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隧道在施工和運營期間發(fā)生涌水，會嚴重影響隧道的施工和運營，造成巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，甚至會造成人員傷亡。如日本的舊丹那隧道1918年開工后曾6次遇到大突水，造成嚴重傷亡，致使工期達16年之久。我國的大瑤山隧道豎井平導洞施工時，發(fā)生突水，造成豎井和洞內(nèi)設備被毀，中斷施工1年之久。雅礱江錦屏二級水電站施工探硐發(fā)生大型突水，沖毀了施工設備，并廢棄了一條施工隧道(王建秀等，2004)。因此，在勘察階段，準確預測隧道涌水量，對隧道設計、安全施工和運營管理都是相當重要的，尤其對合理選擇隧道防排水措施特別重要。為此一些勘察規(guī)范要求在勘察階段預測隧道的涌水量，如《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)規(guī)定在地下洞室的詳細勘察階段應預測開挖期間出水狀態(tài)、涌水量;《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012－2007)要求預測洞身最大涌水量和正常分段涌水量;《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049－2004)對山嶺隧道工程的水文地質(zhì)調(diào)繪要求分段預測施工階段可能發(fā)生的最大涌水量和正常涌水量;《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487－2008)對初步設計階段隧洞的勘察要求估算最大涌水量;《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287－2006)對可行性研究階段地下廠房系統(tǒng)的勘察，要求預測掘進時發(fā)生突水、突泥的可能性，估算最大涌水量和穩(wěn)定涌水量;《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTGC20－2011)對初步勘察階段要求查明地下水涌水量。

1涌水量預測方法的探討

關于隧道涌水量預測的方法，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)、《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012－2007)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487－2008)和《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287－2006)中并未提及。《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTGC20－2011)只提出“隧道的地下水涌水量應根據(jù)隧址水文地質(zhì)條件選擇水文地質(zhì)比擬法、水均衡法、地下水動力學方法等進行綜合分析評價。”并未給出具體的計算方法。《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049－2004)給出了幾種預測隧道涌水量的方法:簡易水均衡法(包括地下徑流深度法、地下徑流模數(shù)法及降雨入滲法)、地下水動力學法(古德曼經(jīng)驗公式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、裘布依理論公式及佐藤邦明經(jīng)驗式)和水文地質(zhì)比擬法。

1.1水均衡法水均衡法是地下水資源評價的一種基本方法，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，視均衡區(qū)為一整體時，某一均衡時段內(nèi)地下水補給量與消耗量之差，應等于該均衡區(qū)含水層中地下水總量的變化量(林壢等，2011)。基于水均衡的原理，可以查明隧道施工期水量的補給與消耗之間的關系，進而可以獲得施工段的涌水量。常用的水均衡方法有地下徑流深度法(式1)、地下徑流模數(shù)法(式2)和大氣降水入滲法。由式1可見，地下徑流深度法預測隧道涌水量，需要考慮的因素很多，包括滲流域的氣候、降水量及其強度、植被、地形地貌和地質(zhì)(巖性、構造)條件等，而且關系復雜。地下徑流模數(shù)法(式2)和大氣降水入滲法(式3):假設隧道涌水是通過大氣降水入滲造成的，入滲到隧道的水量受地下徑流模數(shù)(M)和降水入滲系數(shù)(α)的影響。而這兩個參數(shù)又受地形地貌、植被、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的影響。由此可見，水均衡法只能針對獨立的地表水流域內(nèi)或水文地質(zhì)單元，預測進入施工段總的“可能涌水量”，而不能用來計算單獨隧道的涌水量，更不能對隧道進行分段預測涌水量。由于水均衡法考慮的是地下水的補給與排泄之間的關系，而補給的主要來源是大氣降水，因此，采用水均衡法計算時，要求有比較豐富的氣象、水文及水文地質(zhì)資料。此外，埋深較大時，水量的變化受外界影響較小，因此，水均衡法一般適用于淺埋隧道。

