火成巖地區(qū)深埋特長隧道典型富水段滲透系數(shù)反算及涌水量預(yù)測

程小勇

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 廣州510507）

0 引言

當隧道通過裂隙巖體的含水區(qū)段時，由于人為破壞了原有地下水的滲流條件，使隧道洞身成為地下水以不同形式（滲出、滴流、股流及大范圍突水等）向外排泄的地下廊道，形成涌水災(zāi)害，特別是高壓大涌水對隧道施工造成極不利影響?；鸪蓭r是指巖漿噴出或者侵入冷卻后成形的一種巖石，隨著我國可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟雙循環(huán)戰(zhàn)略的推進，一大批在火成巖地區(qū)埋深大、距離長的隧道如雨后春筍般出現(xiàn)?？v觀國內(nèi)，在沉積灰?guī)r地區(qū)出現(xiàn)大面積涌水現(xiàn)象常見，對灰?guī)r地區(qū)的涌水研究較為全面，但對火成巖地區(qū)高壓涌水研究較少，出現(xiàn)的典型深埋特長隧道工程案例亦不多［1-5］。本文以位于火成巖地區(qū)的某深埋特長隧道為例［6］，其最大埋深近740 m，為典型的深埋隧道，進口段巖性主要為火山爆發(fā)巖漿噴出地面之后形成的熔結(jié)凝灰?guī)r，出口段主要為巖漿侵入形成的黑云母花崗巖，結(jié)合目前國內(nèi)運用較多的大島洋志公式、古德曼經(jīng)驗式、裘布依公式及水文地質(zhì)比擬法對典型富水段圍巖滲透系數(shù)進行反算，與開挖后的實際涌水量進行對比分析，結(jié)果較吻合，進而進行未開挖段的預(yù)測。

1 工程概況

1.1 地形與巖層

某特長隧道位于廣東省梅州市豐順縣與五華縣，左線隧道里程ZK89+380～ZK95+716，設(shè)計總長6 336 m；右線隧道里程K89+392～K95+742，設(shè)計總長6 350 m。隧址區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫21.2～21.7 ℃，多年平均降雨量1 519.7～1 865.6 mm，位于韓江和榕江兩大水系的分水嶺區(qū)域，溪溝發(fā)育，多年平均徑流量為27.356×108m3。隧址區(qū)兩側(cè)斜坡地段大多數(shù)沖溝狹窄，匯水面積不大，受降雨影響季節(jié)性流水，有人工建設(shè)的水庫和山塘。

隧址區(qū)地表覆蓋不厚的殘坡積層，巖性為粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)、礫質(zhì)粘土，厚度一般小于3.0 m。下伏基巖主要為侏羅系高基坪組熔結(jié)凝灰?guī)r和燕山期黑云母花崗巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

受區(qū)域性蓮花山深大斷裂多期次活動影響，隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為由安山巖形成的復(fù)式向斜以及廣泛發(fā)育縱橫交錯的斷裂構(gòu)造。隧址區(qū)所處的核心部分遭遇西斷裂帶（五華-深圳）和東斷裂帶（大埔-海豐）所劫持，發(fā)生塊斷運動，致使核心段遭到抬升，形成海拔幾百米以至千米以上的山峰，整體呈現(xiàn)南東-北西兩側(cè)斷陷中間抬升的地壘式地貌特征，主要表現(xiàn)為由復(fù)式向斜以及廣泛發(fā)育的以北東向斷裂帶為主、北西、東西向斷裂為次的構(gòu)造格局。呈現(xiàn)在受NE向和NW向斷裂控制下，次級NWW近EW向和NNE 近SN 向斷裂相互切割的構(gòu)造格架，這一復(fù)雜的構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)也為區(qū)域構(gòu)造裂隙水的發(fā)育提供了條件，并且使區(qū)域水文地質(zhì)條件變得十分復(fù)雜，隧道涌水變得難以預(yù)測。

1.3 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)含水介質(zhì)主要有第四系松散堆積物孔隙含水介質(zhì)，地下水類型主要分為基巖裂隙水和孔隙水兩類?？紫端饕x存于地表第四系松散堆積物中，其中基巖裂隙水主要賦存于區(qū)域侏羅系火山巖和燕山期花崗巖中，基巖由于長期接收風(fēng)化，表面產(chǎn)生較厚的風(fēng)化殼，并且?guī)r體中也廣泛發(fā)育風(fēng)化裂隙，其中發(fā)育風(fēng)化裂隙水；基巖由于蓮花山深大斷裂帶的運動，巖體受到斷層及裂隙的切割破碎，在其中發(fā)育構(gòu)造裂隙水。

