青島地鐵1號(hào)線一標(biāo)段暗挖隧道涌水量預(yù)測(cè)研究

萬(wàn) 斌，徐 偉（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北　武漢430010）

青島地鐵1號(hào)線一標(biāo)段暗挖隧道涌水量預(yù)測(cè)研究

萬(wàn) 斌，徐 偉
（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010）

青島地鐵1號(hào)線一標(biāo)段瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間線路全長(zhǎng)約8.2 km，海域段長(zhǎng)3.45 km，海域段底板埋深約為45 m，陸域段底板埋深為21～130 m，通過(guò)分析其地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征，并針對(duì)該暗挖隧道既有海域段又有陸域段的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的各種涌水量計(jì)算方法對(duì)比分析后，采用以地下水動(dòng)力學(xué)法為基本原理的不同模型預(yù)測(cè)了該隧道涌水量，得出了隧道涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出隧道涌水量較大的地段主要為斷裂構(gòu)造密集帶和巖石風(fēng)化程度較高的地段，進(jìn)而為隧道設(shè)計(jì)及安全施工提供依據(jù)。

暗挖隧道；地下水動(dòng)力學(xué)法；涌水量預(yù)測(cè)

近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，新建的大型市政和鐵路基建類(lèi)項(xiàng)目日益增多，促進(jìn)了其理論水平和技術(shù)手段的不斷提升。其中，隧道技術(shù)和施工質(zhì)量越來(lái)越引起了人們的重視［1-3］。隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷投入，建設(shè)設(shè)計(jì)水平的提高以及新工藝、新設(shè)備的使用，許多隧道乃至深埋特長(zhǎng)公路、海底隧道設(shè)計(jì)方案應(yīng)運(yùn)而生，但在隧道建設(shè)過(guò)程中引發(fā)的涌水災(zāi)害問(wèn)題也變得異常突出。若隧道涌水預(yù)測(cè)工作和防排措施不到位，就很有可能導(dǎo)致在施工掘進(jìn)過(guò)程中遇到突然涌水或特大涌水。因此，加強(qiáng)隧道涌水量方面的研究工作，對(duì)保障隧道建設(shè)的安全施工、制定合理有效的整治方案及后期隧道營(yíng)運(yùn)安全，都有著重要的指導(dǎo)意義［4］。

目前，隧道涌水量預(yù)測(cè)的方法主要有:降水入滲法、水均衡法、比擬法、地下徑流模數(shù)法、地下水動(dòng)力學(xué)法、灰色系統(tǒng)理論方法、數(shù)值分析法等［5-11］。本文采用以地下水動(dòng)力學(xué)法為基本原理的不同模型，針對(duì)青島地鐵1號(hào)線一標(biāo)段的具體水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，對(duì)該暗挖隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)及預(yù)報(bào)研究，并通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而為隧道工程的設(shè)計(jì)及安全施工提供依據(jù)。

1　隧道工程概況及水文工程地質(zhì)條件

1.1工程概況

青島地鐵1號(hào)線一標(biāo)段為瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間（不含瓦屋莊站、貴州路站），線路起點(diǎn)里程為K23+522，終點(diǎn)里程為K31+723，全長(zhǎng)約8.2 km，海域段長(zhǎng)3.45 km，海域段底板埋深約為45 m，陸域段底板埋深為21～130 m；線路由團(tuán)島部隊(duì)營(yíng)區(qū)后入海，下穿膠州灣灣口，在薛家島北端上庵村西側(cè)登陸后過(guò)環(huán)島路，標(biāo)段終點(diǎn)在瓦屋莊設(shè)置瓦屋莊站。

隧道里程為K23+522～K24+521和K30+ 916～K31+723的結(jié)構(gòu)斷面采用兩條分離的單洞單線隧道，洞內(nèi)徑高8.1 m、寬6.7 m，隧道里程為K24+521～K30+916的結(jié)構(gòu)斷面采用單洞隧道；隧道內(nèi)共設(shè)置3座通風(fēng)豎井。

1.2工程地質(zhì)條件

1.2.1地層巖性

隧址區(qū)的第四系覆蓋層較薄，大部分區(qū)域基巖直接出露于地表，基巖巖性為下白堊紀(jì)青山群的火山巖和早白堊世（燕山晚期）的侵入巖。地層巖性為糜棱狀巖、基巖中等風(fēng)化帶、碎裂狀巖、微風(fēng)化碎裂巖（包括各種微風(fēng)化碎裂巖）、微風(fēng)化破碎巖（包括各種微風(fēng)化破碎巖）、微風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖、微風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化安山巖、微風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、微風(fēng)化石英閃長(zhǎng)巖、微風(fēng)化輝綠巖、微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化安山質(zhì)火山角礫巖、微風(fēng)化流紋巖、微風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化英安玢巖等。此層微風(fēng)化巖體構(gòu)成了隧址區(qū)巖石的主體，隧道洞身大部分在此層內(nèi)展布。隧道工程地質(zhì)斷面圖（以K30+892～K31+363段為例）見(jiàn)圖1。

