隧道工程勘察阶段涌水预测的问题探讨

袁广祥，李建勇，黄志全，王朋姣

(华北水利水电大学，河南郑州 450045)



隧道工程勘察阶段涌水预测的问题探讨

袁广祥，李建勇，黄志全，王朋姣

(华北水利水电大学，河南郑州 450045)

隧道涌水量预测对隧道的设计和施工至关重要，相关勘察规范要求在一定阶段预测隧道涌水量。目前有多种方法用于预测隧道涌水量，但每种方法都有其适用范围。通过对这些方法进行分析，结合对实际隧道工程涌水量的预测，对于裂隙岩体中的隧道，要准确预测隧道涌水量，需要解决两个问题：地下水位和渗透系数。以钻孔水位为基础，利用物探技术，建立等效的虚拟基岩裂隙水连续水位线。渗透系数一般由钻孔水文地质试验测得，在涌水预测时，应根据优势结构面产状进行修正。

隧道 勘察 涌水 预测

Yuan Guang-xiang，Li Jian-yong，Huang Zhi-quan，Wang Peng-jiao. On prediction of water inflow into tunnels during engineering surveys [J]. Geology and Exploration, 2015, 51(5):0993-0998.

隧道在施工和运营期间发生涌水，会严重影响隧道的施工和运营，造成巨大的经济财产损失，甚至会造成人员伤亡。如日本的旧丹那隧道1918年开工后曾6次遇到大突水，造成严重伤亡，致使工期达16年之久。我国的大瑶山隧道竖井平导洞施工时，发生突水，造成竖井和洞内设备被毁，中断施工1年之久。雅砻江锦屏二级水电站施工探硐发生大型突水，冲毁了施工设备，并废弃了一条施工隧道(王建秀等，2004)。因此，在勘察阶段，准确预测隧道涌水量，对隧道设计、安全施工和运营管理都是相当重要的，尤其对合理选择隧道防排水措施特别重要。为此一些勘察规范要求在勘察阶段预测隧道的涌水量，如《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定在地下洞室的详细勘察阶段应预测开挖期间出水状态、涌水量；《铁路工程地质勘察规范》(TB10012-2007)要求预测洞身最大涌水量和正常分段涌水量；《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049-2004)对山岭隧道工程的水文地质调绘要求分段预测施工阶段可能发生的最大涌水量和正常涌水量；《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)对初步设计阶段隧洞的勘察要求估算最大涌水量；《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)对可行性研究阶段地下厂房系统的勘察，要求预测掘进时发生突水、突泥的可能性，估算最大涌水量和稳定涌水量；《公路工程地质勘察规范》(JTGC20-2011)对初步勘察阶段要求查明地下水涌水量。

1 涌水量预测方法的探讨

关于隧道涌水量预测的方法，《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)、《铁路工程地质勘察规范》(TB10012-2007)《水力发电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)和《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)中并未提及。《公路工程地质勘察规范》(JTGC20-2011)只提出“隧道的地下水涌水量应根据隧址水文地质条件选择水文地质比拟法、水均衡法、地下水动力学方法等进行综合分析评价。”并未给出具体的计算方法。《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049-2004)给出了几种预测隧道涌水量的方法：简易水均衡法(包括地下径流深度法、地下径流模数法及降雨入渗法)、地下水动力学法(古德曼经验公式、佐藤邦明非稳定流式、裘布依理论公式及佐藤邦明经验式)和水文地质比拟法。

1.1 水均衡法

水均衡法是地下水资源评价的一种基本方法，根据质量守恒原理，视均衡区为一整体时，某一均衡时段内地下水补给量与消耗量之差，应等于该均衡区含水层中地下水总量的变化量(林坜等，2011)。基于水均衡的原理，可以查明隧道施工期水量的补给与消耗之间的关系，进而可以获得施工段的涌水量。常用的水均衡方法有地下径流深度法(式1)、地下径流模数法(式2)和大气降水入渗法(式3)。

Qs=2.74h·A

(1)

Qs=M·A

(2)

Qs=2.74α·W·A

(3)

式中：Qs——隧道通过含水体地段的正常涌水量(m3/d)；

h——年地下径流深度(mm)；

A——隧道通过含水体地段的集水面积(km2)；

M——地下径流模数[m3/(d·km2)]；

W——年降水量(mm)；

α——降水入渗系数。

地下径流深度法(式1)：假定在某一流域内，大气降水是地表水、地下水、蒸发蒸散和地面滞水等的总源。

由式1可见，地下径流深度法预测隧道涌水量，需要考虑的因素很多，包括渗流域的气候、降水量及其强度、植被、地形地貌和地质(岩性、构造)条件等，而且关系复杂。

地下径流模数法(式2)和大气降水入渗法(式3)：假设隧道涌水是通过大气降水入渗造成的，入渗到隧道的水量受地下径流模数(M)和降水入渗系数(α)的影响。而这两个参数又受地形地貌、植被、地质和水文地质条件的影响。

