京张高铁正盘台隧道强涌水段单次开挖瞬时涌水量预测

曾祥福 钱国玉 胡勇伟 张 健 陈永军

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.晋豫鲁铁路通道股份有限公司，山西太原 030013)

自20世纪80年代起，随着技术水平和施工要求的提高，我国开始对隧道涌水量的预测进行系统的研究，在20世纪90年代取得了长足的进步，从基于定性分析逐步发展成为定量评价和计算[1-5]。依据不同的预测方法和模型，不同的学者提出了种类繁多而复杂的计算模型和公式，如在计算渗透系数K时，根据不同的适用范围和约束条件，在《供水水文地质手册》(第二册)中就列举了140个计算公式之多。因此，如何选择合适的公式十分关键[6]。目前，隧道涌水量常用的预测方法主要有：大气降水入渗法、地下水径流模数法、水均衡法、比拟法、解析法(水动力学法)、软件数值计算法以及随机性数学模型法。大气降水入渗法适用于埋深较浅的隧道，可从宏观上概括隧道的涌水情况，但由于未考虑含水层厚度、渗透系数等，计算结果与实际有较大出入，其他计算方法由于适用的环境不同，结果也各不相同，且因为地质条件复杂多变，易导致计算结果存在较大的误差和错误，故需要采用多种方法进行综合计算[7]。

某勘测设计院在小相岭公路隧道采用了比拟法、评分法、地下水径流模数法、大气降水入渗法、古德曼公式、裘布依公式、铁路经验法等7种方法进行了隧道涌水量预测，对比验证结果表明：采用地下水径流模数法计算的涌水量偏小，其他方法计算的涌水量相互接近[8]。

近年来，随着计算机科学的发展，有学者开始转向数值计算方向，例如刘佳[9]、李铮[10]分别采用数值计算软件对隧道涌水量进行了数值计算。

目前，国内外对隧道涌水量的预测研究主要集中于对整个隧道或分段涌水量的预测研究[11-21]，铁路领域未见对单次开挖长度内的瞬时涌水量进行研究的实例。

在隧道顺坡排水时，随着隧道的不断掘进，瞬时涌水一般可顺坡排走，不会造成淹井。而在反坡排水段，单次开挖瞬时涌水量很大时，容易导致反坡段涌水量大于水泵的剩余抽排能力，可能造成淹井，严重影响施工安全和工程进度。因此，对于反坡排水段单次开挖瞬时涌水量的预测就显得非常重要。

结合工程实例，采用了大岛洋志、古德曼、铁路经验公式及水文地质比拟法等涌水量预测计算法，计算单次开挖掘进时瞬时涌水量。

1 工程概况

正盘台隧道是北京2022年冬季奥运会配套的控制性交通工程，其进口位于张家口市宣化区，出口位于张家口市赤城县，进口里程为DK30+425，高程1047.50 m；出口里程为DK43+399，高程1 436.70 m，坡度为30‰的单面坡，隧道全长12 974 m，最大埋深约635 m。

正盘台隧道共设4处斜井，且1号斜井和3号斜井间平导贯通。1号斜井与线路相交于DK32+550，相交点埋深194 m，斜井平面投影长度为667 m；2号斜井与线路相交于DK35+300，相交点埋深224 m，平面投影长度为896 m；3号斜井与线路相交于DK38+200， 相交点埋深262 m，平面投影长度为1 470 m；4号斜井与线路左线相交于DK40+500，相交点埋深251 m，平面投影长度为585 m。

正盘台隧道位于中低山区，地面高程1 047.0～1 888.0 m，最大高差841 m，地形起伏较大，山势陡峭，冲沟发育，山体处大部分可见基岩出露，地表植被发育，主要为杂草及灌木等，植被覆盖率60%～80%。

1.1 地层岩性

地质调绘及现场勘探揭示，隧址区地层岩性主要为：(1)第四系全新统冲洪积层漂石土、粗角砾土；(2)第四系上更新统冲洪积层砂质黄土、粗角砾土、细角砾土；(3)燕山早期花岗岩，强-弱风化状态；(4)侏罗系上统张家口组喷出岩，为一套酸性及中偏碱性的火山喷出岩，主要岩性有熔结角砾凝灰岩和角砾凝灰岩，包括粗面岩、流纹岩、凝灰质砾岩及粗面安山岩，该套地层分布有多期喷发火山碎屑岩软弱夹层，工程性质差，易产生大变形及塌方等；(5)太古界桑干群化家营组，强-弱风化，花岗质混合岩。

