基于涌水影響半徑的隧道涌水量預(yù)測方法研究

張修杰 周學(xué)民 韋未 張偉鋒

摘要：

受斷裂構(gòu)造和降水等因素的共同影響，火成巖地區(qū)形成了一定規(guī)模的富水?dāng)鄬悠扑槎巍．?dāng)隧道穿越這類巖層時，極易發(fā)生涌水災(zāi)害而造成人員傷亡和設(shè)備損失。針對上述涌水問題，根據(jù)火成巖區(qū)富水?dāng)鄬悠扑槎蔚奶攸c(diǎn)，將隧道涌水量分為基巖裂隙水釋放量和降水入滲量兩個主要組成部分，通過地下水疏干法預(yù)測基巖裂隙水釋放量，同時利用降水入滲法預(yù)測降水入滲量。在此基礎(chǔ)上，為提高涌水預(yù)測精度，引入了實(shí)測涌水量數(shù)據(jù)擬合的動態(tài)涌水影響半徑參與計(jì)算，并推導(dǎo)出基于涌水影響半徑的涌水量預(yù)測方法，最后以鴻圖隧道后續(xù)開挖段為例對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：① 在一個降雨周期內(nèi)，含水層平均厚度Hn越大，對應(yīng)的影響半徑Rn具有更高的增長速率；② 隨著涌水時間T增加，影響半徑Rn的增長率逐漸降低；③ 所提方法的隧道涌水量計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差在10%以內(nèi)，可靠性較高。研究成果可為類似地質(zhì)條件下的地下工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：

深埋特長隧道； 涌水量預(yù)測； 涌水動態(tài)影響半徑； 斷裂構(gòu)造

中圖法分類號： U452.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.023

0 引 言

隧道在施工過程中會出現(xiàn)一些復(fù)雜的施工條件，特別是深埋越嶺隧道的穿越建設(shè)，破壞了原有圍巖的結(jié)構(gòu)，因而施工期常遇見涌水、突水（突泥）等災(zāi)害，易造成一系列的惡劣后果［1-2］，對人員財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅［3-4］。

國內(nèi)外許多學(xué)者都對隧道的涌水進(jìn)行分析預(yù)測：El Tani［5］修正了亥姆霍茲方程，用于研究半無限含水層下圓形隧道的涌水；Joo 等［6］采用層流和紊流的理論方法，研究了孔隙水壓力與涌水量的關(guān)系；Moon等［7］考慮了地下水位下降與涌水量的關(guān)系，提出了新的估算分析方法；胡力繩等［8］探究了地下水、圍巖、注漿圈和襯砌共同形成的水壓平衡體系中4個因素之間的共同作用；朱成偉等［9］利用保角變換推導(dǎo)了雙線平行隧道和上下分布的雙洞隧道的地下滲流場；Zhao等［10］通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了地表水存在對隧道襯砌注漿厚度和涌水量的影響；Tan等［11］研究了襯砌的不均勻性與其他水力因素之間的相互作用，用于預(yù)測襯砌外水壓狀況，進(jìn)而分析出襯砌后隧道涌水量。

對比于其他巖體，擁有較高飽和抗壓強(qiáng)度和飽和抗剪斷強(qiáng)度的安山玢巖、凝灰?guī)r等火成巖因其堅(jiān)硬、穩(wěn)定，通常被認(rèn)為是理想的地下工程修建區(qū)域。修建在火成巖區(qū)的隧道、隧洞等地下工程設(shè)施一般情況下只在通過構(gòu)造帶、斷層富水破碎帶、軟弱巖層段的時候出現(xiàn)冒頂坍塌、特大突水等安全風(fēng)險［12-13］。但由于地質(zhì)勘察和施工設(shè)備的局限性、巖體裂隙普遍存在和隨機(jī)生成的特性，使得難以在施工現(xiàn)場準(zhǔn)確識別和確定地下水流入隧道的所有有效因素，部分涌水預(yù)測方法存在較大的誤差［4，14］，給隧道開挖階段涌水預(yù)測帶來一定的挑戰(zhàn)［15］。

本文以鴻圖深埋隧道為研究對象，依據(jù)施工前期水文地質(zhì)勘察對富水?dāng)嗔褞У目睖y成果以及開挖期的涌水監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析一個降雨周期內(nèi)的涌水特征，探究隧道開挖涌水引起隧址區(qū)域地下水位劇烈下降后的地下水降落漏斗影響半徑變化規(guī)律，并基于曲線擬合手段構(gòu)建適用于隧道工程穿越斷裂帶的涌水量計(jì)算模型。

