基于时间序列的中坝隧道涌水分析

张 吉力

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

基于时间序列的中坝隧道涌水分析

张 吉力

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

隧道涌水是四川岩溶地区隧道开挖过程的重大影响因素之一，决定隧道的顺利施工与否.以中坝隧道为例，通过工程地质勘查和渗流管道调查，结合降雨量与涌水量的时间序列分析，更加准确地判断富水溶腔的连通性，阐述该类隧道涌水形成机理，有效地为预测和解决隧道涌水问题提供借鉴.

隧道涌水;工程地质;岩溶;时间序列分析

0 引言

岩溶地区公路、铁路隧道的施工过程中，涌水、突水等问题对隧道施工安全和进度有着重大影响，往往由于对涌水补给模式和富水溶腔连通性的判断错误，或处置措施的不当，导致重大的人员伤亡和财产损失.此外，隧道长期疏排水无疑会导致隧道地区的水环境发生改变，甚至对居民饮水造成影响.所以，在岩溶地区隧道施工过程中要重点针对涌水、突水等工程地质问题做详细的分析和判断.而在隧道的掘进过程中遇到高压涌水的不良地质灾害时，正确的分析和判断隧道涌水、突水现象形成的原因和机理，可以给灾害处置方案提供有力的参考，帮助解决和处理涌水、突水问题.时间序列分析方法最早由Jenkins等于1968年提出，之后被广泛用于水文研究领域，尤其是用于研究岩溶地区的水文地质过程［1－3］，本研究尝试通过一定时间监测隧道涌水量和降雨量，分析涌水对降雨的响应特征，定性定量地判定涌水的水源补给形式，以达到了解涌水水源补给情况的目的.

1 研究区概况及工程地质条件

1.1 研究区概况

2012年7月14日上午11时，中坝隧道(见图1)进口施工段里程D9K55+221掌子面发生局部高压涌水现象.涌水点出现在掌子面左侧拱腰位置的三处垂直分布的炮眼附近，水柱沿掌子面方向喷出，首日喷距最大达到8 m，且呈现出逐渐增大的趋势.涌水由清澈渐变为浑浊，同时携带大量泥沙.通过现场勘察，可以确定隧道涌水上方有暗河通过，但是仅仅通过掌子面涌水情况很难判断该涌水的水源补给机制和富水溶腔的连通性.

图1 隧道区平面示意图

1.2 工程地质条件

研究区内构造条件较为简单，区域内所涉及的地层单元主要为第四系坡洪积()层、坡残积)层，三叠系雷口坡组(T2l)、嘉陵江组(T1j)、飞仙关组(T1f)，二叠系龙潭、长兴组(P2l+c)，茅口栖霞组(P1m+q).为一单斜构造，未见断裂构造体通过，局部发育小型褶皱.层面在进口处多变，其他大部分以22°缓倾角为主，围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，节理裂隙成组发育.

2 涌水机制分析

受到飞仙关组(T1f)非可溶岩地层的隔挡，以P1地层为主的水文地质单元对隧道无影响.因此，隧址区内隧道所穿越的三叠系雷口坡、嘉陵江组灰岩含水层是隧道开挖过程中的主要涌水源.

该区域内岩溶发育的特点是地表水和地下暗河管道相连通，岩溶以水平溶蚀与垂直溶蚀相互交替呈现，形成规模较大的地下岩溶通道，尤其是嘉陵江组岩溶十分发育，主要表现为地表大量的溶蚀洼地、落水洞和岩溶槽谷，并且顺层发育有地下暗河管道系统［4］，如图 2 所示.