1.2 地质构造

(1)区域构造

本区域地质构造主要为由火山活动形成的构造裂隙带。隧址区大地构造位置属于横跨华北地台的2个Ⅱ级单元，以横亘东西的崇礼—赤城断裂为界，北侧为内蒙地轴，南为燕山台褶带，均经历了数次构造运动。

①晚侏罗系以前的构造运动形成了隧道所在区域的基底构造层，以变质岩、花岗质混合岩及侵入岩为主。

②晚侏罗系时期以大龙王堂为喷发中心的火山构造运动强烈，环状和放射状构造裂隙带发育，且多为宽张裂隙。

③火山盆地边缘为晚侏罗系火山岩与基底变质岩的不整合接触带，接触带附近岩体破碎。

(2)结构面及节理

宽张裂隙宽度为0.1～0.3 m，倾角一般较大，岩体破碎，呈碎石、块石状。

1.3 地下水

隧道所在区域地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，主要接受大气降水补给和侧向补给。

(1)第四系孔隙潜水

主要赋存于山间谷地第四系松散层中。本隧道埋深较大，该层地下水对隧道影响小。

(2)基岩裂隙水

基岩中存在的节理裂隙、构造裂隙及岩性接触破碎带往往赋存地下水，主要接受大气降水补给和少量侧向补给。

①构造裂隙水：构造裂隙带发育的宽张裂隙为地下水赋存创造了有利条件，侧向补给充分，强富水，水量大，持续时间长。

②岩性接触破碎带水：盆地西侧为太古界花岗质混合岩与侏罗系火山岩不整合接触带，岩体破碎，强富水，水量大，持续时间长。

1.4 施工涌水情况

(1)2号斜井涌水

2号斜井施工至DK35+407(出水点位于拱顶下约2 m，高程1 204.89 m)发生涌突水淹井(拱顶未见塌方)，淹没斜井与正洞相交的拱顶(淹没斜井里程段XJ0+0～XJ0+81)，5 h平均涌水量约为5 400 m3/h。之后由于水的反压作用，涌水量逐步减少，最终水面稳定在斜井里程420.6 m，高程1 238.93 m，地下水头高34.04 m(见图1)。

图1 2号斜井大里程侧突涌水点情况

(2)1号斜井涌水

1号斜井左导开挖至1PDDK0+143发生较大涌水(如图2)，呈喷射状，喷射水平距离达10.5 m。监测水头高度14.59 m，实测瞬时涌水量为1 162 m3/h。由于瞬时涌水量较大，隧道停止掘进，同时采用超前水平钻孔对工作面前方进行探测。此时，剩余抽水能力为2 000 m3/h，需评估淹井可能性。

图2 1号斜井左导涌水情况

1.5 涌水后工期保障措施

2号斜井涌突水淹井发生后，抽水约1个月(抽至斜井工区正洞)，具备重新施工条件。为保障工期，经研究，在正盘台隧道1～3号斜井之间正洞右侧设置平行导洞。此时，2号斜井抽水能力剩余量为2 000 m3/h。开口横通道进入20 m时又发生涌水，涌水呈喷射状。由于平导均在正洞内开口，泄水洞未贯通，所有涌水均汇入泵站，此时平导超前掘进时单次涌水量是否超过抽水能力成为迫切需要解决的问题。2号斜井平导开口处涌水情况见图3。

图3 2号斜井平导开口处涌水情况

2 涌水量预测

2.1 预测方法

(1)大岛洋志法

(1)

式中Qmax——预测隧洞通过含水体可能最大涌水量/(m3/d);

K——岩体的渗透系数/(m/d)；

H——含水层中原始静水位至隧洞底板的垂直距离/m；

L——隧洞通过含水层的长度/m；

r——为隧洞洞身横断面的等价圆半径/m;

d——为隧洞洞身横断面的等价圆直径/m，d=2r；

m——转换系数，一般取0.86；

(2)古德曼法

(2)

式中Qmax——预测隧洞通过含水体可能最大涌水量/(m3/d);

K——岩体的渗透系数/(m/d)；

H0——原始静水位至洞身横截面等效圆中心的距离/m；

d——为隧洞洞身横断面的等价圆直径/m。

(3)铁路经验公式法

q0=0.025 5+1.922 4KH

(3)

式中q0——预测隧洞通过含水体可能最大涌水量/(m3/d);

