互助北山特长隧道涌水量预测研究

摘 要：【目的】为了给隧道设计和施工提供依据，需对隧道涌水量进行预测。【方法】以青海互助北山特长隧道为例，基于勘察报告，综合分析其自然地理情况和工程地质条件，对地表水和地下水化学特征进行详细分析，采用降水入渗系数法、地下径流模数法和地下水动力法等三种方法对隧址区涌水量进行预测分析。【结果】结果表明，采用地下径流模数法计算的结果对施工安全的保障更有利。【结论】研究成果对类似特长隧道涌水量预测具有一定参考意义。

关键词：特长隧道；涌水量；降水入渗系数法；地下径流模数法；地下水动力法

中图分类号：TU443 " " "文献标志码：A " "文章编号：1003-5168（2024）12-0070-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.014

Research on Water Inflow Prediction of Extra-long Tunnel of Huzhu Beishan

ZHENG Liang1 LONG Guiyun1 LI Qingqing2

（1.Sinohydro Engineering Bureau 4 Co.， Ltd.， Xining 810007， China；2.Faculty of Engineering， China University of Geoscience， Wuhan 430074， China）

Abstract： [Purposes] In order to provide a basis for tunnel design and construction， it is necessary to predict the water inflow of the tunnel. [Methods] Based on the investigation report， this paper took the extra-long tunnel of Huzhu Beishan in Qinghai Province as an example， comprehensively analyzed its physical geography and engineering geological conditions， analyzed the chemical characteristics of surface water and groundwater in detail， and used precipitation infiltration coefficient method， underground runoff modulus method and groundwater dynamic method to predict and analyze the water inflow in the tunnel site area.[Findings] The results show that the calculation result of underground runoff modulus method is more favorable to the guarantee of construction safety. [Conclusions] This study has certain reference significance for the water inflow prediction of similar long tunnel.

Keywords： extra-long tunnel; water inflow; precipitation infiltration coefficient method; underground runoff modulus method; groundwater dynamic method

0 引言

隧道涌水量预测是隧道工程领域中的一项重要任务，尤其对于长大深埋隧道而言，其涌水量预测是一个涉及多学科、多领域的复杂问题［1］，具有影响因素多、计算方法复杂、模型验证困难等特点［2］，需要综合运用地质学、水文学、计算科学等多方面的知识和方法，才能得到较为准确的预测结果［3］。

近年来，许多专家学者在隧道涌水量预测方面进行了大量研究，并取得了一定进展。张修杰等［4］引入了实测数据拟合的动态涌水影响半径，推导出基于涌水影响半径的涌水量预测方法；蔡俊华［5］将地质预报和涌水量预测结果同施工各因素共同作为施工许可的评价指标，发现根据破裂带涌水预报建立的施工准许机制对隧道突水预报和灾变防治有显著的影响；王媛等［6］在建立了达西-非达西流的统一本构方程及有限元计算方法的基础上，对深埋巷道涌水量进行了计算；李铮等［7］提出了在施工过程中不考虑施工扰动影响的涌水量预报方法，并利用Visual-modflow软件对该方法进行了数值模拟和分析；傅鹤林等［8］在考虑到围岩不均匀的情况下，建立了隧道突涌水的计算模型，并推导出了涌水量和结构外部水压力的计算公式，最后与现场实测资料进行了比较，验证了该模型和公式的准确性；王健华等［9］提出了一种以有限（离散）解析为基础的涌水综合预报方法，并进行了相关的模拟试验。

本研究基于青海互助北山特长隧道片岩段实际工程情况，采用三种方法对涌水量进行了预测研究，为行业内类似工程施工设计和施工安全提供一定的参考。

1 自然地理情况

青海互助山路线里程ZK32+470～ZK43+634（左幅）、K32+493～K43+610（右幅）段地形起伏较大，设计拟以分离式隧道（互助北山特长隧道）形式通过该路段。左幅隧道起点里程为ZK32+470，止点里程为ZK43+634（左幅），隧道全长11 160 m，最大埋深约769.00 m，属构造剥蚀中高山地貌区。

1.1 地形、地貌

隧道区海拔高程为2 815～3 699 m，区内地形起伏较大，相对高差达884 m，工程区地势陡峭，天然坡降30°～55°，多为森林类型，植被较为丰富；基岩一般埋深较浅或裸露。