1 隧道涌水的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測

1.1 工程概況

鴻圖特長隧道設(shè)計(jì)全長約6 300 m，最大埋深約為751 m，隧址區(qū)地層主要為侏羅系高基坪組火山巖，出露巖石主要為燕山期巖漿巖，形成多期侵入接觸帶。隧道修建過程中跨越了斷層構(gòu)造發(fā)育帶，其中東西走向和近南北走向次級斷裂和節(jié)理發(fā)育，巖體破碎。

隧址區(qū)水資源豐沛，區(qū)內(nèi)水系分屬韓江水系和榕江水系，多年平均降雨量1 865.6 mm，蒸發(fā)少，因此巖層富水性較好。水文地質(zhì)勘察結(jié)果顯示：隧址區(qū)地下水主要為降水補(bǔ)充，地下水類型分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水補(bǔ)給途徑通暢，補(bǔ)給來源充沛。隧道施工過程中也產(chǎn)生了大量的高壓涌水，威脅施工安全。

1.2 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法

針對隧址區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，在施工前期嘗試使用傳統(tǒng)的降雨入滲法和地下徑流模數(shù)法來計(jì)算不同時間段的單日平均涌水量，為應(yīng)對隧道施工中涌水量提供參考性意見。但施工現(xiàn)場情況表明，這兩種方法與實(shí)際涌水量存在較大誤差（詳見表1）。傳統(tǒng)的降雨入滲法和地下徑流模數(shù)法的計(jì)算原理與簡易水均衡法一致，本質(zhì)上屬于水均衡法的另一種形式。涌入隧道內(nèi)的地下水，除來源于大氣降水和地表水系之外，還來自于山體的基巖裂隙水。雖然山體的基巖裂隙水同樣來源于大氣降水和地表水系，但山體的基巖裂隙水是在漫長的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動中，由大量降水和地表水沿?cái)鄬悠扑閹钊霂r體內(nèi)部形成的穩(wěn)定的地下水體。山體的基巖裂隙水與涌入隧道內(nèi)的、來源于大氣降水和地表水系的地下水存在時空積蓄的差異。傳統(tǒng)的降雨入滲法和地下徑流模數(shù)法在涌水預(yù)測過程中沒有將這種時空積蓄的差異納入考慮范疇，也就忽略了基巖裂隙水對隧道涌水量的影響。

當(dāng)隧道埋深較淺（<50 m）時，基巖裂隙水受限于山體內(nèi)含水層的規(guī)模而儲量較小，可忽略不計(jì)，傳統(tǒng)方法預(yù)測隧道涌水量將較為準(zhǔn)確；但當(dāng)隧道埋深較大（＞100 m）時，龐大的山體在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動中足以形成一定規(guī)模儲量的基巖裂隙水，此時傳統(tǒng)方法預(yù)測隧道涌水量的準(zhǔn)確性將受限于基巖裂隙水的儲量。

此外，傳統(tǒng)方法在預(yù)測隧道涌水量時，均采用固定的匯水面積。匯水面積的估算受水文地質(zhì)勘察工作的精度影響，而且長期施工過程中，在隧道的涌水影響半徑下，地下流場產(chǎn)生復(fù)雜的變化，進(jìn)而使匯水面積也相繼發(fā)生不同程度的變化，大大影響涌水預(yù)測的準(zhǔn)確度。

另一方面，在對埋深大（特）長隧道進(jìn)行涌水預(yù)測的過程中，對全隧道段同時進(jìn)行單日涌水量預(yù)測，作為全隧道段單日涌水量的傳統(tǒng)方法已不可行。在對埋深大（特）長隧道進(jìn)行單日涌水量預(yù)測時，應(yīng)該考慮富水?dāng)鄬悠扑閹^(qū)域的分布和施工進(jìn)度的共同影響，將已開挖段和巖層受擾動隧道段進(jìn)行分段涌水量預(yù)測。隧道分段時，應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)不同圍巖的含水介質(zhì)特征、圍巖性質(zhì)與級別、推測通過斷裂破碎帶情況和斷裂破碎帶寬度及其趨勢特征、施工進(jìn)度等因素劃分。為了提高隧道涌水量預(yù)測的準(zhǔn)確性，針對研究區(qū)域特征，引入涌水影響半徑概念，結(jié)合水文地質(zhì)勘察結(jié)果，以現(xiàn)場實(shí)測涌水記錄為依據(jù)，進(jìn)行涌水量預(yù)測研究。