隧址區(qū)主要接收大氣降雨入滲補給，淺層地表的第四系堆積層中的孔隙水和風(fēng)化帶中的裂隙水受到降雨影響顯著，其水體根據(jù)地形向周邊沖溝和盆地徑流排泄，形成該地區(qū)的沖溝水系；深層地下水主要為基巖裂隙水，其內(nèi)部流動較為緩慢，循環(huán)周期長，受到大氣降雨的影響較小且有一定的滯后，其流動排泄主要受到區(qū)域構(gòu)造產(chǎn)狀的控制，整體向周邊地勢較低處排泄［7］。深層地下水由于其埋深大，在隧道開挖過程中如揭露富水構(gòu)造，則有可能引起高壓涌水。

1.4 施工涌水情況

隧道涌水最早發(fā)生于2019 年4 月20 日右線隧道掌子面開挖至K91+160 后，右線隧道外側(cè)拱腰以下部位開始出現(xiàn)涌流狀出水。隨著隧道的繼續(xù)掘進，水量持續(xù)增加，且呈現(xiàn)有壓力的狀態(tài)，至掌子面開挖至K91+169 后，約2/3 掌子面較富水，多處出現(xiàn)涌流狀出水，原出水孔變?yōu)楣绊敼蔂畛鏊?，出水量約為450 m3/h。隨著超前鉆孔的增加，涌水量也呈現(xiàn)增大趨勢。隧道進口處富水段主要為左洞ZK91+147～ZK91+670，右洞K91+169～K91+666，區(qū)段內(nèi)主要分布F2 系列斷層，區(qū)段內(nèi)巖體受到切割，部分區(qū)段巖體較為破碎，并產(chǎn)生高壓大流量涌水，最高水壓達到4.3～4.8 MPa。

2 涌水量預(yù)測［1］

2.1 預(yù)測方法

2.1.1 大島洋志經(jīng)驗公式

式中：Qmax為隧洞通過含水體地段的可能最大涌水量（m3/d）；m 為換算系數(shù)，一般取0.86；H 為靜止水位至洞底的垂直距離（m）；r為隧洞橫斷面等價圓半徑（m）；d為隧洞橫斷面的等價圓直徑（m）；K為含水體的滲透系數(shù)（m/d）；L為隧洞通過含水體的長度（m）。

2.1.2 古德曼經(jīng)驗式

式中：Qs為隧洞通過含水體地段的正常涌水量（m3/d）；H為洞底以上的潛水含水體厚度（m）；h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深（一般考慮水躍值）（m）；Ry為隧洞涌水地段引用補給半徑（m，一般利用經(jīng)驗公式R=10S K 計算）；K、L的含義同式⑴。

2.1.4 水文地質(zhì)比擬法

式中：Qs、Qs'分別為新建、既有隧洞通過含水體地段的正常涌水量（m3/d）；F、F'分別為新建、既有隧洞通過含水體地段的涌水面積（m2）；S、S'分別為新建、既有隧洞通過含水體中自靜止水位起的水位降深（m）；B、B'分別為新建、既有隧洞洞身橫斷面的周長（m）；L、L'分別為新建、既有隧洞通過含水體地段的長度（m）。

2.2 滲透系數(shù)反算

2.2.1 斷層滲透系數(shù)

ZK91+360～ZK91+500 段為富水段，長度140 m，涌水量為32 119 m3/d，巖性為流紋質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r，地下水頭高度為585 m，該區(qū)段發(fā)生高壓涌水，并且此處發(fā)育F2-3斷層（見圖1），斷層揭露寬度為5 m，使用式⑴～式⑶反算滲透系數(shù)，由于涌水主要來源于斷層，故此處以斷層寬度作為含水體的長度進行計算，計算結(jié)果見表1。

圖1 典型富水段斷層構(gòu)造帶分布Fig.1 Distribution of Typical Water-rich Fault Structural Zone

表1 滲透系數(shù)反算值Tab.1 Inverse Value of Permeability Coefficient

2.2.2 圍巖滲透系數(shù)

ZK91+330～ZK91+360 段長度為30 m，隧道圍巖巖性主要為流紋質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r，呈中～微風(fēng)化，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，位于F2-3 斷層的邊緣，該段在開挖中未見大型斷裂，整體較為完整，在隧道中具有代表性，涌水量為3 800 m3/d，地下水頭高度為582 m，使用式⑴～式⑶反算圍巖滲透系數(shù)，計算結(jié)果如表1所示。

由于斷層具有埋深大、水壓力大的特點，表現(xiàn)出較強的承壓性，故在利用裘布依公式對斷層滲透系數(shù)進行反算時，使用承壓含水層裘布依公式，對圍巖滲透系數(shù)反算則使用潛水含水層裘布依公式。

2.2.3 右洞富水段水量對比

K91+245～K91+342段為右洞一富水段，長度97 m，實際開挖水量為42 864 m3/d，F(xiàn)2 系列斷層帶穿過此段，該處可見斷層分布，巖性為流紋質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r，巖體受到斷層切割，完整性較差，整體條件與左洞ZK91+360～ZK91+500相似，區(qū)段內(nèi)揭露寬度4 m和3 m的2條斷層，地下水頭高度為570 m。