由此可见，水均衡法只能针对独立的地表水流域内或水文地质单元，预测进入施工段总的“可能涌水量”，而不能用来计算单独隧道的涌水量，更不能对隧道进行分段预测涌水量。由于水均衡法考虑的是地下水的补给与排泄之间的关系，而补给的主要来源是大气降水，因此，采用水均衡法计算时，要求有比较丰富的气象、水文及水文地质资料。此外，埋深较大时，水量的变化受外界影响较小，因此，水均衡法一般适用于浅埋隧道。

1.2 地下水动力学法

1962年Polubarinova-Kochina(1962)导出了隧道单位长度涌水量的近似计算公式，自此之后许多学者以地下水动力学理论为基础，基于如图1所示的计算模型，对隧道涌水量进行了预测研究，推导出来了一系列的公式(袁广祥等，2013)：

q=2πKh·f(h/r)

(4)

式中：q——隧道单位长度稳定渗流量[m3/(d·m)]

K——渗透系数(m/d)

r——隧道半径(m)

h——地下水位与隧道中心线之间的距离(m)。

f(h/r)是h/r的函数，不同的计算公式，其表达式不同。

图1 简化的计算模型Fig.1 Simplified model of calculation

对于这一系列公式，当h>>r时其值近似相同。由于在这些公式中古德曼公式(式5)表达最简单，所以可以用古德曼公式表示。

(5)

《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049-2004)推荐了古德曼公式和佐藤邦明非稳定流式(6)两种计算方法用于预测最大涌水量，同时推荐了裘布依理论式(7)和佐藤邦明经验式预测正常涌水量(8)。

(6)

式中：q——隧道通过含水体地段的单位长度最大涌水量[m3/(s·m)]；

m——换算系数，一般取0.86；

hc——含水体厚度(m)。

(7)

式中：qs——隧道通过含水体地段的单位长度正常涌水量[m3/(s·m)]；

H——洞底以上潜水含水体厚度(m)；

h1——洞内排水沟假设水深(一般考虑跃水值)(m)；

Ry——隧道涌水地段的引用补给半径(m)。

(8)

由于这些方法是以地下水动力学理论为基础的，为满足地下水动力学的条件，一般要对简化地质模型做一些基本假定，这些假定会导致在计算的过程中与实际情况有出入。

《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049-2004)编写组根据工程实例总结出预测隧道正常涌水量(式9)和隧道最大涌水量(式10)的经验公式：

qs=K·H(0.676-0.06K)

(9)

q=0.0255+1.9224K·H

(10)

这两个公式是用日本2个隧道、前苏联1个坑道和我国2个隧道的最大涌水量、正常涌水量、平均渗透系数、平均含水体厚度和涌水影响宽度等实际资料，经相关分析得出的。所以，这两个公式在实际应用中存在一定的局限性，计算结果一般比上述理论公式要大，和实际结果相比，其预测值也较大。

第四纪松散沉积物中的孔隙水分布较均匀，含水层内水力联系密切，具有统一的潜水面或测压面。位于第四纪松散覆盖层中的隧道，在预测其涌水量时，上述各公式计算结果与实际较符合。对于山岭隧道，围岩多为裂隙岩体，地下水以基岩裂隙水为主。相对于孔隙水，裂隙水的分布与运动要复杂得多。简单地利用上述公式进行涌水量预测，误差较大，需要开展专门的研究。但是，对于多数隧道工程，一般不会开展专门的地下水预测研究，而是利用上述公式中的几种进行预测。从上述公式中可以看出，要准确预测隧道涌水量，需要解决两个问题：地下水位和渗透系数。