2 涌水影響半徑規(guī)律

2.1 基本設(shè)定

隧址區(qū)含水層規(guī)模大，含水層中裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，滲透性良好，基巖裂隙水儲量巨大。在隧道開挖涌水后，將引起隧址區(qū)域地下水位的劇烈下降，涌水影響半徑隨之增大，地下水的匯水面積也不斷擴(kuò)大，龐大的山脈以及發(fā)育的斷層構(gòu)造保證了巖體深部地下水補(bǔ)給的穩(wěn)定。當(dāng)獲得新的補(bǔ)給量與隧道涌水量之間已經(jīng)達(dá)到新的動態(tài)平衡時，就會形成新的動態(tài)穩(wěn)定流場，隧道涌水量將維持一個相對動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

隧址區(qū)儲存的大量基巖裂隙水具有豐富的降雨補(bǔ)充、低蒸發(fā)與地下水多級分水嶺的特點(diǎn)，遵循水均衡法的基本原理，對研究區(qū)域作如下假定。

（1） 隧道上方巖體的給水度一定時間內(nèi)不發(fā)生變化，地下水持續(xù)、及時地沿?cái)鄬訕?gòu)造補(bǔ)充到隧道上方巖體中。

（2） 隧址區(qū)巖體含水層之間的水力聯(lián)系一定時間內(nèi)不發(fā)生變化，只與固有的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，但在地下水長時間流動情況下，構(gòu)造裂隙仍會發(fā)生變化。

（3） 隧址區(qū)地下水水頭在一定時間內(nèi)不發(fā)生驟變，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

（4） 擬建隧道高程以下水系、基巖裂隙水不直接對隧道涌水造成影響。

（5） 構(gòu)造裂隙使鄰近巖體之間保持穩(wěn)定的水力聯(lián)系同時也產(chǎn)生相互的影響，涌水影響半徑在鄰近巖體之間呈有梯度的緩慢變化。

2.2 涌水量與影響半徑基本關(guān)系

隧道的涌水量計(jì)算過程中，需要將目標(biāo)隧道段分段開展研究。假定隧道研究區(qū)段涌水總量Q等于隧道各段涌水量Qn的總和。Qn由基巖裂隙水釋放量Wn（1）和降雨入滲的補(bǔ)給量Wn（2）兩大部分組成?；鶐r裂隙水釋放量Wn（1）采用地下水疏干法計(jì)算，降雨入滲補(bǔ)給量Wn（2）采用動態(tài)影響半徑的降雨入滲法計(jì)算，預(yù)測帶中的含水層厚度為平均含水層厚度，其計(jì)算公式如下：

2.3 計(jì)算參數(shù)選取

在2.2節(jié)中已經(jīng)明確了隧道涌水量與影響半徑等參數(shù)的關(guān)系式，本節(jié)將說明計(jì)算過程所需參數(shù)的選定情況。

（1） 計(jì)算分段劃分。根據(jù)隧道內(nèi)不同圍巖的含水介質(zhì)特征、圍巖性質(zhì)與級別、推測通過斷裂破碎帶情況和斷裂破碎帶寬度及其趨勢特征、施工進(jìn)度等因素劃分計(jì)算段。把入口至K91+285段已開挖隧道段和巖層受擾動隧道段沿線分為N個預(yù)測計(jì)算段，各段長度Ln為10～110 m。隨著隧道的不斷掘進(jìn)，N會不斷增大，最終N個分段的總長度將等同于隧道實(shí)際開挖長度。研究時間從隧道內(nèi)的第1次涌水開始，設(shè)置5個研究節(jié)點(diǎn)，研究節(jié)點(diǎn)分布如下：① T=150 d，N=23；② T=200 d，N=24；③ T=250 d，N=25；④ T=300 d，N=26；⑤ T=350 d，N=27。

（2） 計(jì)算參數(shù)確定。根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察資料，各區(qū)段具體選取參數(shù)如圖1所示。各分段參數(shù)選取說明如下：① 各火山巖富水裂隙段和富水?dāng)鄬悠扑槎魏畬悠骄穸葹?1～587 m；② 研究段巖體給水度為0.001～0.025；③ 表層風(fēng)化巖層降水入滲系數(shù)為0.2～0.3；④ 隧址區(qū)多年平均降雨量為1 865.6 mm。

3 現(xiàn)場涌水驗(yàn)證

為驗(yàn)證式（13）涌水影響半徑的擬合精確度，選擇該隧道后續(xù)施工段K91+700～K91+950進(jìn)行驗(yàn)證，通過對比涌水量計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行評估。該安山巖段總長250 m，共施工掘進(jìn)42 d；受張性斷層F2-5的影響，該段巖體破碎，在地下水持續(xù)補(bǔ)充作用下，形成了富水?dāng)鄬悠扑閹?。根?jù)巖體給水度差異，以0.000 5 的差異梯度為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將250 m長的富水?dāng)鄬悠扑閹澐譃榻永m(xù)的6段，記錄施工過程中各段揭露富水裂隙區(qū)域和富水?dāng)鄬悠扑閰^(qū)域產(chǎn)生涌水的時間，忽略鄰近隧道段滲水量影響，具體參數(shù)詳見表3。

