［12］如下:

式中:q0为单位长度最大涌水量（m3/d·m）；K为岩层渗透系数（m/d）；H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离（m）；d为洞身横断面的等价圆直径（m）。

式中:q0为水底隧道施工中单位长度最大涌水量（m3/d·m）；K为岩层渗透系数（m/d）；H为自水体底部至洞身横断面等价圆中心的距离（m）；H0为地面水体厚度（m）；r0为洞身横断面的等价圆半径（m）。

为保证隧道涌水量预测结果的准确性，隧道总涌水量计算采用分段计算的方法，根据各段渗透系数的不同将隧道分为若干段，各段渗透系数的取值综合考虑了地层岩性、岩体完整度、岩石风化程度、构造断裂带及岩脉发育侵入等诸多因素。该隧道最大涌水量和正常涌水量预测结果见表2和表3。

表2　隧道最大涌水量预测结果Table 2 Prediction results of maximum water inflow of the tunnel

表3　隧道正常涌水量预测结果Table 3 Prediction of the normal water inflow of the tunnel

3　结论与建议

（1）本文针对青岛地铁1号线一标段暗挖隧道存在陆域部分和海域部分的特点，通过地下水动力学法的不同计算模型对该隧道涌水量进行预测。由于陆域段暗挖隧道涌水存在最大涌水量和正常涌水量的问题，这就要求在隧道涌水量预测过程中需综合考虑两者的影响，对此采用以地下水动力学法为基本原理的古德曼公式和铁路规范的经验公式计算了隧道的最大涌水量，同时用裘布依公式和铁路规范的经验公式计算了隧道的正常涌水量，这样较好地解决了该问题。预测结果显示:该隧道最大涌水量预测值为34 081.63 m3/d，正常涌水量预测值为29 954.03 m3/d。海域段由于接受海水的垂直入渗补给，其涌水量明显比陆域段的大很多，其次海域段线路为两端高中间低，不利于涌水的排出，因此在施工过程中应采取堵漏与排水相结合的措施，并在重点地段加强施工过程中的涌水量监测，以保证施工顺利进行。可见，针对线路较长，又经过多种不同水文地质条件的暗挖隧道工程，应尽量采用分段计算的方法预测涌水量，这样可使预测结果尽可能地接近实际涌水量，以便更好地指导隧道工程施工和排水设计工作。

（2）隧道K23+520～K23+960段和K30+ 916～K31+580段地质构造相似，但上覆岩层风化程度不同，因此对比两段隧道涌水量后，得出隧道上覆岩体风化程度越大隧道涌水量越大的结论。

（3）隧道K26+950～K30+260段有断裂E1、E2、E3、E4横穿，该段区域构造活动强烈，裂隙比较发育且连通性好，该地段隧道涌水量明显高于其他地段，因此可以得出碎裂带的存在会对隧道涌水量产生显著影响的结论。

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［12］TB10049—2004 铁路工程水文地质勘察规程［S］.

The Forecasting Study on the Water Inflow of the First Section's Bored Tunnel of Qingdao Metro Line 1

WAN Bin，XU Wei
（Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

The first section of Qingdao metro Line 1 between Wawuzhuang station and Guizhou road station is 8.2 km long including a length of 3.45 km under the sea.The floor of its foundation buries 45 meters deep underground as the metro crosses the sea and 21～130 meters when it crosses the land.The paper analyzes the characteristics of stratum lithology，geological structure and hydrological geology.Considering that the bored tunnel crosses both the land and the sea，the paper predicts the water flow by using different groundwater hydraulic models after comparing the existing calculation methods.The paper analyzes the predicted data and comes to a conclusion that the larger water inflow district lies in the area of high fracture density and high degree of rock weathering.So the paper provides the basis for tunnel design and safety construction.

bored tunnel；groundwater dynamic method；inflow prediction

X948；U456.3+2

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.029

1671-1556（2015）05-0163-05

2015-03-27

2015-07-29

万斌（1968—），男，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、设计及工程项目管理工作。E-mail:350977917@qq.com