二广高速公路跑石界隧道涌水量计算与分析

２０１５年第２期　广东公路交通　ＧｕａｎｇＤｏｎｇ　ＧｏｎｇＬｕ　ＪｉａｏＴｏｎｇ　总第１３７期　文章编号：１６７１—７６１９（２０１５）０２—００４５—０４　二广高速公路跑石界隧道涌水量计算与分析　余素萍　（广东交通职业技术学院，广州５１０６５０）　摘要：在隧道施工过程中，隧道区工程地质和水文地质条件如未能提前查明常常导致围岩失稳、隧道涌水和流　土等问题。在这些问题中，隧道涌水较为常见并往往威胁施工人员的人身安全，同时也将影响施工进度且增高　工程造价。以二广高速公路跑石界隧道为例，在前期专项水文地质勘察的基础上，通过几种不同的计算方法，对　该隧道涌水量进行了计算。通过与实测涌水量的对比，指出各涌水量计算方法的优缺点，根据各方法的适用条　件为该隧道的顺利实施提供技术支持。　关键词：山岭隧道；涌水量；地下水动力法；降水入渗法　中图分类号：Ｕ４５３．６１　文献标识码：Ｂ　Ｏ　引言　隧道具有克服地形障碍、缩短里程、提高车　速、减少地表植被破坏和保护自然生态环境等优　点ｕ　，因而在山区高等级公路建设中越来越受重　视　Ｊ。随着经济和科技水平的不断提高，我国近　种既实用、准确性又高的隧道涌水量计算方法。　１　研究区概况　跑石界隧道位于二广高速公路粤西北的　ＹＫ１１１＋３５０～ＹＫ１１１＋９４２工作区，该地区属于中　纬度亚热带季风性湿润气候区。隧道穿过的地区　为低山丘陵地貌，隧道埋深约４０～９５ｍ，地面相对　年来修建道路的大量隧道工程长度和宽度都日趋　扩大　。然而，隧道工程的建设常常面临围岩　高差约５５ｍ。隧道右线穿越一个突出的小山体，左　线则沿着一条山谷而过延伸。　根据２０１２年８月专项水文地质勘察结果所计　算出的ＹＫ１１１＋３５０～ＹＫ１１１＋６８０段涌水量为　９５０～１　３００ｍ　／ｄ［１７］，变形、涌水、突水、地面沉降及塌陷等地质灾害¨　，　它因而较露天道路更具有“风险大、时效性强、施　工空间狭小且环境条件恶劣”等特点。在诸多地　质灾害中，涌水（尤其是携带大量碎屑物质时）被　认为是危害性最大的地质灾害之一＿１　＇卜Ｈ　，学术　界在涌水量计算　’　］、预测　－９，１１，１２，１４］、机理　］　及治理方案　’ｍ　等方面一直给予了大量的关注。　二广高速公路跑石界隧道的涌水问题是粤北　地区隧道涌水问题的典型案例。该隧道位于二广　该涌水量预测值排除了整体　注浆硬化等高造价施工措施。监测结果表明（图　Ｉ），实测的最大涌水量为Ｉ　９５０ｍ。／ｄ，平均涌水量　为１　５５０ｍ　／ｄ。施工之初与预测值基本吻合，但　２０１３年５月以来的实际涌水量已经远超上述预测　值，隧道拱脚大量涌水，导致局部路段已经渗透出　高速ＹＫ１１１＋３５０一ＹＫ１１１＋９４２工作区，其专项　水文地质勘察成果　为隧道工程的设计变更、造　二衬（图２），给施工及运营带来了极大的困难。　价及施工安全提供了较为可靠的依据。然而，专　项勘察最终计算出的涌水量与实测涌水量虽在初　期较为吻合（９５０～１　３００ｍ　／ｄ），但该计算值随着　时间的推移越来越低于实际情况，并给后期施工　及运营带来较大困难。基于此，本文以跑石界隧　道ＹＫ１１１＋３５０一ＹＫ１１１＋９４２工作区为对象，开展　多种隧道涌水量预测方法的综合分析，旨在寻求一　图１涌水量变化曲线　作者简介：余素萍（１９６７一），女，籍贯：江苏扬州，副教授，主要从事工程地质及地质资源和建筑材料相关的研究工作。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｓｐｓｈｅｅｐ＠１６３．ｅｏｍ．　・４５・　２０１５年第２期　广东公路交通　总第１３７期　图２跑石界隧道拱脚大量涌水　２　涌水量的计算　隧道涌水量的计算及预测一直是学术界关注　的焦点，目前较为常见的主要有水均衡法、地下水　动力学法、地质类比法、数值计算法和回归分析法　等　Ｉ９’“　’　］。鉴于跑石界隧道ＹＫ１１１＋３５０～　ＹＫ１１１＋９４２段实测涌水量与计算涌水量的差别　较大，本文利用上述主要的涌水量计算方法开展　涌水量计算并对比相关的计算结果。　２．１水均衡法　水均衡法也称降水入渗法，它是计算某地下　水流域（或一个地区）内一定时期的水流人量与流　出量之间的数量关系　Ｊ。