富水区隧道区域水流场动态分析及涌水量预测

蒲 实， 谭因军， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

山区地质环境多变，隧道施工难度大、地质灾害风险高，其中富水区隧道的安全问题尤为突出。富水区隧道施工中易产生突泥涌水等具有突发性灾害，造成施工人员伤亡、机具设备损毁、冲垮现有支护段和堵塞隧道重大事故。

Nastev等(2005年)建立了加拿大魁北克省蒙特利尔市西北地区地下水流模型，研究了区域地下水流特征，而且对地下水资源可开采量以及地下水动力学参数进行了定量评价。谭志豪等以在建中的曾文水库引水隧道工程为例，结合隧址之地理、地层、地质构造及地下水文条件，并应用MODFLOW建立水文地质概念模式来评估隧道施工期间的可能涌水量。

本文结合都府隧址区域水文地质及施工资料，采用Visual-Modeflow软件建立水文地质模型，通过研究隧址区完整的水文年稳定流计算模拟，验证模型的参数的正确性；模拟有无止水措施情况下隧址区域地下水的渗流场分布及变化规律，评估隧道运营后周边区域的地下水环境恢复情况，预测临近断层区域时的涌水量并初步评判掌子面稳定性。

1 Visual MODFLOW地下水模型

1.1 模型

地下水环境的模型是采用数学的方式描述自然水文地质系统的基本属性。在地下工程中，需要在建立研究区域水文地质概念模型后，再转换成相应的数学模型。水流场则是在代入初始条件、边界条件以及地下水文荷载后，通过流动控制方程式予以求得。建立三维模型模拟地下水流如图1所示。

图1 模拟区域的三维模型

1.2 初始水位

根据钻孔的地表高程和水位高程进行线性回归分析。根据都府隧道隧址区域钻孔资料分析能得到地表高程与地下水位高程关系见图2。

图2 地表高程与地下水位关系

从图2可得地下水位高程与地表高程之间的关系式为：地下水位高程=0.9792地表高程+16.188。

可看出地下水位与地表高程的相关性系数为0.971 7，满足计算需要，据此可计算研究区域内地下水分布情况。

1.3 模型离散化

建立的模型尺寸的范围X方向为3 308m，Y方向为1 400m，在平面部分共划分150×200个单元，垂直向上划分为31层，总计930 000个单元。模型底板取水平面，根据研究区域水文地质纵横断面剖面图、钻孔资料将模型划为相应的层。根据降雨量、蒸发量、地表径流、气象条件等综合判断，把完整的水文年离散成12个应力期，再将每个应力期又细分为10个时间步。

1.4 模拟参数选取

等效多孔介质理论是本文计算的基础。将复杂的岩层及地质构造简化为多个水文地质单元，将地勘资料和试验获得各水文地质单元的相关参数赋给相应的水文地质单元。综合分析本地区的地形地貌特征、地表的植被覆盖及地表土层的情况，得到表1反复试算的相关参数。

表1 工程区域内各岩层透水物理参数

1.5 模型检验与参数识别

通过对物理模型进行校验，以保证结果的可靠性。因为观测资料的缺乏，只有将线性回归得到的初始水头赋予该物理模型，进行稳定流计算，然后把稳定流模拟得到的水头作为物理模型的初始水头。模拟结果见图3。

图3 稳定流自然条件下地下水流场模拟平面(单位：m)

如表2所示，观测井得到的水位模拟值与工程实际观测值的对比；从中可得出，都府隧址区地下水位实际值与模拟值误差较小，说明模型的边界条件、参数赋值比较合理，可继续用该模型对研究区域进行隧道开挖的研究。

表2 观测点误差统计表 m

2 区域地下水流场分析

2.1 无止水措施区域水流场分析

在无止水措施的条件下，采用非稳定流模拟隧址区地下水流场分布规律。模拟计算结果见图4与图5。

图4 隧道贯通后轴线总水头等值线分布纵剖面(无止水措施，单位：m)

图5 自然状态总水头等值线平面(单位：m)

由图4、图5可知无止水措施条件下隧道贯通后隧址区域的地下水渗流场发生了明显的变化。由于山体开挖形成的临空面，使隧址区域的地下水流动的方向发生了变化，原来向山峰两侧流动路径改变为基本垂直向下流动进入隧道内部。由于隧道埋深较小，隧道的贯通对隧址区地下水流场的影响较大，对隧道半径方向的影响范围大约为500m，由此可见隧道开挖对隧址区域的水生态环境产生了比较大的影响。随着开挖时间的增加，隧址区地下水渗流场逐渐趋于稳定，隧道开挖后300d地下水流场就基本不发生变化了。

2.2 有止水措施区域水流场分析

在有止水措施的条件下，采用非稳定流模拟隧址区地下水流场分布规律。计算结果见图6、图7。

图6 隧道贯通后左幅轴线总水头等值线分布纵剖面(有止水措施，单位：m)

图7 左幅隧道贯通后轴线总水头等值线分布平面(有止水措施，单位：m)

由图6、图7可知施加止水措施后，地下水不能自由流出山体，地下水水位也逐渐恢复到原来状态。隧道开挖后30d，对地下水流场影响的范围在隧道半径方向大约150m；隧道开挖后150d，对地下水流场影响的范围在隧道半径方向大约50m。将在无止水措施条件下隧道贯通后轴线总水头等值线剖面图与非稳定流自然状态下隧道轴线总水头等值线剖面图进行对比，隧道施加止水措施后对整个地下水渗流场影响很小，逐渐恢复到自然条件下地下水流场状态。

2.3 隧道施工涌水量预测

都府隧道涌水量预测主要参考《铁路工程水文地质勘察规程》，并根据勘察和试验取得的参数综合分析确定。

(a)无止水措施

(b)加止水措施图8 隧道正常涌水量(单位：m3/d)

由图8可以看出，隧道开挖至YK12+350断面时，隧道未加止水措施与加止水措施的涌水量预测结果分别为3 537.23m3/d和2 508.10m3/d。

表4 掌子面稳定性识别判据

计算得到换算掌子面涌水量为116.12L/min，隧道开挖至YK12+350断层时，掌子面可能发生坍塌。

3 结论

采用MODFLOW软件，模型赋予水文地质参数进行参数验证和隧道开挖计算。最终得到的结论如下：

(1)在隧道未进行开挖时，地下水环境没有受到扰动，隧址区的地下水渗流场基本处于稳定状态。

(2)由于山体开挖形成的临空面，使隧址区域的地下水流动的方向发生了变化，由原来基本向山峰两侧流动转而基本垂直向下流入隧道内部，然后排出隧道。对隧道半径方向的影响范围大约为500m。

(3)隧道施加止水措施后对整个地下水渗流场的影响减小，地下水流场逐渐恢复到自然条件下地下水流场的状态的，所以隧道在开挖后，要及时止水，减小地下水的流失。

(4)需要对隧道穿越断层破碎带的过程进行进一步研究，探明掌子面失稳破坏的过程，及配套对应的掌子面稳定技术，为顺利穿越断层提供保障。