图2 隧道区汇水情况平面示意图

隧道D9K54+100～D9K56+230段切割穿越三叠系下统嘉陵江组(T1j)灰岩，可溶岩段长2 130 m，隧道在D9K55+221掌子面处发生涌突水灾害.水平距离隧道轴线该300 m处地表发育有一个大型的沟槽——纸槽沟，槽谷长900 m，呈 N38°W 向展布，宽220 m，中间洼地底部最低高程为999 m，具规模大，汇水条件好的特点.同时，隧道顶部地表岩溶十分发育，多见溶洞、溶蚀槽谷、洼地、落水洞，具备很好的地下水赋存空间和运移通道，有利于地表水的径流及排泄.隧址区所调查岩溶负地形大多发育在800～1 000 m高程左右，现场调查显示，隧址区洼地、落水洞、岩溶槽谷等岩溶形态星罗棋布，均受区内的构造线控制，顺层沿轴向呈串珠状展布，尤其位于隧道东侧的溶蚀现象，以纸槽沟为起始点顺岩层走向延伸地表发育的各个岩溶形态的底部高程具有阶梯状的下降趋势，并且呈现一定的方向指示性，如图3所示.

图3 洼地、落水洞高程分布图

研究区暗河管道沿线地表发育的落水洞、洼地和溶蚀槽谷均是很好的汇水区域，为地下暗河的补给提供了良好的导水通道.经详细勘察，暗河位置如图4所示.

图4 地下暗河管道平面示意图

图5 地下暗河管道与隧道纵剖面示意图

图6 地下暗河管道与隧道横断面示意图

同时，地表溶蚀的发育高程均位于隧道顶板之上，为此暗河管道也在隧道上部，隧道位于地下水水位以下的水平径流带中，如图5、6所示地下暗河管道的发育对于隧道的开挖存在较大的安全隐患，如2012年7月14日，在隧道开挖至里程D9K55+221处曾发生突然性的大型涌突水灾害.

3 降雨和涌水量监测分析

中坝隧道发生高压涌水情况之后，本研究通过地方气象局的相关降雨量信息和现场涌水量实际监测情况做了实际的统计和比较，详见表1、图7.

表1 中坝隧道降雨量和涌水量数据比较

图7 涌水量、涌水量监测跟踪图

根据以上数据信息，可以发现隧道高压涌水的最大涌水量出现在7月30日，实际降雨的最大降雨量值出现在7月23日，由此可以发现该涌水量与地表降雨量有明显的滞后现象.在此基础上，本研究采用基于时间序列及功率谱的方法分析了隧道涌水对于地表降水的响应关系，结果如图8、9所示.

由图8可知，降雨时间序列的自相关函数在k=0～5附近下降很快，并且当k≥5时的所有r(k)均小于0.2.此表明，降雨时间序列无记忆效应，为纯随机序列，这与图9的自功率谱分析结果(无明显峰值)相一致.然而，隧道涌水时间序列却表现出完全不同的变化特征，首先是其自相关函数出现了明显的拖尾，在0～20 d滞后期内R(k)均超过0.2，表明在经历一次输入脉冲后系统的记忆长度可达20 d;其次，从自功率谱看，S(f)在整个频域范围内未出现明显的峰值，由此表明隧道涌水时间序列不存在小于40 d的短周期，但不排除有大于本次观测时段长度长周期的可能，这从另一个侧面反映出隧址区岩溶地下水系统的调节能力较强，致使隧道涌水与降雨时间序列的结构特征出现了明显的差异.

图8 涌水量、降雨量相关函数图

图9 涌水量、降雨量自功率谱密度函数图

此外，降雨(P)与隧道涌水(TQ)时间序列的互相关功率谱函数、互功率相位谱、谱相关函数如图10～12所示.