1.2 气候

本工程研究区域地处青藏高原东北缘，属高原半干旱型大陆性气候，整体上呈现寒长夏短，多风少雨，春旱夏凉，秋短冬长，蒸发量大，日温差大，雨、热同时存在等特征。区域多年平均气温-0.3～3.5 ℃，极端最高气温24.7～29.3 ℃，极端最低气温-33.1 ℃，多年平均年降水量为404.6～506.5mm，年最大降雨量为563.8～695.9 mm。根据多年以来的气象统计数据表明，区域内气候条件总体对施工较为有利，但雨季时间较长是影响本项目施工的主要的气候因素。

2 工程地质条件

2.1 地质构造与地震

拟建隧址区处于构造剥蚀浅切割中高山地貌区，根据区域勘察结果显示，隧址区虽未见有活动断裂性构造发育的迹象，但根据1∶50 000区域地质调查报告，F5断层为活动性断裂，如图1所示。物探资料显示，破碎带及其影响带较宽，为60～80 m。

工程区抗震设防烈度为Ⅶ度，由于场区近几年来断层的活动特征较弱，且没有形成中、强地震的可能，因此可以判定场区处在一个地壳基本稳定地区。

2.2 隧道围岩分级

依据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）中的相关规定，隧道围岩可按照围岩基本质量指标BQ或修正值［BQ］进行划分，见式（1）。

[BQ=100+3Rc+250 Kv] " " " （1）

式中：Rc为岩石单轴饱和抗压强度值；Kv为岩体完整性系数。计算结果及围岩分级详见表1。

综合分析后，确定互助北山特长隧道围岩分级划分为Ⅲ～Ⅴ级，Ⅲ级占34.87%，Ⅳ级占34.06%，Ⅴ级占31.07%。

3 水文地质条件

3.1 地表水

隧址区属侵蚀构造中切割中高山陡坡地貌，在里程约K35+600 m处为元甫沟冲沟，水深为0.20～0.50 m，勘查期间属丰水期，沟内流量1 000.0～2000.0 L/s；在里程约为K34+100 m、K34+900 m、K36+100 m、K36+900 m、K40+000 m、K41+000 m、K42+500 m处均分布有小型溪流，水深约为0.10～0.30 m，勘查期间属丰水期，沟内流量为100.0～400.0 L/s。

3.2 地下水

场地地下水主要有三类：第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水。从整体上看，工程区水文地质情况对隧道施工有很大的影响。

3.3 水文试验

根据隧道钻探任务要求，勘察阶段对各个钻孔进行了水文地质试验，试验方法根据钻孔实际情况选定。本研究对钻孔YFG2ZK-1采用注水试验，YFG2ZK-2采用抽水试验，YFG2ZK-3、4、6、13采用提水试验，各钻孔水文试验计算成果见表2。

4 隧道涌水量预测

在综合分析隧址区水文地质条件和水文地质资料的基础上，隧道涌水量拟采用大气降水入渗法、地下径流模数法及地下水动力学法分别进行分析预测。

4.1 降水入渗系数法

根据《铁路工程水文地质勘察规范》（TB 10049—2004）的要求，采用降水入渗系数方法对正常涌水量进行估算，计算公式见式（2）、式（3）。

[Q=2.74α×W×A] " " " "（2）

[A=L×B] " " " " " "（3）

以上式中：[Q]为隧道正常涌水量，m3/d，最大涌水量Qmax按正常涌水量的2倍计算；[α]为降水入渗系数，根据地层岩性特征采用规范经验值；[W]为年均降雨量，mm，气象资料显示，取最大值695.9 mm；[A]为隧道集水面积，km2；[L]为隧道长度，km；[B]为隧道涌水段的两面影响宽度，km。

隧道主线长度按右线长度11 117 m计算，影响宽度据1∶10 000区域图上量取约2.0 km。计算结果为：隧道正常涌水量Q=9 161.63 m3/d，最大涌水量Qmax=18 323.26 m3/d。