1.2.2區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

膠州灣處于膠萊坳陷和膠南隆起的結(jié)合部位，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)分布3條斷裂，其中滄口斷裂的走向?yàn)镹E45°左右，傾向以NW向?yàn)橹?，傾角較陡，該斷裂最新活動(dòng)年代為中更新世；劈石口斷裂總體走向?yàn)镹E48°左右，全長(zhǎng)約47 km，斷層面傾向以NW向?yàn)橹鳎瑑A角多在70°以上，該斷裂距隧道最近距離約10 km，其最新活動(dòng)年代為中更新世；王哥莊斷裂全長(zhǎng)37 km，總體走向?yàn)镹E40°左右，距隧道最近距離為16 km，該斷裂最新活動(dòng)年代為中更新世晚期。區(qū)域內(nèi)的3條斷裂帶基本對(duì)隧道影響不大。

1.3水文地質(zhì)條件

1.3.1地下水類(lèi)型

擬建隧道陸域和海域范圍內(nèi)地層地下水根據(jù)其賦存形式可分為三類(lèi):松散巖類(lèi)孔隙水、風(fēng)化基巖孔隙裂隙水和基巖裂隙水。陸域范圍內(nèi)的松散巖類(lèi)孔隙水主要賦存在第四系的人工填土層中，海域范圍內(nèi)的松散巖類(lèi)孔隙水則主要賦存在第四系全新統(tǒng)的海積層中；風(fēng)化基巖孔隙裂隙水賦存在全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖層中；基巖裂隙水賦存在基巖的構(gòu)造裂隙與風(fēng)化裂隙中。在海域部分的地層中一般沒(méi)有明顯的含水層和隔水層（堆積的砂層及某些富水性較好的基巖破碎帶除外），總體而言富水性較弱、滲透性較差，為弱或微含水層。

1.3.2地下水補(bǔ)給、徑流及排泄條件

（1）松散巖類(lèi)孔隙水:該類(lèi)地下水主要接受大氣降水和海水的補(bǔ)給，高潮時(shí)，海水向松散巖類(lèi)孔隙中滲透，雜填土、砂土等地層中水量驟增，水量較大；低潮時(shí)，松散巖類(lèi)孔隙水向海中排泄，雜填土、砂土等地層中水量驟減，水量較小。松散巖類(lèi)孔隙水的排泄除了正常的蒸發(fā)、人為抽取之外，大部分向河溝或者海洋進(jìn)行排泄，少部分則入滲補(bǔ)給下部的弱含水巖組。

（2）風(fēng)化基巖孔隙裂隙水:該類(lèi)地下水主要接受上部孔隙水的入滲補(bǔ)給，但當(dāng)海水高潮水位高于局部底層底面時(shí)，則接受海水補(bǔ)給，之后再緩慢地側(cè)向或下滲補(bǔ)給基巖裂隙含水巖組。

（3）基巖裂隙水:出露地表的基巖主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，而埋藏型基巖主要來(lái)自其他類(lèi)型地下水的入滲補(bǔ)給，但其徑流由于受到基巖裂隙形態(tài)的控制，會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，有時(shí)相互之間還會(huì)不連通，沒(méi)有統(tǒng)一的水面。

由于海域范圍內(nèi)的地下水類(lèi)型之間一般不存在隔水層，故可將其視作一個(gè)無(wú)限厚的弱含水層，海水垂直入滲補(bǔ)給該弱含水層，而隱伏在其下部的含水巖組則接受上部含水巖組的入滲或越流補(bǔ)給。

2　隧道涌水量預(yù)測(cè)

本次勘察工作進(jìn)行了大量的水文地質(zhì)試驗(yàn)，得到了準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。陸域段隧道兩端島岸弱-微風(fēng)化基巖普遍埋藏較淺，局部裸露地表，巖體總體為弱-微透水性。海域段巖土體中微風(fēng)化巖層在同一層面上透水性較均勻，無(wú)突躍增大或減小的現(xiàn)象，受風(fēng)化裂隙影響，具弱-微透水性，綜合滲透等級(jí)為弱透水；微風(fēng)化破碎巖體受構(gòu)造裂隙、充填情況的影響，滲透等級(jí)為中等透水。海域段巖土體滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　海域段巖土體滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Descriptive statistics of permeability coefficients of the rock and soil of the subsea tunnel

對(duì)該地鐵線所穿越地區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析后，認(rèn)為地下水動(dòng)力學(xué)法比其他隧道涌水量預(yù)測(cè)方法更加適用于該標(biāo)段隧道涌水量的計(jì)算。由于此線路既有陸域又有海域，因此針對(duì)陸域和海域暗挖隧道不同的特點(diǎn)，本文選擇了不同的涌水量計(jì)算模型和計(jì)算公式，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1陸域段隧道涌水量計(jì)算模型