K91+342～K91+370段為圍巖較完整的區(qū)段，長度28 m，位于主斷裂旁側(cè)，巖性為流紋質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r，地下水頭高度為582 m，根據(jù)之前反算的斷層滲透系數(shù)，代入式⑴、式⑵，并同時使用水文地質(zhì)比擬法進行水量預(yù)測計算，水量對比結(jié)果如表2所示。

表2 右洞預(yù)測水量對比Tab.2 Comparison of Predicted Water Amount in Right Hole

從表2 可以看出，4 種方法計算得出的水量數(shù)據(jù)數(shù)值相當，差距較小，水文地質(zhì)比擬法預(yù)測的富水段涌水量最小，裘布依公式得到的水量最大，富水段的水量預(yù)測相較于實際涌水量十分接近，這也印證了隧道的涌水量主要來源于以導(dǎo)水斷層為通道的區(qū)域構(gòu)造裂隙水，而周邊未受到斷層、裂隙切割的圍巖涌水量則較小。在基巖段中，由于滲透系數(shù)是根據(jù)涌水量較小、圍巖相對較為完整的段落計算得來，但是預(yù)測段位于F2-3 斷層的邊緣，故圍巖完整性相對更差，而在本身涌水量就偏小的圍巖中，一條裂隙所產(chǎn)生的涌水量差異十分明顯［8-10］，因此4 種方法所預(yù)測的涌水量都略大于實際的涌水量。

2.3 未開挖段水量預(yù)測

當前隧道進口端未開挖段為ZK91+933～ZK92+469，總長536 m，其中包含斷層F0-3，斷層寬度為2 m，地下水頭高度584 m，基巖段地下水頭平均高度628 m；右洞未開挖段為K91+882～K92+450，總長568 m，其中包含斷層F0-3，斷層寬度為2 m，地下水頭高度600 m，基巖段地下水頭高度平均630 m。根據(jù)上文中反算得到的斷層及基巖滲透系數(shù)，代入式⑴～式⑶，同時用式⑷對未開挖段水量進行預(yù)測計算，左洞與右洞水量計算結(jié)果如表3所示。

表3 未開挖段水量預(yù)測Tab.3 Prediction of Water Volume in Unexcavated Section

從表3 可以看出，4 種方法計算得到的涌水量之間差距較小，具有較高的一致性，其中裘布依公式計算得到的預(yù)測涌水量最大，左洞達86 707 m3/d，右洞達91 363 m3/d；大島洋志公式法計算得到的預(yù)測涌水量最小，左洞為83 237 m3/d，右洞為87 939 m3/d。在實際施工中，通過已開挖段的涌水量進行滲透系數(shù)反算來預(yù)測未開挖段涌水量時，建議采用預(yù)測值最大的裘布依公式法進行預(yù)測更為安全。

3 結(jié)論及建議

⑴大島洋志、古德曼、裘布依公式與水文地質(zhì)比擬法通過滲透系數(shù)反算的方法得出的預(yù)測涌水量差距較小，并且通過與已開挖段涌水量進行比較，數(shù)值較為接近，證明所選取的進行滲透系數(shù)反算的段落在隧道中較具代表性，其水文地質(zhì)參數(shù)在用于后續(xù)未開挖段涌水量預(yù)測中的可信度較高。

⑵由于左洞與右洞整體構(gòu)造分布較為接近，在未開挖段中經(jīng)過左、右洞的主要斷層相同，且由于隧址區(qū)位于蓮花山深大斷裂帶核心部，區(qū)域構(gòu)造交錯連橫，構(gòu)造裂隙水之間的水力聯(lián)系密切復(fù)雜，計算所得的涌水量可能存在部分的重復(fù)，因此在實際開挖中水量應(yīng)小于預(yù)測值，在左、右洞都為揭露斷層時，兩洞之間也會有導(dǎo)水構(gòu)造的連通，使得兩洞涌水量得到相應(yīng)的分攤，涌水量也會逐漸達到平衡。

⑶根據(jù)計算，預(yù)測未開挖段最大涌水量左洞為86 707 m3/d，右洞為91 363 m3/d，在后續(xù)開挖過程中，主要還是需要關(guān)注前期物探成果中的低阻帶以及前期資料顯示的斷層，在到達該區(qū)段附近時應(yīng)進行短進尺、弱爆破的施工方法，輔以超前鉆孔預(yù)報以及針對富水段的帷幕注漿的方法，保證施工的安全與高效。

⑷由于隧道前期已遭遇過高壓大流量涌水，并且經(jīng)過了長期的排水，目前隧道中的涌水多從拱腳處及地面向上小流量翻涌，證實區(qū)域地下水降落漏斗已逐漸趨于平衡，因此在實際揭露未開挖段導(dǎo)水構(gòu)造時，所能溝通的區(qū)域地下水也會小于基于天然狀態(tài)下的涌水量預(yù)測值。