4.2 地下径流模数法

根据《铁路工程水文地质勘察规范》（TB 10049—2004）的要求，采用地下径流模数法进行估算，涌水量的计算公式见式（4）、式（5）。

[Q=M×A] " " " " " " （4）

[A=L×B] " " " " " " "（5）

以上式中：[Q]为隧道正常涌水量，m3/d，最大涌水量Qmax按正常涌水量的2倍计算； [M]为利用枯水期流量和相似的集水区面积来计算的模数，m3/（d·km2）；[A]为隧道通过含水体地段的面积，km2；[L]为隧道长度，km；[B]为隧道涌水段的两面影响宽度，km。

隧道分段涌水量计算过程及参数选取详见表2，计算可得该隧道正常涌水量Q=11 132.64 m3/d，最大涌水量Qmax=22 265.28m3/d。

4.3 地下水动力学法

本研究根据各钻孔的水文地质试验结果计算所得渗透系数，采用裘布依公式法估算隧道各段的正常涌水量，见式（6）。

[Q=LKH2−ℎ2Ry−r] " " " " " " "（6）

式中：[Q]为隧道正常涌水量，m3/d；[L]为隧道穿过含水体长度，m；[K]为水文试验所的渗透系数，m/d；[H]为洞底以上潜水含水体厚度，m；[ℎ]为洞内排水沟假设水深，m；[Ry]为隧道涌水地段引用补给半径，m，以[Ry=2S×HK]公式求得；[S]为水位降深，m。

隧道长度按右线长度111 17 m计算，计算结果为：隧道正常涌水量Q=6 752.32 m3/d，最大涌水量Qmax=13 504.64 m3/d。

4.4 隧道涌水量预测评价

三种方法计算结果如图2所示。

由图2可知，采用降水入渗系数法计算的隧道主线正常涌水量为9 161.63 m3/d，采用径流模数法计算的正常涌水量为11 132.64 m3/d，采用地下水动力学法计算的结果则为6 752.32 m3/d，其计算值明显偏低，而对于降水入渗系数法，在实际过程中其较适用于埋藏深度较浅的隧道，本研究中互助北山特长隧道地质情况复杂，埋藏较深，因此采用能反映区域地质条件的径流模数法，计算的隧道主线正常涌水量Q=11 132.64 m3/d，最大涌水量为Qmax=22 265.28 m3/d。

5 结语

本研究针对互助北山特长隧道的复杂情况，基于勘察报告和相关行业规范的要求，采用降水入渗系数法、地下径流模数法和地下水动力学法对隧道涌水量进行预测研究。通过计算分析发现，采用径流模数法计算的涌水量值最大，且更能反映区域实际地质条件。故选取隧道主线正常涌水量Q=11 132.64 m3/d，最大涌水量Qmax=22 265.28 m3/d。

但在实际工程中，特长深埋隧道的涌水量受到多种因素的影响，包括地质条件、气候条件、围岩特性、施工方法等。这些因素之间相互影响、相互制约，因此采用地下径流模数法计算的结果不一定就是最安全可靠的，隧道涌水量的预测还应采取各种综合勘察手段。

参考文献：

［1］苏培东，赵熠，邱鹏，等.花岗岩蚀变带隧道涌水量预测研究［J］.地下空间与工程学报，2023，19（1）：291-301，318.

［2］周玲，杨广庆，杨青潮.基于优化组合模型及重标极差法的岩溶隧道涌水量预测研究［J］.武汉大学学报（工学版），2020，53（10）：875-882.

［3］李嘉诚，王渭明，吕显州，等.爆破振动下海底隧道涌水量预测研究［J］.水文地质工程地质，2023，50（4）：127-136.

［4］张修杰，周学民，韦未，等.基于涌水影响半径的隧道涌水量预测方法研究［J］.人民长江，2023，54（5）：163-168.

［5］蔡俊华.基于破碎带涌水预测的山岭隧道施工许可机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2017，36（4）：964-976.

［6］王媛，秦峰，夏志皓，等.深埋隧洞涌水预测非达西流模型及数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（9）：1862-1868.

［7］李铮，何川，杨赛舟，等.不考虑开挖扰动影响的隧道涌水量预测模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2016，35（12）：2499-2506.

［8］傅鹤林，安鹏涛，李凯，等.围岩非均质性对隧道突涌水的影响分析［J］.岩土力学，2021，42（6）：1519-1528.

［9］王健华，李术才，李利平，等.隧道岩溶管道型突涌水动态演化特征及涌水量综合预测［J］.岩土工程学报，2018，40（10）：1880-1888.