一般來(lái)說(shuō)，陸域段暗挖隧道的涌水量會(huì)呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):在施工初期的涌水量最大，但后期涌水量隨隧道施工時(shí)間的增加而慢慢變小，存在最大涌水量和正常涌水量的問(wèn)題。參照《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10049—2004）和鐵路規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式，陸域段暗挖隧道涌水量的計(jì)算模型（見(jiàn)圖2）和計(jì)算公式［12］如下:隧道最大涌水量計(jì)算公式:

式中:q0為單位最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離（m）；d為隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑（m）。

（2）q0=0.025 5+1.922 4K H （鐵路規(guī)范經(jīng)驗(yàn)式模型2）

式中:q0為單位最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為含水體厚度（m）；隧道正常涌水量計(jì)算公式:

式中:qs為單位正常涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為洞底以上含水體厚度（m）；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深（m），本次計(jì)算取值為0；r為洞身橫斷面等價(jià)圓半徑（m）；Ry為隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑（m）。

（2）qs=K H（0.676-0.06K）（鐵路規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式 模型3）

式中:qs為單位正常涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為含水體厚度（m）。

2.2海域段隧道涌水量計(jì)算模型

海域段暗挖隧道由于處于半無(wú)限厚的弱含水層中，其施工初期的最大涌水量與施工中的正常涌水量基本一致，其隧道最大涌水量的計(jì)算模型（見(jiàn)圖3）和計(jì)算公式［12］如下:

式中:q0為單位長(zhǎng)度最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離（m）；d為洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑（m）。

式中:q0為水底隧道施工中單位長(zhǎng)度最大涌水量（m3/d·m）；K為巖層滲透系數(shù)（m/d）；H為自水體底部至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離（m）；H0為地面水體厚度（m）；r0為洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑（m）。

為保證隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，隧道總涌水量計(jì)算采用分段計(jì)算的方法，根據(jù)各段滲透系數(shù)的不同將隧道分為若干段，各段滲透系數(shù)的取值綜合考慮了地層巖性、巖體完整度、巖石風(fēng)化程度、構(gòu)造斷裂帶及巖脈發(fā)育侵入等諸多因素。該隧道最大涌水量和正常涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2　隧道最大涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Prediction results of maximum water inflow of the tunnel

表3　隧道正常涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Prediction of the normal water inflow of the tunnel

3　結(jié)論與建議

（1）本文針對(duì)青島地鐵1號(hào)線一標(biāo)段暗挖隧道存在陸域部分和海域部分的特點(diǎn)，通過(guò)地下水動(dòng)力學(xué)法的不同計(jì)算模型對(duì)該隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于陸域段暗挖隧道涌水存在最大涌水量和正常涌水量的問(wèn)題，這就要求在隧道涌水量預(yù)測(cè)過(guò)程中需綜合考慮兩者的影響，對(duì)此采用以地下水動(dòng)力學(xué)法為基本原理的古德曼公式和鐵路規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了隧道的最大涌水量，同時(shí)用裘布依公式和鐵路規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了隧道的正常涌水量，這樣較好地解決了該問(wèn)題。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示:該隧道最大涌水量預(yù)測(cè)值為34 081.63 m3/d，正常涌水量預(yù)測(cè)值為29 954.03 m3/d。海域段由于接受海水的垂直入滲補(bǔ)給，其涌水量明顯比陸域段的大很多，其次海域段線路為兩端高中間低，不利于涌水的排出，因此在施工過(guò)程中應(yīng)采取堵漏與排水相結(jié)合的措施，并在重點(diǎn)地段加強(qiáng)施工過(guò)程中的涌水量監(jiān)測(cè)，以保證施工順利進(jìn)行?？梢?jiàn)，針對(duì)線路較長(zhǎng)，又經(jīng)過(guò)多種不同水文地質(zhì)條件的暗挖隧道工程，應(yīng)盡量采用分段計(jì)算的方法預(yù)測(cè)涌水量，這樣可使預(yù)測(cè)結(jié)果盡可能地接近實(shí)際涌水量，以便更好地指導(dǎo)隧道工程施工和排水設(shè)計(jì)工作。

（2）隧道K23+520～K23+960段和K30+ 916～K31+580段地質(zhì)構(gòu)造相似，但上覆巖層風(fēng)化程度不同，因此對(duì)比兩段隧道涌水量后，得出隧道上覆巖體風(fēng)化程度越大隧道涌水量越大的結(jié)論。

（3）隧道K26+950～K30+260段有斷裂E1、E2、E3、E4橫穿，該段區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，裂隙比較發(fā)育且連通性好，該地段隧道涌水量明顯高于其他地段，因此可以得出碎裂帶的存在會(huì)對(duì)隧道涌水量產(chǎn)生顯著影響的結(jié)論。

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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

萬(wàn)斌（1968—），男，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)及工程項(xiàng)目管理工作。E-mail:350977917@qq.com