1.2地下水動力學法1962年Polubarinova-Kochina(1962)導出了隧道單位長度涌水量的近似計算公式，自此之后許多學者以地下水動力學理論為基礎，基于如圖1所示的計算模型，對隧道涌水量進行了預測研究，推導出來了一系列的公式。這兩個公式是用日本2個隧道、前蘇聯(lián)1個坑道和我國2個隧道的最大涌水量、正常涌水量、平均滲透系數(shù)、平均含水體厚度和涌水影響寬度等實際資料，經(jīng)相關分析得出的。所以，這兩個公式在實際應用中存在一定的局限性，計算結果一般比上述理論公式要大，和實際結果相比，其預測值也較大。第四紀松散沉積物中的孔隙水分布較均勻，含水層內(nèi)水力聯(lián)系密切，具有統(tǒng)一的潛水面或測壓面。位于第四紀松散覆蓋層中的隧道，在預測其涌水量時，上述各公式計算結果與實際較符合。對于山嶺隧道，圍巖多為裂隙巖體，地下水以基巖裂隙水為主。相對于孔隙水，裂隙水的分布與運動要復雜得多。簡單地利用上述公式進行涌水量預測，誤差較大，需要開展專門的研究。但是，對于多數(shù)隧道工程，一般不會開展專門的地下水預測研究，而是利用上述公式中的幾種進行預測。從上述公式中可以看出，要準確預測隧道涌水量，需要解決兩個問題:地下水位和滲透系數(shù)。

2地下水位的確定

從式(1)～(10)中可以看出，不論哪一個公式，地下水位的確定是進行計算的關鍵。在隧道工程中，尤其是山嶺隧道，只有在鉆孔處知道準確的地下水位。相對于裂隙而言，基巖中的孔隙很小，尤其是在水體的賦存方面，基巖中的孔隙水可以忽略不計。因此，基巖中的地下水一般為裂隙水。和第四紀松散覆蓋層中的孔隙水相比，基巖裂隙水的埋藏和分布情況復雜。巖石裂隙是基巖裂隙水的儲存空間和運移通道(圖2)，而巖體裂隙的大小和形狀受地質(zhì)構造、地層巖性和地貌條件等控制。這些因素造成了基巖裂隙水無統(tǒng)一的地下水面，有時呈無壓水和承壓水交替出現(xiàn)的情況，很難確定地下水位，依靠幾個鉆孔，無法建立連續(xù)的地下水位線。而且在實際工作中，鉆孔數(shù)量相對較少，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)規(guī)定，初步勘察時鉆孔間距宜100～200m，詳細勘察時山區(qū)地下洞室鉆孔間距不應大于50m;《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》(GB50568－2010)規(guī)定，陸上隧道初步勘察時鉆孔間距400～600m。如上所述，基巖裂隙水沒有統(tǒng)一的地下水面，實際上不存在連續(xù)的地下水位線(圖2)。而在勘察階段對涌水量預測時，需要一個連續(xù)的地下水位。因此，需要對裂隙巖體的滲流模型進行假設。目前常用的滲流模型有等效連續(xù)介質(zhì)模型、離散裂隙網(wǎng)絡模型及二者聯(lián)合起來的混合模型(王海龍，2012)。從理論上講，離散裂隙網(wǎng)絡模型最符合實際情況，但在應用中需要掌握巖體中每條裂隙的分布情況和幾何形態(tài)。在實踐上是不可能的。因此，目前的計算，一般把裂隙巖體簡化為等效連續(xù)介質(zhì)模型，在此基礎上確定地下水位。基巖裂隙富水，導致巖體的地球物理特性表現(xiàn)為明顯的低阻性;地下水的存在，會在一定程度上對巖石起到軟化作用，其波速也會降低。基于含水巖體的這些地球物理特性，可以利用地球物理勘探的方法探測地下水。如地震法、電法等物探方法在探測地下水中得到廣泛應用。隧道工程在勘察階段一般不進行地下水探測，但為查明地下地質(zhì)條件，一般要采取地球物理勘探方法。如《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)要求地下洞室在初步勘察階段，應采用在淺層地震剖面法或其他有效方法圈定隱伏斷裂、構造破碎帶，查明基巖埋深、劃分風化帶;在詳細勘察階段，可采用淺層地震勘探和孔間地震CT或孔間電磁波CT測試等方法，詳細查明基巖埋探、巖石風化程度、隱伏體的位置。在分析地球物理數(shù)據(jù)時，可以結合當?shù)氐膶嶋H情況，分析地下水的賦存情況。由于裂隙水不存在連續(xù)的地下水位線，在實際工作中應結合物探結果和鉆孔中的地下水位，給出虛擬的連續(xù)地下水位線。