K——岩体的渗透系数/(m/d)；

H——含水层中原始静水位至隧道底板的距离/m。

(4)佐藤邦明非稳定流式

(4)

式中Qmax——预测隧洞通过含水体可能最大涌水量/(m3/d);

K——岩体的渗透系数/(m/d)；

H0——原始静水位至洞身横截面等效圆中心的距离/m；

hc——含水体厚度/m；

h0——隧底至下伏隔水层的距离/m；

r0——为隧洞洞身横断面的等价圆半径/m。

(5)水文地质比拟法

Q=Q′·F·s/(F′·s′)

(5)

F=B·L

(6)

F′=B′·L′

(7)

式中Q、Q′——新建、既有隧道(坑道)通过含水体地段的正常涌水量或最大涌水量/(m3/d)；

F、F′——新建、既有隧道(坑道)通过含水体地段的面积/m2；

s、s′——新建、既有隧道(坑道)通过含水体中自静止水位计起的水位降深/m；

B、B′——新建、既有隧道(坑道)洞身横断面周长/m；

L、L′——新建、既有隧道(坑道)通过含水体长度/m。

正洞平均周长取37.9 m，平导平均周长取23.2 m。

2.2 岩体渗透系数

DK35+407处前一个循环开挖长度为3 m，涌水后前5 h平均涌水量为5 400 m3/h，地下水头高34.04 m。正洞等价圆半径6 m。代入公式(1)至公式(4)反算渗透系数，计算如果见表1。其中古德曼反算的渗透系数最小，佐藤邦明反算的渗透系数最大，大岛洋志和铁路经验反算的岩体渗透系数值相当。

表1 DK35+407岩体渗透系数反算值

1PDDK0+143涌水时的监测水头高度为14.59 m，实测瞬时涌水量为1 162 m3/h。现场核查出水点位于工作面1 m范围，岩体渗透系数反算值见表2。

表2 1PDDK0+143地层渗透系数

2.3 瞬时涌水量预测

(1)2号斜井平导瞬时涌水量预测

2号斜井平导开口横通道进入20 m时(工作面里程为PDDK0+20)发生涌水，岩体与对应正洞基本一致，故可用表1反算岩体渗透系数(水头高度为34.04 m，平导等效圆半径为3.5 m)。瞬时预测涌水量见表3。水文地质比拟法预测的涌水量最小，铁路经验法预测的涌水量最大。

表3 PDDK0+20瞬时预测涌水量

按2号斜井剩余抽水能力2 000 m3/h考虑，单次开挖长度为1.5 m、3 m时，涌水量均超过了抽排水能力，故只有单次开挖长度为1 m时涌水量未超出现场抽排水能力，可以进行带水作业掘进。单次开挖长度不超过1 m的现场实际测量瞬时涌水量为1 220 m3/h。

(2)1号斜井左导瞬时涌水量预测

根据1PDDK0+143反算的岩体渗透系数，计算继续掘进时单次开挖1.5 m的瞬时涌水量，由表4可见，各计算方法预测的涌水量接近，具有很高的一致性。根据剩余抽水能力2 000 m3/h判断，可带水作业施工，不会造成淹井。实际施工过程中，在通过200 m强富水段时，单次掘进长度不超过1.5 m，测量的实际最大瞬时涌水量为1 285 m3/h，比计算值小约26%(如表4)。

表4 1PDDK0+143单次开挖1.5 m时瞬时预测涌水量

3 结束语

(1)大岛洋志、古德曼、铁路经验和佐藤邦明公式计算的岩体渗透系数反算值不完全一致，采用铁路经验法渗透系数反算值预测隧道瞬时涌水量偏安全。

(2)结合正盘台隧道的工程经验，如计算的瞬时涌水量超过剩余抽水能力时，可采用减少单次开挖长度、降低单次开挖高度、超前预注浆等方法减少单次开挖瞬时涌水量。

(3)在使用此方法评估单次施工开挖淹井的可能性时，应对比剩余抽水能力，注意预留一定的安全系数。

(4)在铁路隧道强涌水段，首次采用多种方法对铁路隧道单次开挖瞬时涌水量进行了准确预测，结合正盘台隧道辅助坑道平导及1号斜井近260 m的强涌水段，进行了约190个单次开挖循环工作面带水作业涌水量预测的工程实践，根据反算的岩体渗透系数，采用水动力学计算及水文地质比拟法预测单次开挖的瞬时涌水量，且采取针对性的带水作业工程措施，为施工提供了较强的指导性，节约了工期，可为类似工程提供参考。