隧道涌水量的类型划分及预测方法

熊道锟，熊婧偲

（1.四川省地矿局成都水文地质工程地质中心，成都 610081；2.中铁二十四局集团有限公司，上海 200071）

隧道涌水量的类型划分及预测方法

熊道锟1，熊婧偲2

（1.四川省地矿局成都水文地质工程地质中心，成都 610081；2.中铁二十四局集团有限公司，上海 200071）

根据工程应用的目的不同将隧道的涌水量划分为施工涌水量和长期涌水量，针对涌水量预测方法常常存在使用不当的问题，在全面分析隧道涌水量预测方法的适用条件的基础上，按不同的水文地质条件提出了正确选择隧道涌水量预测方法及其计算参数的建议。

隧道涌水量；类型；预测；方法

随着国民经济的迅速发展，基本建设的速度不断加快，无论是在铁路、公路和水电建设中还是在城市基础设施的建设中都兴建了大量的隧道工程。虽然隧道的类型各不相同，既有穿越山地丘陵的山岭隧道，也有穿越江河、湖泊和海洋的水下隧道，但处在水文地质条件复杂，特别是穿越溶隙和溶洞发育的强岩溶化地段的隧道，在施工和运行期间都不同程度地遭受过地下水的危害。日本东海道干线的旧丹那隧道，在1918年开工之后曾产生过6次大的突泥和突水，水压高达1.4～4.2MPa，突水量最大达134.4m3/min，造成严重的人员伤亡，致使施工期长达16a之久，在贯通后的总涌水量仍然达到145 152m3/d。我国至1989年底，在穿越碳酸盐岩的26座长隧道中发生过较大岩溶涌水灾害的达10座，占总数的38.64%。在西南和中南地区的17座岩溶长隧道中，有近50%的隧道发生过较大的岩溶涌水灾害。大瑶山隧道的班古坳竖井平导洞在施工时突发裹挟大量泥沙的岩溶水，造成竖井和洞内设备被淹，中断施工达1a之久；京原铁路的驿马岭隧道于1972年产生高压突水，造成停运1a；广渝高速公路的华蓥山隧道也曾发生过水量高达686 880m3/d的涌水[1-2]。大量的涌水灾害实例表明，准确地预测隧道的涌水量对隧道的设计、施工和运营都具有十分重要的价值。

近年来虽然大量的文献都探讨和论述过隧道涌水量的预测方法[1-5]，而且《铁路工程水文地质勘察规程》对隧道涌水量的预测方法还作了较为详细的规定[6]，但对于不同预测方法的适用条件和可能产生的偏差却阐述得很少，致使在实际应用中对预测方法的选择和计算参数的选取普遍不合理，造成预测的涌水量偏差较大。

1 隧道涌水量类型划分

1.1 影响涌水量预测精度的主要因素

在工程实践中，尽管常常采用多种方法综合预测隧道的涌水量，但其准确性仍然不高。据统计，在我国的10多座有名的隧道中，预测的最大涌水量接近实际的仅占10%左右，预测的正常涌水量接近实际的仅占20%～30%[3]。铁路隧道的预测涌水量与实际涌水量的误差小于20%的仅占15%，误差在20%～80%之间的占60%，误差超过80%的达25%以上，部分隧道的预测误差竟然达到数十倍，如襄渝线大巴山隧道的预测涌水量为4.14×104m3／d，施工时的最大涌水量达20.55×104m3／d[7]。造成实际涌水量与预测涌水量存在较大偏差的原因除水文地质条件复杂之外主要有：

1）预测模型运用不当。在文献中提及的隧道涌水量预测方法大都没有详细论述涌水量计算公式适用的水文地质条件，尤其是含水层的边界条件，《铁路工程水文地质勘察规程》也是如此，致使在预测涌水量时无法正确选择适用于实际条件的计算公式。如用来预测陆地隧道涌水量的计算公式实际上只适合于水下隧道，预测施工期间涌水量的计算公式未包含掌子面的涌水量等。