该方法是在现场观测的　基础上经过统计分析来确定一些因素，利用这些　特有因素进行确定隧道涌水量。水均衡法的涌水　量计算公式如下：　Ｑ＝　（１）　式中的隧道涌水量ｑ（ｍ　／ｄ）、集水面积Ｆ　（ｋｍ　）、降雨量Ａ（ｍｍ）、大气降雨渗入系数　和　渗流时问　（ｄ）主要是通过在现场观测的基础上　经过统计分析来确定。　在本研究中，跑石界隧道所在工作区的降水　量分布与地形、地貌和植被有关，其多年平均降水　量１　６２８．５—１　７８５．４ｍｍ，丰水期４～８月，其降水　量占全年的６４．３％～６６．２％。据此，上述计算式　中集水面积Ｆ取０．７６　ｋｍ　；降雨量Ａ取１　７８５．４　ｍｍ；大气降雨渗入系数　取０．２５；渗流时间　取为　１８０ｄ（６个月）。将参数代入，计算得该区段涌水量　为１　８８７ｍ　／ｄ，与实测涌水量值相比误差为２１．７％。　２．２解析法　解析法又称地下水动力学法　，该方法利用　求解方程来获得给定初值条件和边界下的涌水　量。计算过程中，根据地下水的动力学原理建立　．４６．　一系列方程，这些方程均属于关于地下水运动规　律的基本方程，利用数学解析的方法对基本方程　求解。对于山岭隧道，含水层在水平方向一般为　无限补给；根据隧道位置与含水层间的相互关系，　一般为完整型隧道；此外根据地下水的赋存性，分　为潜水和承压水两种类别¨　＇　］。　２．２．１　潜水　当隧道通过的含水层为水平的潜水含水层　时，隧道涌水量计算式为：　Ｑ＝ＢＫ　（２）　式中：Ｋ为含水岩层渗透系数（ｍ／ｄ）；ｑ为涌　水量（ｍ　／ｄ）；日为隧道底面以上的含水层平均厚　度（ｍ）；　为隧道穿过含水层的长度（ｍ）；Ｒ为影　响半径（ｍ），其取值为８０～５００ｍ并视含水层性质　而定；ｈ为水位下降曲线在隧道边墙上的高度（可　设为０）。　上述计算式中，通过抽水试验、现场注水试　验、压水试验等方法可以确定影响半径（Ｒ）及含水　层渗透系数（Ｋ）。　２．２．２承压水　当隧道通过承压含水层时，隧道涌水量计算　式为：　ｑ：肷　（３）　式中：Ｈ为承压含水层的静止水位（ｍ）；Ｍ为　承压含水层厚度（ｍ）；其余符号同上。　在本研究中，按含水层性质可将跑石界隧道　的地下水划分为断层破碎带水、块状基岩类裂隙　水和松散层孔隙水。因此，应选用潜水含水层条　件下的地下水动力学法公式（２），首先根据抽水试　验、压水试验来确定渗透系数（Ｋ）和影响半径　（Ｒ）；然后分段计算出跑石界隧道ＹＫ１１１＋３５０～　ＹＫ１１１＋９４２的涌水量。最终计算出的涌水量结　果为１　３３０．５　ｍ　／ｄ，相对误差为一１４．２％。　２．３地质类比法　地质类比法是在水文地质条件相似的基础　上利用现有隧道的实测涌水量来估算拟开挖隧　道的涌水量　。预测拟开挖隧道的涌水量计算　公式为：　ｑ＝Ｑ　×　（４）　式中，Ｆ＝Ｂ×Ｌ，Ｆ　＝Ｂ。×Ｌ　，其中：（１）拟建　２０１５年第２期　余素萍：二广高速公路跑石界隧道涌水量计算与分析　总第１３７期　隧道的各种数值包括：正常（或最大）涌水量９　（ｍ　／ｄ）、集水面积Ｆ（ｍ　）、含水体中静止水位计　起的水位降深ｓ（ｍ）、衬砌前洞身宽度Ｂ（ｍ）和　通过含水体的长度　（ｍ）。（２）既有隧道的各种　数值包括：正常（或最大）涌水量Ｑ　（ｍ　／ｄ）、集水　面积Ｆ　（ｍ　）、含水体中静止水位计起的水位降　深Ｓ　（ｍ）、衬砌前洞身宽度　（ｍ）和通过含水体　的长度　（ｍ）。　在本文中，跑石界隧道ＹＫ１１１＋３５０～ＹＫ１１１　＋９４２位于出口段，其与进口段ＺＫ１０９＋８００一　ＺＫ１１０＋３００具有相似的水文地质条件。计算　中，利用先行施工的进口段ＺＫ１０９＋８００一ＺＫ１１０　＋３００的实测涌水量来预测出口ＹＫ１１１＋３５０～　ＹＫ１１１＋９４２段涌水量。计算过程中，Ｑ　取１　１５８　ｍ　，Ｓ取３２．８ｍ，Ｓ　取３０ｍ，Ｂ和　均为１３ｍ；Ｌ取　５９２ｍ、Ｌ　取５００ｍ。将数据代入式（４），得该区段　涌水量为１　５００ｍ　／ｄ，相对误差为一３．２％。　２．４数值计算法　数值计算法是以电子计算机和有限单元法、　有限差分法等为基础的计算方法，它适合解决复　杂条件下的水文地质问题　¨。