确定性涌水量预测模型在中梁山地铁隧道中的应用研究

王先义，吴 强，王元元

（重庆交通大学研究生部，重庆 400074）

0 引言

隧道的修建会打破隧道所经区域原有的水平衡，严重的将给上部区域的工农业生产和居民生活造成严重影响。目前对于隧道涌水量的预测，大多依赖于经验预测。本文结合重庆市轨道交通一号线中梁山隧道，将采用多种确定性模型方法，在中梁山隧道工程地质详细勘察报告基础上，对涌水量进行了较为准确的定量计算和预测，结合具体工况的基础上，为施工提出防治涌水的相应措施。

1 隧道涌水量预测方法

1.1 比拟法

1.1.1 比拟法是根据已建与新建隧道的水文地质相似性，对涌水的预测，计算公式如下［1］：

式中：Q——拟建隧道的涌水量，m3/d；

Q0——导坑或已建隧道的涌水量，m3/d；

F——拟建隧道过水面积，m2；

F0——导坑或已建隧道的过水面积，m2；

S——拟建隧道正洞地下水位下降值，m；

S0——导坑或已建隧道正洞地下水位下降值，m；

B——拟建隧道的洞身断面周长，m；

B0——导坑或已建隧道的洞身断面周长，m；

L——拟建隧道通过含水体的宽度，m；

L0——导坑或已建隧道通过含水体的宽度，m。

据比拟法预测，隧道施工期最大涌水量10450.1 m3/d，雨洪期最大涌水取2倍，即20900.2（m3/d）。

1.2 径流模数法

径流模数法是把山区河流的枯水期流量当做地下水的补给量，隧道预测涌水量计算可用下式［1］：

式中：Q——为地下水径流量，m3/d；

M——地下径流模数；

F——含水层出露面积，km2；

L——拟建隧道距分水岭的距离（km），拟建隧道距南侧分水岭13km；

B——拟建隧道出露宽度，km。

利用径流模数法计算涌水量，结果如表1所示。

表1 径流模数法、大气降水入渗法、解析法涌水计算

1.3 大气降水入渗法

适用于埋藏深度较浅的越岭隧道，也适用于岩溶区［2］，计算式为：

式中：Q——大气降水渗入法计算的隧道涌水量，m3/d；

α——入渗系数；

W——年平均降雨量，mm，拟建隧道年平均降水量为1 222mm；

A——集水面积，km2；

L——拟建隧道距分水岭的距离，拟建隧道距南侧分水岭13km；

B——拟建隧道出露宽度，km。

大气降水入渗法计算涌水量如表1。

1.4 解析法

解析法是以地下水动力学原理为基础，用数学的解析的方法对给定边界条件和初值条件下的地下水运动运动解析关系式，进而预测隧道涌水。解析法预测隧道涌水，包括稳定和非稳定流理论，分别以裘布衣和泰斯公式为代表。在他们的基础上，人们根据实践经验提出了很多预测用水量的经验公式，较为常见的有：前苏联的柯斯嘉科夫公式、吉尔斯基公式、日本的佐藤邦明公式和落合敏郎公式等。

对于基岩山地越岭隧道，含水体为无界潜水，含水体为无线宽度，涌水量采用柯斯嘉科夫法［3］为：

涌水影响半径采用库金公式：

式中：Q——隧道涌水量，m3/d；

K——含水层渗透系数；

R——隧道宽度的一半，m；

B——隧道通过含水层长度，m；

H——静止水位至隧道底的厚度，m；

h——水位下降曲线在隧道边墙上的高度（m），S＝H－h，当H足够大、h值较小时，取S＝H；

R——隧道涌水影响半径，m；

α——修正系数，α＝π/2＋H/R。

解析法隧道涌水量计算见表1，其中r=5.72m。

2 隧道涌水预测与实际验证

2.1 隧道涌水预测与实测涌水情况对比

2.1.1 通过对中梁山地铁隧道涌水量的实测，比拟法和地下径流模数法计算的涌水量与实际较接近。而大气降水入渗法以及解析法计算结果与实测涌水量偏差较大。

2.1.2 隧道开挖至K26+522和K26+502，经钻孔，出现了大量涌水，最大涌水量分别为10 000m3/d和10 560m3/d，水压最大达到了2.1MPa。隧道施工至K26+546时，歌乐山镇金刚村余家湾水库提灌站室内发生面积约3m2的地面塌陷，疑似与隧道涌水有关。经隧道涌水量实测，其值远小于预测值［4］，排除了隧道涌水的影响。

2.2 涌水处理方法和效果

对上述隧道涌水情况，现场对K26+522～K26+497和K26+502～K26+474段注浆堵水修护，使受损岩体得到很好修护。经注浆堵水后，检查孔内水流量均小于0.2L/min·m，注浆修护效果好。对于地面塌陷，也及时用混凝土进行了封堵，并及时跟踪监测分析，塌陷情况得到了很好的控制。

3 结论

3.1 隧道涌水量的预测，单一的预测方法显然是不够的，应采用多种预测方法相互印证，本例中比拟法和地下径流模数法预测结果相近，并接近实测涌水量。其一是作为本中梁山地铁隧道与比拟的几条隧道水文地质条件基本相同。其二是地下径流模数法计算式简明，计算所选参数较准确。

3.2 大气降水入渗法和解析法预测值与实测涌水量相差较大。大气降水入渗法和解析法做为确定性隧道涌水量计算模型，公式本身是经过相关试验并在一定工程经验基础上提出的，他们的准确性是不容怀疑的。造成与隧道实测值相差较大的原因，一是隧道实际受到应力场、渗流场、温度、时间及空间场等相互影响，给参数的确定造成了误差；二是公式所用参数较多，误差传递值就会增大。

3.3 对隧道涌水量的预测工作，应该在熟悉勘察资料基础上，结合超前地质预报，由丰富经验的人担任，才能较准确的预测隧道涌水情况，更可以对隧道突发涌水采取积极有效的应对措施。

［1］朱大力，李秋风.预测隧道涌水量的方法［J］.工程勘察，2000，（4）：18-23.

［2］方振华，王鹰，冯涛.贵广高速铁坪山隧道涌水预测及涌水防治［J］.路基工程，2010，（1）：197-199.

［3］铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质实例［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［4］付开隆.渝遂高速公路中梁山隧道岩溶预测塌陷及涌水量分析［J］.水文地质工程地质，2005，（2）：107-110.