2）参数选择不合理。地下水主要接受大气降水的补给，地下水位随降水量的变化而出现季节性的起伏，隧道的涌水量也随之而产生波动。涌水量的波动幅度一般为数倍，在岩溶发育地区可达数十倍甚至数百倍。勘察期间的地下水位往往低于峰值水位，多年平均降水量则明显低于峰值降水量，直接用来预测涌水量显然偏小。隧道的施工常常也不在地下水位的峰值期，其实测涌水量不能与预测涌水量直接进行比较，而应换算为相应条件的峰值涌水量。

1.2 隧道涌水量的类型划分

研究隧道涌水量类型划分的文献并不多。石文慧将隧道的涌水量划分为隧道总涌水量及突水量，其含义前者为隧道相对稳定而持续流出的总水量（含衰减稳定后的突水量），后者为突发性的危害极大的瞬时涌水量[1]；《铁路工程水文地质勘察规程》将隧道的涌水量划分为最大涌水量和正常涌水量，其含义分别为隧道或其他工程某段在含水体中掘进时的峰值涌水量和隧道或其他工程的涌水达到大致稳定时的涌水量[6]。上述定义在理论上并不严密，如掘进时的峰值涌水量从字面上看是最大涌水量，是唯一的，而实际上随施工方式、施工速度和施工期间降水量的多少而变化。

隧道在施工中和建成后的涌水量都随降水补给量的大小而波动，需要加以防范的是比常见涌水量更大的峰值涌水量。按照防范的目的不同将隧道的涌水量划分为施工涌水量和长期涌水量，前者指隧道在施工中遭遇给定频率降水的峰值涌（突）水量，作为隧道施工期间排水设备配置等施工安全防护的依据；后者指隧道在运行期间遭遇给定频率降水的峰值涌水量，作为隧道排水工程设计的依据。考虑到安全性和防范成本的综合平衡，给定频率对一般工程可采用5%，重要工程可采用2%。

1.3 涌水量的表达形式

隧道的总涌水量只表达了总量的概念，根据含水层的渗透性和地下水位的差异分段预测、分段表示的涌水量更具实用价值。建议对长期涌水量自隧道最高点起按单向（单坡隧道）或双向（人字坡隧道）沿隧道下坡方向分段表示累积涌水量，便于根据累积涌水量的差异分段设计不同断面的排水工程。分段涌水量可用表格或折线图表示。

2 隧道涌水量预测方法的适宜性评述

隧道涌水量的预测方法较多，归纳起来可以分为水文地质比拟法、经验公式法、水均衡法、解析法和数值法。

2.1 水文地质比拟法

简称比拟法或类比法。根据比较的因素不同可分为长度比拟法[8]、断面积降深长度比拟法[1]、涌水面积降深比拟法[3,6]等。当用于比较的因子较多时也可以采用模糊数学方法[3,9-11]或者灰色系统理论方法[12-14]等进行比拟。

比拟法适用于各种隧道的施工涌水量和长期涌水量的预测，前提是涌水量的类型必须相同，其预测的精度取决于预测隧道与既有隧道的水文地质条件的相似程度，由于影响因素较多其精度总体上都较低。2.2经验公式法

常见的经验公式有最大涌水量经验公式[2-7]，正常涌水量经验公式[2～7,15]和佐藤邦明经验公式[3,6]等。从本质上说，经验公式法也是一种比拟方法，即与用来建立经验公式的那些隧道的涌水量进行比拟。由于经验公式法利用的既有隧道的涌水量的数据较多，且考虑了渗透系数等水文地质参数的变化，预测的精度一般较普通比拟法更高。

2.3水均衡法

水均衡法主要包括简易均衡法[1,16]、降水入渗法[1,3,6～8,17～19]、地下径流深法[3,6,16,18]和地下径流模数法[1,3,4,6,8,16,18,20]等。与降水入渗法类似的还有洼地入渗量法[8,20]和井泉补给法[1,8]等。