將表3的參數(shù)代入式（10）中，得到該施工段影響半徑隨涌水時間的變化值，截至42 d時計(jì)算得涌水影響半徑最大為808 m。

將各時間點(diǎn)下涌水影響半徑的計(jì)算結(jié)果代入式（13）中得出K91+700～K91+950段涌水量計(jì)算值。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，將涌水的實(shí)際監(jiān)測值與涌水計(jì)算值進(jìn)行對比，如圖4所示。

由圖4可以看出：在42 d內(nèi)涌水計(jì)算值曲線的變化趨勢與實(shí)際監(jiān)測值曲線的變化趨勢基本一致，兩者均隨涌水時間增加而不斷減少；在涌水的1～6 d內(nèi)涌水計(jì)算值略大于實(shí)際監(jiān)測值，平均誤差為7%；7～42 d涌水實(shí)測結(jié)果存在一定的波動情況，但整體上與計(jì)算值結(jié)果較為接近，整體最大誤差不超過5%。

兩曲線存在誤差的原因如下：① 當(dāng)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)、圍巖給水度較大時，分段圍巖之間存在一定的連通性，開挖擾動區(qū)域裂隙后，使得周邊富水?dāng)嗔褞е械幕鶐r裂隙水沿巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)涌入到隧道內(nèi)，導(dǎo)致實(shí)測結(jié)果存在一定的波動情況。② 實(shí)測值是點(diǎn)監(jiān)測，而數(shù)學(xué)模型屬數(shù)理統(tǒng)計(jì)，本身存在系統(tǒng)誤差，但總體上模型計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測值相近。

4 結(jié) 論

（1） 在涌水量預(yù)測計(jì)算中，匯水面積應(yīng)采用動態(tài)面積，動態(tài)變化因素為涌水影響半徑。在一個降雨周期內(nèi)，含水層平均厚度Hn對影響半徑Rn的影響逐漸顯著，Hn越大，對應(yīng)的Rn將具有更高的增長速率；隨著涌水時間T增加，影響半徑Rn的增長率逐漸降低，涌水影響半徑總體呈非線性增加。

（2） 定義的6 d處拐點(diǎn)和170 d處拐點(diǎn)，把隧道涌水時間段較為準(zhǔn)確地分為3段，分別為特大涌水量時間段、較大涌水量時間段及緩增涌水量時間段。

（3） 在埋深大且受富水?dāng)鄬恿严堵?lián)動影響下，為提高一個降雨周期內(nèi)的涌水影響半徑計(jì)算精度，施工中應(yīng)及時判斷富水?dāng)嗔褞б?guī)模，以提高涌水預(yù)測評估的準(zhǔn)確性。

（4） 對存在于火成巖富水?dāng)鄬恿严秴^(qū)域內(nèi)的破碎巖體，施工過程中及時加固并進(jìn)行錨固支護(hù)，減少隧道基巖裸露長度，對于減少隧道內(nèi)涌水量尤為重要。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：

Under combined influences of fracture tectonics and precipitation，a certain scale water-rich faults have been formed in the igneous region.When tunnels pass through such regions，it is highly possible to cause water gushing and loss of life and equipment.For the above water gushing problems，according to the analysis of the water-rich fault fracture section characteristics in the igneous area，the tunnel water gushing was considered to be composed of two major components：those released from bedrock fractures and those from precipitation infiltration.The former was predicted by the groundwater desiccation method，while the latter was predicted by the precipitation infiltration method.On this basis，in order to gain a higher accuracy of the prediction results，the influence radius fitted by the measured data was involved in the calculation，and a method for water gushing prediction was deduced based on the influence radius.Finally，an example of Hongtu Tunnel was illustrated for verification.The results showed that：① within a rainfall cycle，the larger average thickness of the aquifer（Hn）there was，the higher growth rate of the corresponding influence radius（Rn）would be.② With the increase of the time T，the growth rate of the radius of influence Rn was gradually reduced.③ The error of the calculation results of the proposed method and the actual monitoring data was within 10%，and the accuracy was high.The research results can provide theoretical guidance for the construction of underground projects under similar geological conditions.

Key words：

deep-buried long tunnel；prediction of water gushing；dynamic influence radius of water gushing；fracture structure