2 地下水位的确定

从式(1)～(10)中可以看出，不论哪一个公式，地下水位的确定是进行计算的关键。在隧道工程中，尤其是山岭隧道，只有在钻孔处知道准确的地下水位。

相对于裂隙而言，基岩中的孔隙很小，尤其是在水体的赋存方面，基岩中的孔隙水可以忽略不计。因此，基岩中的地下水一般为裂隙水。和第四纪松散覆盖层中的孔隙水相比，基岩裂隙水的埋藏和分布情况复杂。岩石裂隙是基岩裂隙水的储存空间和运移通道(图2)，而岩体裂隙的大小和形状受地质构造、地层岩性和地貌条件等控制。这些因素造成了基岩裂隙水无统一的地下水面，有时呈无压水和承压水交替出现的情况，很难确定地下水位，依靠几个钻孔，无法建立连续的地下水位线。而且在实际工作中，钻孔数量相对较少，《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定， 初步勘察时钻孔间距宜100～200m，详细勘察时山区地下洞室钻孔间距不应大于50m；《油气田及管道岩土工程勘察规范》(GB50568-2010)规定，陆上隧道初步勘察时钻孔间距400～600m。

图2 裂隙水系统Fig.2 Fissure water system

如上所述，基岩裂隙水没有统一的地下水面，实际上不存在连续的地下水位线(图2)。而在勘察阶段对涌水量预测时，需要一个连续的地下水位。因此，需要对裂隙岩体的渗流模型进行假设。目前常用的渗流模型有等效连续介质模型、离散裂隙网络模型及二者联合起来的混合模型(王海龙，2012)。从理论上讲，离散裂隙网络模型最符合实际情况，但在应用中需要掌握岩体中每条裂隙的分布情况和几何形态。在实践上是不可能的。因此，目前的计算，一般把裂隙岩体简化为等效连续介质模型，在此基础上确定地下水位。

基岩裂隙富水，导致岩体的地球物理特性表现为明显的低阻性；地下水的存在，会在一定程度上对岩石起到软化作用，其波速也会降低。基于含水岩体的这些地球物理特性，可以利用地球物理勘探的方法探测地下水。如地震法、电法等物探方法在探测地下水中得到广泛应用。

隧道工程在勘察阶段一般不进行地下水探测，但为查明地下地质条件，一般要采取地球物理勘探方法。如《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)要求地下洞室在初步勘察阶段，应采用在浅层地震剖面法或其他有效方法圈定隐伏断裂、构造破碎带，查明基岩埋深、划分风化带；在详细勘察阶段，可采用浅层地震勘探和孔间地震CT或孔间电磁波CT测试等方法，详细查明基岩埋探、岩石风化程度、隐伏体的位置。在分析地球物理数据时，可以结合当地的实际情况，分析地下水的赋存情况。由于裂隙水不存在连续的地下水位线，在实际工作中应结合物探结果和钻孔中的地下水位，给出虚拟的连续地下水位线。

图3 西气东输某隧洞工程地质剖面图Fig.3 Geological profile of a tunnel in west-east gas transmission project1-第四系；2-上元古界长英质糜棱岩；3-上元古界黑云石英片岩；4-地层界线；5-断层破碎带；6-地下水位及水位线；7-强 风化；8-弱风化；9-微风化；10-风化界线；11-钻孔及其编号；12-探井及其编号；13-隧道设计位置1-Quaternary; 2-Upper Proterozoic felsic mylonite; 3-Upper Proterozoic biotite quartz schist; 4-stratigraphic boundary; 5-fault broken zones; 6-underground water level and level line; 7-intensely weathering; 8-moderate weathering; 9-weak weathering; 10- weathering boundary; 11-drill hore and number; 12-wells and number; 13-tunnel design location

3 渗透系数的确定

从上述各式中可以看出，确定地下水位后，为准确预测涌水量，还需要准确的渗透系数。目前确定渗透系数的方法主要是进行水文地质试验，包括抽水、压水、注水和提水试验等。这些水文地质试验都是在钻孔中进行的。一般在隧道勘察阶段都需要选择一定数量的钻孔，在一定的深度进行水文地质试验，测定岩体的渗透系数。

通过水文地质试验求得的岩体渗透系数应该是最符合实际的。但水文地质试验是在钻孔内进行的，所求的渗透系数是地下水向钻孔渗流时的系数。基岩裂隙水在岩体中的流动与裂隙的产状有密切关系，岩体中裂隙的各向异性导致裂隙水渗流的各向异性。也就是说，渗透系数也表现为明显的各向异性。利用地下水向垂直钻孔渗流测得的渗透系数，很难适用于近水平隧道的地下水的渗流。即水文地质试验测得的是水平方向的渗透系数，而隧道涌水量预测时需要的是垂直方向的渗透系数。目前几乎没有在勘察或设计期间求取垂直方向上的渗透系数。一般直接利用钻孔水文地质试验的结果。