水均衡法只适用于陆地隧道的涌水量预测。该方法源于地下水天然资源的评价，考虑到含水层储存空间对地下水的调节作用和地下水资源的保障性，采用多年平均降水量和枯季径流模数评价地下水资源量是合适的。但仍然采用与地下水资源评价相同的参数来预测隧道的涌水量，其结果大大偏小。

2.4 解析法

根据地下水渗流理论导出的预测隧道涌水量的解析计算公式较多，应用也非常广泛，但由于对公式的适用条件论述较少，实际应用比较混乱。

阿拉文和努米洛夫公式[6]、佐藤邦明公式[3,6]、大岛洋志公式[2～7,15,20]、Lei Shizhong公式[21]、Dimitrios K.和Peter公式[22]及古德曼公式[6]等用来预测隧道的最大涌水量往往都是不正确的。因为这些公式都是以地下水位高于地表为条件导出的涌水量计算公式，只是数学表达的形式有所不同，或者由于含水层厚度无限大、隧道横断面等价圆半径与静止水位至隧道横断面等价圆中心的距离之比很小而作了简化。所以，上述公式只适用于水下隧道涌水量的预测，而不适用于陆地隧道的涌水量预测。

落合敏郎公式[3～5,7,8,20]、柯斯嘉科夫公式[1,4,7,20]、福希海默公式[3]、基坑涌水量计算公式[15,23]和裘布依理论公式[6]等都是未考虑洞顶进水的隧道涌水量计算公式。落合敏郎公式虽然考虑了洞壁和洞底进水，但在不考虑洞顶进水条件下又采用地下水位高于地表时的公式计算洞底涌水量也是不当的；柯斯嘉科夫公式则是掌子面进水部分的计算不合理；其它计算公式只考虑了隧道洞壁进水而未考虑洞底进水，若直接用于预测洞壁及洞底都有进水的隧道的涌水量结果必然偏小。

2.5 数值法

数值法依据分割近似原理，用由若干彼此衔接的三角形（有限元法） 或方形、矩形（有限差分法）组成的连续不光滑的水头面代替渗流场中光滑连续的水头曲面，将非线性问题简化为线性问题求解[24]。

数值法适用于各种水文地质条件的隧道施工涌水量和长期涌水量的预测。通常采用二维和三维模型计算，预测的涌水量一般比较准确，采用三维模型可以获得更好的预测结果[25,26]。黄涛等使用数值法预测秦岭隧道的涌水量为1 490 m3/ d ，实际涌水量为1 482m3/d，误差仅为0.54%[24]。

3 隧道涌水量预测方法与计算参数选取

为避免因预测方法和计算参数选择不当造成的隧道涌水量预测偏差，根据需要预测的涌水量的类型和隧道的水文地质条件，尤其是边界条件，建议优先选择下列预测方法和计算参数。

3.1 施工涌水量预测

3.1.1 水文地质比拟法

根据参与比拟的因素不同分别采用下列计算公式[1,3,6,8]式中：Q、0Q分别为拟建和既有隧道的涌水量，m3/d；L、0L分别为拟建和既有隧道通过含水层的长度，m；F、0F分别为拟建和既有隧道的横断面面积，m2；s、0s分别为拟建和既有隧道的水位降深，

m；A、0A分别为拟建和既有隧道的涌水断面面积，m2。

3.1.2 经验公式法

可以采用与施工涌水量类似的最大涌水量经验公式[2-7]近似计算：

式中：cQ为隧道的施工涌水量，m3/d；K为含水层的渗透系数，m/d；H为静止水位至隧道横断面等价圆中心的距离，m。

3.1.3 水均衡法

可以采用计入静储量的简易均衡法[1,16]。

式中：sQ为地下水静储量，m3/d；dQ为地下水动储量，m3/d；μ为含水层的给水度；V为隧道疏干部分的含水层体积，m3；α为降水入渗系数；A为隧道穿过部分含水层的集水面积，m2；X为隧道区给定频率的日降水量，mm/d；其它符号同前。

3.1.4解析法

隧道施工涌水量为洞壁（包括洞顶、洞底和两侧壁）涌水量和掌子面涌水量之和。根据含水层厚度和边界条件分别采用下列现有或作者提出的公式[式（8）-式（11）]计算洞壁的涌水量。当隧道只有单侧进水时，预测的涌水量减半。