3滲透系數(shù)的確定

從上述各式中可以看出，確定地下水位后，為準確預測涌水量，還需要準確的滲透系數(shù)。目前確定滲透系數(shù)的方法主要是進行水文地質(zhì)試驗，包括抽水、壓水、注水和提水試驗等。這些水文地質(zhì)試驗都是在鉆孔中進行的。一般在隧道勘察階段都需要選擇一定數(shù)量的鉆孔，在一定的深度進行水文地質(zhì)試驗，測定巖體的滲透系數(shù)。通過水文地質(zhì)試驗求得的巖體滲透系數(shù)應該是最符合實際的。但水文地質(zhì)試驗是在鉆孔內(nèi)進行的，所求的滲透系數(shù)是地下水向鉆孔滲流時的系數(shù)。基巖裂隙水在巖體中的流動與裂隙的產(chǎn)狀有密切關系，巖體中裂隙的各向異性導致裂隙水滲流的各向異性。也就是說，滲透系數(shù)也表現(xiàn)為明顯的各向異性。利用地下水向垂直鉆孔滲流測得的滲透系數(shù)，很難適用于近水平隧道的地下水的滲流。即水文地質(zhì)試驗測得的是水平方向的滲透系數(shù)，而隧道涌水量預測時需要的是垂直方向的滲透系數(shù)。目前幾乎沒有在勘察或設計期間求取垂直方向上的滲透系數(shù)。一般直接利用鉆孔水文地質(zhì)試驗的結果。巖體及其滲透系數(shù)的各向異性均受巖體裂隙的控制。滲透系數(shù)與裂隙的密度、產(chǎn)狀應該有密切的關系。同一巖體，水平方向和垂直方向上的差異應該主要表現(xiàn)為裂隙傾角的差異。勘察階段進行的工程地質(zhì)測繪及鉆孔巖芯編錄，可以得知巖體裂隙的優(yōu)勢傾角。因此，已知巖體水平方向上的滲透系數(shù)，可以通過裂隙傾角的修正，求得更符合實際的垂直方向上的滲透系數(shù)。

4工程實例

西氣東輸某隧道圍巖主要是上元古界黑云石英片巖、上元古界長英質(zhì)糜棱巖和斷層破碎帶，地表覆蓋很薄的第四系碎石土(圖3)。在勘察階段，測出了鉆孔中的地下水位，如圖3中所示;同時進行了鉆孔注水試驗，測得了不同巖性的滲透系數(shù)。在對隧道涌水量進行預測時，首先根據(jù)物探結果(圖4)，建立了虛擬的連續(xù)地下水位線，如圖3中所示。其次，根據(jù)結構面的發(fā)育情況和對滲透系數(shù)進行了修正。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結果，片理是工程區(qū)最主要的結構面，其平均產(chǎn)狀為199°∠89°，與隧道軸線(走向131°)方向呈小角度相交。工程區(qū)的節(jié)理以陡傾角為主(圖5)，受區(qū)域構造的影響，其主導走向105～114°，間距0.1m～1.0m，與隧道軸線(走向131°)方向呈小角度相交。由此可知，隧洞圍巖向隧洞方向的滲透系數(shù)要比鉆孔測得的滲透系數(shù)大。在進行涌水量預測計算時，所取的滲透系數(shù)K值比表1所列的值大，黑云石英片巖取K=0.9m/d，長英質(zhì)糜棱巖取K=0.5m/d。根據(jù)上述建立的虛擬的連續(xù)地下水位線和修正的滲透系數(shù)，對隧洞涌水量進行了預測，其結果和當?shù)仄渌淼篱_挖的實際涌水量相近，符合該隧洞的實際情況。但滲透系數(shù)的具體修正值和修正方式，需等到該隧洞開挖后和實際涌水量進行對比，才能得出更可靠的結論。

5結論

在勘察階段準確預測隧道開挖時的涌水量，對保障施工和運營期間隧道的安全相當重要，因此相關的勘察規(guī)范要求在隧道勘察的一定階段預測可能涌水量。但對于基巖裂隙水，其賦存和滲流規(guī)律都很復雜，導致預測的涌水量與實際涌水量出入較大。通過對多個隧道進行涌水預測發(fā)現(xiàn)，目前存在兩個問題直接影響預測結果。(1)地下水位線的確定。基巖裂隙水不存在統(tǒng)一的地下水位線，但現(xiàn)在多采用有限的鉆孔確定連續(xù)的地下水位線。這顯然與實際不符。在勘察中一般要進行地球物理勘探，因此可借助物探在基巖裂隙水探測中的成果，建立等效的虛擬的地下水位線。(2)滲透系數(shù)的確定。由于巖體的各向異性，利用鉆孔測得的滲透系數(shù)進行近水平隧道的涌水預測，顯然與實際不符。根據(jù)巖體優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀對鉆孔測得的滲透系數(shù)進行修正，其預測結果可能更加準確。

作者：袁廣祥 李建勇 黃志全 王朋姣 單位：華北水利水電大學