岩体及其渗透系数的各向异性均受岩体裂隙的控制。渗透系数与裂隙的密度、产状应该有密切的关系。同一岩体，水平方向和垂直方向上的差异应该主要表现为裂隙倾角的差异。勘察阶段进行的工程地质测绘及钻孔岩芯编录，可以得知岩体裂隙的优势倾角。因此，已知岩体水平方向上的渗透系数，可以通过裂隙倾角的修正，求得更符合实际的垂直方向上的渗透系数。

4 工程实例

西气东输某隧道围岩主要是上元古界黑云石英片岩、上元古界长英质糜棱岩和断层破碎带，地表覆盖很薄的第四系碎石土(图3)。在勘察阶段，测出了钻孔中的地下水位，如图3中所示；同时进行了钻孔注水试验，测得了不同岩性的渗透系数(表1)。

表1 钻孔注水试验结果

图4 隧洞物探综合解释剖面图Fig.4 Cross section of comprehensive interpretation of geophysical exploration for the tunnel

图5 节理倾角直方图Fig.5 Histogram of joint dip angles of the tunnel

在对隧道涌水量进行预测时，首先根据物探结果(图4)，建立了虚拟的连续地下水位线，如图3中所示。其次，根据结构面的发育情况和对渗透系数进行了修正。根据现场调查结果，片理是工程区最主要的结构面，其平均产状为199°∠89°，与隧道轴线(走向131°)方向呈小角度相交。

工程区的节理以陡倾角为主(图5)，受区域构造的影响，其主导走向105～114°，间距0.1m～1.0m，与隧道轴线(走向131°)方向呈小角度相交。

由此可知，隧洞围岩向隧洞方向的渗透系数要比钻孔测得的渗透系数大。在进行涌水量预测计算时，所取的渗透系数K值比表1所列的值大，黑云石英片岩取K=0.9m/d，长英质糜棱岩取K=0.5m/d。

根据上述建立的虚拟的连续地下水位线和修正的渗透系数，对隧洞涌水量进行了预测，其结果和当地其他隧道开挖的实际涌水量相近，符合该隧洞的实际情况。但渗透系数的具体修正值和修正方式，需等到该隧洞开挖后和实际涌水量进行对比，才能得出更可靠的结论。

5 结论

在勘察阶段准确预测隧道开挖时的涌水量，对保障施工和运营期间隧道的安全相当重要，因此相关的勘察规范要求在隧道勘察的一定阶段预测可能涌水量。但对于基岩裂隙水，其赋存和渗流规律都很复杂，导致预测的涌水量与实际涌水量出入较大。通过对多个隧道进行涌水预测发现，目前存在两个问题直接影响预测结果。

(1) 地下水位线的确定。基岩裂隙水不存在统一的地下水位线，但现在多采用有限的钻孔确定连续的地下水位线。这显然与实际不符。在勘察中一般要进行地球物理勘探，因此可借助物探在基岩裂隙水探测中的成果，建立等效的虚拟的地下水位线。

(2) 渗透系数的确定。由于岩体的各向异性，利用钻孔测得的渗透系数进行近水平隧道的涌水预测，显然与实际不符。根据岩体优势结构面产状对钻孔测得的渗透系数进行修正，其预测结果可能更加准确。

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On Prediction of Water Inflow into Tunnels during Engineering Surveys

YUAN Guang-xiang，LI Jian-yong，HUANG Zhi-quan，WANG Peng-jiao

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450045 )

Prediction of water inflow into a tunnel is very important for design and construction．The relevant codes require predict water yield into the tunnel during some stage of a survey. There are many methods for such prediction, while each has its own applicable limit. When predicting water yield into tunnel during investigation, we find that two questions should be solved to realize precise prediction: determination of the water table and the coefficient of permeability. An equivalent water table of bedrock fissure water can be obtained based on drill holes and geophysical methods. The coefficient of permeability can be measured by hydrogeological tests, which should be amended based on occurrence of main discontinuities.

tunnel, survey, water inflow, prediction

2015-01-18；

2015-07-23；[责任编辑]陈伟军。

国家自然科学基金项目(编号：41402269)、河南省科技创新人才计划、华北水利水电大学青年科技创新人才项目联合资助。

袁广祥(1981年-)，男，2009年毕业于中国科学院地质与地球物理研究所，获博士学位，副教授，现主要从事工程地质方面的科研与教学工作。E-mail：yuanguangxiang@126.com。

黄志全(1970年-)，男，教授，博士，现主要从事岩土工程方面的研究。E-mail：huangzhiquan@ncwu.edu.cn。

TV672

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