1）水下隧道。当D<2/R，含水层厚度有限时[3,6]，

当D<2/R，含水层厚度无限时[6]，

式中：D为隧道横断面等价圆中心的埋藏深度，m；R为隧道涌水的影响半径，m，按或R=215.5+510.5K计算；Qs为隧道洞壁的涌水量，m3/d；r为隧道横断面等价圆半径，m；T为含水层厚度，m；其它符号同前。

当D>R/2时，采用陆地隧道的涌水量计算公式计算。

2）陆地隧道。

当静止水位高于隧道顶部，含水层厚度有限时，

当静止水位高于隧道顶部，含水层厚度无限时，

当静止水位低于隧道顶部，含水层厚度无限时，

当静止水位低于隧道顶部，含水层厚度有限时，

式中：b为含水层底板在隧道横断面等价圆中心下的深度（m）；其它符号意义同前。

当含水层厚度无限大时，掌子面的涌水量采用下式计算[1]：

当隧道底面为含水层底板时，掌子面的涌水量按下式计算[1]

需要特别说明的是，只要含水层底板在洞底下的深度大于影响半径，均认为含水层厚度是无限的。

3.1.5数值法

该方法适用于各种隧道的施工涌水量预测，精度较高。计算参数采用给定频率的日降水量及相应的静止地下水位和含水层厚度。

3.2 长期涌水量预测

3.2.1比拟法

计算公式仍为式（1）、式（2）和式（3）。但既有隧道的涌水量采用长期涌水量。

3.2.2经验公式法

采用与长期涌水量类似的正常涌水量公式[2～7,15]和佐藤邦明公式[3,6]近似计算

式中：Ql为隧道的长期涌水量，m3/d；为经验系数，一般取12.8；其他符号同前。

3.2.3水均衡法

采用不考虑静储量的降水入渗法[1,3,6,8,,17-19]：

式中符号的意义同前，参数取值方法相同。

3.2.4解析法

长期涌水量只包括洞壁涌水量，不包括掌子面涌水量。

1）水下隧道。由于水文地质条件相同，仍采用与施工涌水量相同的公式式（6）和式（7）计算。

2）陆地隧道。由于地下水疏干，洞顶无进水，采用条件相同的计算公式式（9）和式（10）计算。

3.2.5数值法

适用于各种隧道的长期涌水量预测。参数的取值方法与施工涌水量的预测相同。

4 结论

1）目前得到广泛应用的隧道最大涌水量和正常涌水量的涵义不明确，考虑到地下水的波动，将给定频率的峰值涌水量作为隧道的涌水量，按作用不同划分为施工涌水量和长期涌水量，作为隧道施工期间的安全防护和隧道排水工程设计的依据。

2）隧道涌水量的预测方法并不是普遍适用的，不同的方法有不同的适用条件，应用时必须按水文地质条件选择合适的预测方法，不可滥用。比拟法必须具有相似的水文地质条件。

3）由于地下水位的波动性，预测隧道涌水量必须选择合适的峰值参数，曾经采用过的多年平均降水量和勘察时的地下水位都是不合理的，应采用给定频率的日降水量和相应的地下水位进行隧道涌水量的预测。

[1] 石文慧．论铁路隧道涌水灾害的防治[J]．中国地质灾害与防治学报，1993，4（1）：46～55．

[2] 王建秀，朱合华，叶为民．隧道涌水量的预测及其工程应用[J]．岩石力学与工程学报，2004，23（7）:1150～1153．

[3] 朱大力，李秋枫．预测隧道涌水量的方法[J]．工程勘察，2000，（4）:18～22．

[4] 毛建安，石中平，毕焕军．秦岭隧道水文地质的综合勘察与涌水量的预测计算[J]．世界隧道，1998，（2）:44～48．

[5] 邓百洪，方建勤．隧道涌水预测方法的研究[J]．公路交通技术，2005，（3）:161～163．

[6] TB10049-2004．铁路工程水文地质勘察规程[s]．北京：中国铁道出版社．2004．

[7] 周水贵．沪蓉高速公路大水井隧道涌水量预测[J]．建筑技术开发，2004，31（7）:41～43,97．

[8] 吴治生．不同地质边界条件岩溶隧道涌水量预测及展望[J]．铁道工程学报，2007，（11）:48～55．

[9] 郑黎明． 隧道涌水灾害预测的随机性数学模型方法[J]． 西南交通大学学报，1998.33（3）:273～278.