图10 涌水量、降雨量互功率谱密度函数图

图11 涌水量、降雨量功率谱相位函数图

图12 涌水量、降雨量谱相干函数图

由图10可知，在整个时域范围内，降雨和隧道涌水的互相关函数有只有一处比较明显的峰值，出现在k为9时.但总体而言，二者的相关性并不很强，超过95%置信水平的个数仅约1/5.相位谱用于估计一个时间序列对另一时间序列的主导作用，如超前或滞后.由于四象限反正切变换得到的相位在［－π，π］之间存在相位卷绕现象，故需展开得到实际的相位变化［5］.由φ12(f)=2πfd可知，φ12(f)为f的线性函数，斜率为K=2πd.据此，通过拟合图11便可求得隧道涌水对降雨响应的平均滞后时间为，

中坝隧道涌水处暗河高度约为200 m，可大致估算出隧址区含水层的平均垂直渗透系数为16.82 m/d.相干谱可以理解为2个时间序列在不同频率时的关联程度，用于表征输入和输出时间序列在某个频率处是否存在同类型的振荡，因此可用来度量输入和输出之间的线性相干程度.若相干谱值接近1，则说明输入信号的某个变化在输出中也得到了成比例的反映;相反，若相干谱值远小于1，则说明系统中存在很强的非线性特征.由图12可知，隧道涌水和降雨的相干系数介于0～0.5，平均0.176，表明二者之间的相干程度降低.这与互相关分析和相位谱反映出的信息一致.

结合涌水量和降雨量的时间序列分析，隧道涌水量与降雨情况有着明显的时域上的差异，涌水量作为降雨量的响应序列，涌水量和降雨量的关系并不密切，主要受渗流通道的影响，涌水的水源补给主要是含水层渗流裂隙补给，而非与暗河通道联通直接补给.

4 结论

岩溶地区的隧道建设过程中，经常遇到隧道涌水情况，中坝隧道涌水，通过对隧道施工区区域地质情况和涌水点区域工程地质勘查分析、对涌水量和降雨量的量化分析可以准确的判断隧道涌水的性质和形式，从而判定隧道涌水的补给形式的渗流通道，然后决定隧道施工的处理办法.

中坝隧道涌水的发生机制属于复合型涌水，由于隧道上方约200 m处有暗河经过，通过层面和裂隙渗流在隧道前方形成富水溶腔，而非地表水直接补给，隧道开挖至此处时，发生高压涌水.经过一段时间的涌水泄压，随着富水溶腔中的水涌出，涌水量、水压也随之减小.

根据后期的超前钻孔揭露的情况看，与判断的情况相吻合，时间序列分析与地质勘察相结合的方法对于探究岩溶地区的涌水成因分析有较好的效果.

［1］刘建.岩溶隧道涌水对降雨的响应特征［J］.煤田地质与勘探，2010，38(2):32 －35.

［2］徐则民，黄润秋，罗杏春.特长岩溶隧道涌水预测的系统辨识方法［J］.水文地质工程地质，2002，29(4):50 －54.

［3］李苍松，王石春，陈成宗.岩溶地区铁路工程地质研究［J］.铁道工程学报，2005，22(S1):357 －363.

［4］刘建.铜锣山隧道涌水对降水的响应特征研究［J］.工程勘察，2010，38(2):37 －41.

［5］刘招伟，张民庆.某铁路隧道岩溶突水的连通性特征［J］.隧道建设，2006，26(1):6 －9.

Analysis of Zhongba Tunnel Gushing Based on Time Series

ZHANG Jie
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

The tunnel gushing is one of the major influencing factors of tunnel excavation in karst areas of Sichuan，which decides whether the construction of the tunnel is successful or not.This paper takes Zhongba tunnel from Xuyong to Dacun railway as an example.By conducting engineering geology exploration and seepage pipes survey，and combining time series analysis of the rainfall amount and water inflow amount，we can judge more accurately the connectivity of rich aqueous chambers.This paper discusses such kind of tunnel gushing formation mechanism，which effectively provides a reference for predicting and solving the problem of tunnel gushing.

tunnel gushing;engineering geology;karst;time series analysis

P641

A

1004－5422(2014)01－0096－05

2013－11－05.

张 吉力(1987—)，男，硕士研究生，从事岩土工程技术研究.