本文采用有限差　分法的数值模拟方法对跑石界隧道ＹＫ１　１　１＋３５０　一ＹＫ１１１＋９４２段的涌水量进行计算，计算过程　中的水动力学特性和特定的边界条件的选取要　求能够比较充分地反映出隧道围岩含水介质的　特征，最终依据水文地质模型预测出的平均涌水　量为１　６５８ｍ　／ｄ，相对误差为７．０％。　３　成果对比　为方便对比分析，将前述方法的计算结果列　表对比如表１。　表１涌水量计算成果对比　从表１可以看出，对于跑石界隧道ＹＫ１１１＋　３５０一ＹＫ１１１＋９４２段，地质类比法、数值计算法　两种方法计算结果与实测结果相差较小，而降水　人渗法和地下水动力学法计算结果与实测结果　相差较大，究其原因，是由于降水人渗法中大气　降雨渗入系数　、渗流时间　和地下水动力学法　中渗透系数（Ｋ）、影响半径（Ｒ）等参数的选取与　实际有一定出入，而这些参数对涌水量的计算结　果影响较大。　４　结语　（１）隧道涌水量是隧道工程地质中的一个复　杂问题，是一大难点。计算隧道涌水量的方法有　多种，各有其优缺点，实际计算时应根据隧道工　程地质和水文地质条件，合理选用计算方法。　（２）对于跑石界隧道ＹＫ１１１＋３５０一ＹＫ１１１＋　９４２段，由于能找到地质条件类似的工程，因此地质　类比法是精度最高、最合适的涌水量计算方法。　（３）计算隧道涌水量时，若能找到工程地质、　水文条件类似工程，宜首先选择地质类比法；其　次，宜根据现场原位测试准确获取渗透系数（　）和　影响半径（　），采用快速实用的地下水动力学法进　行计算。降水人渗法因仅能近似地预测隧道的最　大涌水量和正常涌水量而不宜在施工图设计阶段　使用，主要适用于隧道工程的初步设计阶段。若　前面２种方法的参数条件等均不好确定时，方可　考虑采用复杂繁琐的数值计算法、回归分析法等。　参考文献：　［１］陈俊涛．围岩拱顶空洞对隧道稳定性影响规律研　究（硕士学位论文）［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，２０１２．　［２］高云龙．浅析隧道工程废水排放存在的问题及对　策［Ｊ］．环境保护与循环经济，２０１２（７）：４９—５１．　［３］李雪平，李云安．基于ＧＩＳ的厦门海底隧道涌水　预报系统研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１２（６）：１２７６　—１２８１．　［４］杨超．隧道涌水量预测计算方法探讨［Ｊ］．科技　与企业，２０１３（７）：１７２—１７５．　［５］王振宇，陈银鲁，刘国华，等．隧道涌水量预测计　算方法研究［Ｊ］．水利水电技术，２００９（７）：４１—４４．　［６］王庆国．关于隧道涌水量预测方法的探讨［Ｊ］．　漯河职业技术学院学报，２０１０（２）：４９—５Ｏ．　［７］王晃，朱荣胜，杨彪．隧道工程涌水量预测方法　［Ｊ］．土工基础，２０１０（１）：７３—７５．　［８］安典新．隧道涌水量预测方法的研究［Ｊ］．农业　科技与信息，２００８（２４）：２６—２８．　［９］陶玉敬，彭金田，陶炳勋．隧道涌水量预测方法及　其分析［Ｊ］．四川建筑，２００７（６）：１０９—１１０．　［１Ｏ］闫天俊，吴立．现代隧道施工中的常见地质灾害问　题及防治［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２Ｏ０３（４）：６２—６４．　［１１］郭玉法，鲍庆煜．岩溶隧道涌水量的预测方法研　究［Ｊ］．铁道勘察，２００７（５）：７３—７５．　・４７・　２０１５年第２期　广东公路交通　总第１３７期　［１２］罗敏，许模，任蕊．一种随机数学方法预测隧道　涌突水量研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０１０（５）：３７—４３．　［１３］王家服．隧道涌水量计算探讨［Ｊ］．铁道学报，　１９９４（４）：１１０—１１６．　道中的应用［Ｊ］．广东交通职业技术学院学报，２０１３，２５　（１）：１５—１９．　［１８］魏帼钧．隧道涌水量预测的计算方法比较［Ｊ］．　山西建筑，２００７（１４）：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