[10] 郭旭晶，黄涛，肖再亮，杨辉.石太客运专线特长隧道涌水灾害预测研究[J]．工程地质学报，2008，16（2）:255～257．

[11] 刘丹，李启彬．秦岭特长隧道涌水量的预测研究[J]．煤田地质与勘探，2005，33（1）:41～43．

[12] 安永林，彭立敏．GP与GM（1,1）预测隧道涌水对比分析和实证[J]．科技导报，2008，26（13）:71～74．

[13] 姜汶泉，张运良，安永林．灰色理论预测隧道涌水与实例分析[J]．路基工程，2008，（2）:14～15．

[14] 夏均民，王媛，孙振辉．深埋隧洞涌水量的关联类比灰色预测[J]．地下空间与工程学报，2006，2（8）:1387～1389．

[15] 汪小平．厦门东通道海底隧道涌水量分析及预测[J]．铁道勘察，2008，（1）:27～29．

[16] 康小兵，张强，许模．重庆走马岭岩溶隧道涌水量初步研究[J]．工程地质学报，2006，14（1）:68～71．

[17] 冉云明，徐德斌，程翔．沙包梁隧道水文地质勘察分析及涌水量计算[J]．中国水运，2008，8（7）:177～178．

[18] 魏国灵，何珊儒，朱炳湖．碎屑岩区及岩溶区隧道涌水量简易计算方法[J]．西部探矿工程，2005，（9）:126～128．

[19] 陈新建，孙!琳，李新星，孙巧银．隧道工程地质评价的内容和方法[J]．地球科学与环境学报，2004，26（1）:41～46．

[20] 徐国锋，杨建锋，陈侃福．台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察与涌水量预测[J]．岩石力学与工程学报，2005，24（S2）:5531～5535．

[21] Lei Shizhong．An analytical solution for steady flow into a tunnel[J]．Ground Water，1999，37（1）:23～26．

[22] 丁万涛，李术才，徐帮树，李树忱．隧道涌水量解析公式在海底隧道工程应用研究[J]．地下空间与工程学报，2008，4（4）:662～664．

[23] GB50307-1999．地下铁路、轻轨交通岩土工程勘察规范[S]．北京：国家质量技术监督局、中华人民共和国建设部．1999．

[24] 魏帼钧． 隧道涌水量预测的计算方法比较[J]．山西建筑，2007，33（14）:339～340．

[25] 毕焕军．数值法计算预测山岭隧道裂隙岩体涌水量的应用研究[J]．铁道勘察，2007，（1）:44～46．

[26] 王芃, 黄涛,王传琦． 2D与3D模型预测石太客运专线特长隧道涌水量[J]．铁道工程学报，2007，（9）:51～54．

Classification and Prediction of Tunnel Water Influx

XIONG Dao-kun1XIONG Jing-si2
(1-Chengdu Centre of Hydrogeology and Engineering Geology, BGEEMRSP, Chengdu 610081; 2-China Railway No.24 Bureau Group co., ltd, Shanghai 200071)

The tunnel water influx may be divided into construction water influx and long-term water influx according to different purposes of engineering application. This paper makes a suggestion on correctly selecting the methods and parameters for tunnel water influx prediction in different hydrogeological conditions.

tunnel water influx; prediction; method selection; parameter selection.

P64

A

1006-0995（2014）04-0561-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.020

2013-08-21

熊道锟(1958-)，男，汉族，重庆市万州区人，工程硕士，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质工作及其基础理论研究