富水公路隧道涌水量预测研究

向睿 樊明举 卓正

摘要：以某隧道作为工程背景对富水区公路隧道涌水量进行预测和分析，借助铁路隧道设计规范的地下水状态分级标准，对预测结果进行分析比较。结果表明，年平均涌水量和隧道正常涌水量较小，适用于隧道的耐久性设计;隧道峰值涌水量较大，应作为隧道的围岩分级修正和施工阶段防排水措施及参数设计。

关键词：隧道 涌水量 预测方法 经验公式

1 引言

地下水的存在对于岩土体的稳定具有不利影响。地下水的危害形式主要有土的渗透变形、砂土液化两种形式。其中，地下水引起的隧道掌子面塌方等情况也属于土的渗透变形。土的渗透变形从形式上说有流土、管涌、接触冲刷、接触流失四种类型，粘性土的渗透变形主要是流土和接触流失两种类型。土的渗透变形特征应根据图的颗粒组成、密度和结构状态等因素综合分析确定。

涌水量是高水位富水区隧道动态设计中最重要的参数之一。设计过程中，需要根据隧道的涌水情况，对隧道围岩分级进行修正，并设计混凝土抗渗级别、注浆措施及参数、排水设施等。施工阶段，要根据涌水情况安排施工进度及防排水措施，以保证施工过程中的安全。

2 预测结果

2.1 铁路工程地质手册

根据设计文件，荣成—乌海高速公路河北徐水至涞源（冀晋界）段，某隧道未作钻孔抽水试验，隧道涌水量采用《铁路工程地质手册》（第二版）推荐的降水渗入公式[1]：

涌水量计算成果如所示，水量计算结果为该段总汇水面积下的平均汇水量。靠近洞口段及洞身段雨季涌水量相对较大，尤其靠近洞身段。按照隧道涌水量标准，当涌水量<100m3/d时，属渗滴涌水，当涌水量>100m3/d时，属小涌水，本隧道涌水量对隧道洞身有一定的影响。

由表1可知，各段单位时间单位长度的涌水量介于0.1m3/d～0.15m3/d。

2.2 大岛洋志公式

该隧道的断面示意图及其基本参数如图1所示：

本段为隧道出口段，埋深为5～21m。隧道拱部为第四系更新统的粉质黏土、碎石、全风化片麻花岗岩，粉质黏土呈硬塑状，碎石呈中秘至密室状。围岩无自稳能力，易发生大塌方。该段地下水较丰富，地下水出水状态为淋雨状或涌流状[1]。

根据以上描述，选取静止水位至隧道等价圆横断面中心的距离为16m，至底板距离为23.2m为例，计算该隧道的单位长度单位时间的涌水量，其中渗透系数取为0.3，如图2。

2.3 古德曼公式

2.4 铁路工程水文地质勘测规范经验公式

根据以上的预测结果，可以得到表2所示某隧道计算涌水量。《铁路隧道设计规范》[2]中，可以根据渗水量进行地下水状态分级，从而对基本围岩分级进行修正。地下水状态的分级依据为10m长度隧道围岩每分钟的涌水量（L）。因此，将预测涌水量转换单位，可得到表4中换算涌水量的结果。

该表中，渗水量范围为0～125 L/（min·10m），《铁路隧道设计规范》中，并未对大于125 L/（min·10m）的渗水状态进行说明。如预测的涌水量大于这个数值，说明涌水量较大，在设计和施工时，要制定防排水的专项技术方案，防止隧道施工过程中发生涌水事故。

以上预测涌水量结果如图3所示，在图中，用水平线条标注出地下水状态的分级区间。

由上图分析可知，同一个隧道，在渗透系数、水位高度等条件相同的情况下，采用不同的预测公式，可能导致截然不同的预测结果。并且该结果跨越了地下水状态分级的三个级别，这就导致了采用不用的预测公式，必然会得到不同的围岩分级修正结果和不同的隧道防排水设计措施和参数[2]。

如果是在设计过程中对围岩分级进行修正，或者设计防排水措施的参数，为了保证隧道施工过程中的安全，应该在预测涌水量时采用峰值涌水量。如果是考虑防水材料的耐久性和混凝土结构的耐久性，在预测涌水量时，可以采用正常涌水量甚至是年平均涌水量。

3 结论

由以上的经验预测公式可知，不同的公式得到的预测结果有比较大的出入，但每个公式基本都与岩体的渗透系数，隧道的断面大小，水位的高度等因素相关。其中，古德曼公式预测得到单位时间单位长度隧道涌水量最大，其次分别为大岛洋志公式和铁路规范经验公式，铁路工程地质手册的预测结果最小，且远远小于其它几个预测结果。通过预测，可以得到以下3条主要结论：

（1）铁路工程地质手册计算的是年平均涌水量，其预测结果可能远远小于雨季峰值涌水量，因此，其計算结果可以用来作为隧道耐久性的控制指标，而不宜作为围岩分级和施工安全的指标。

（2）对于隧道围岩分级的修正，以及防排水措施的设计，应该以隧道的峰值涌水量作为依据，而不能以隧道的正常涌水量作为依据。

（3）在本隧道的经验公式计算中，古德曼公式的计算结果最大，应该用其结果来指导设计和施工;但对于渗透系数和水位高度不同的其它情况，古德曼公式的计算结果未必是最大的。为了最大限度地保证施工安全，需要采用多种手段综合预测，选取最大涌水量最为最终结果。

参考文献：

[1]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]国家铁路局.TB 10003-2016铁路隧道设计规范[M].北京：中国铁道出版社，2017.