隧洞涌水量计算公式中参数的取值分析

卢全祥 李军

涌水是隧洞工程施工中常见的地质灾害，准确预测隧洞的涌水量对于保证隧洞施工、降低隧洞施工风险及隧洞防排水设计具有重要意义。目前工程上常用的涌水量计算方法有水均衡法、解析法、比拟法、数值分析法等。

预测隧洞涌水量的计算过程中，计算参数的合理性对预测隧洞涌水量结果的准确性有重要影响。本文就如何进行计算参数的合理取值进行分析探讨。

1 常用公式计算参数的取值分析

1.1 隧洞通过含水体地段的长度L

当隧洞经过非均质岩土层或构造带，如下穿水库、冲沟或穿越断层、岩性界面等，应根据不同地质情况将整个隧洞分成多个相对均质单元，再根据各单元的具体地质特点选用相适应的预测隧洞涌水量公式进行计算，最后求和得到总预测隧洞涌水量，即L总=L1+L2+…+Li、Q总=Q1+Q2+…+Qi（i为正整数）。

1.2 集水面积A

集水面积A主要用于简易水均衡法计算，与预测隧洞通过含水体的正常涌水量成正比关系。公式A=L·B中，影响宽度B需要根据实际工程情况或工程经验取值。当隧洞通过汇水盆地（洼地、富水构造等）时，该盆地面积可用作该段隧洞的集水面积，取其平均宽度作为隧洞涌水影响宽度。当隧洞沿线地表不满足上述条件时，可根据TB 10049—2004《铁路水文地质勘察规程》中的经验式概略预测隧洞一侧涌水影响跨度R值（m），R=215.5+510.5k，式中k为含水体渗透系数（m/d）；则B=2×0.001R。

1.3 含水体的渗透系数k

当中等透水岩土体不能通过现场试验或室内土工试验测得实际的渗透系数时，建议先采用简易水均衡法计算预测隧洞正常涌水量Qa，且采用TB 10049—2014《铁路水文地质勘察规程》附录E中表E.3.3.-2对隧洞最大涌水量Qb进行概略预测，再将上述结果与使用不同数量级的渗透系数k计算得到的预测隧洞涌水量Qc进行比对，结合工程实际情况进行分析，最后确定渗透系数k。以上的计算过程中，一般有Qa＜Qc＜Qb。

地下水渗流的垂直或水平方向若有多层渗透系数ki不相等的含水层，则需要根据每层含水层的厚度hi或长度li对渗透系数进行加权平均，即k=（i为正整数）。

1.4 与静止水位有关的距离参数

山岭、盆地等地势变化明显的地区，其地下静止水位线主要依照地势的起伏发生变化，在自然状态下处于动态平衡。对隧洞整体或者单元进行预测隧洞涌水量的计算时，隧洞通过含水体地段长度La的区域内的地下水位并非水平直线。为了计算方便，需要将“变化”的地下静止水位线转换成“恒定”的静止水位线，方法建议如下：

在计算长度La区域内，根据地面高程单调递增或递减的变化将该区域划分为若干子隧洞段Lai，将各子隧洞段最高水位hf及最低水位hg的平均值作为该子隧洞段的中间水位he，即再根据各子隧洞段的距离对其中间水位hei进行加权平均得到的hd，作为等价静止水位，即hd=

2 工程实例计算

珠江三角洲水资源配置工程是从珠江三角洲河网西部的西江水系向东引水至珠江三角洲东部的供水工程，为广州市南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区供水。该工程输水线路由西向东布置，主干线全长90.3 km，采用盾构法、钻爆法、TBM法等工艺施工，工程等别为Ⅰ等，工程规模大（1）型。其中，沙溪至罗田段1#钻爆隧洞长4.527 km，洞身主要经过微风化（微透水）、弱风化（弱透水）花岗岩、后期侵入的脉岩类及断层破碎带（中等透水）等。围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主；穿越断层、风化深槽处洞身围岩以Ⅳ类为主，局部Ⅴ类。该段隧洞下穿东莞大岭山，其间冲沟、断层发育，大气降水丰沛，场区内岩土体水力联系密切，多年平均年降雨量等值线变幅为1 600～2 600 mm。山间冲沟流水为影响该段输水隧洞的主要地表水类型；地下水主要以风化裂隙水与构造裂隙水为主，其中风化裂隙水与地表水的水力联系、补排作用强烈，构造裂隙水水量丰富、具有各向异性的特征。

根据隧洞设计资料与工程地质勘察成果，计算1#钻爆法隧洞的涌水量，主要计算思路：以断层破碎带为界，将该段隧洞划分为若干子隧洞单元，分别求出各单元的等价静止水位hd，根据大岛洋志法分别计算各单元和各断层破碎带的隧洞单位长度最大涌水量q0，通过佐藤邦明经验式计算得到隧洞单位长度正常涌水量qs，各相应单位长度涌水量与隧洞长度的乘积累加得到1#钻爆隧洞预测最大涌水量和正常涌水量。采用TB 10049—2014《铁路水文地质勘察规程》附录E中表E.3.3-2（见表1）对隧洞最大涌水量进行概略预测，将两种最大涌水量的计算结果进行对比校验。

表1 隧洞最大涌水量概略预测 m3/d

1#钻爆法隧洞穿过区域性断裂带F9及其次生断层f203、f204等，均为强透水层。根据1.3节计算Qa、Qb、Qc并结合工程经验进行比对，确定区域性断裂带F9的渗透系数取1×10-3cm/s、其余次生断层渗透系数取1×10-4cm/s。

整体隧洞围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主，其中Ⅱ类围岩微透水，渗透系数取1×10-6cm/s；Ⅲ类围岩弱透水，渗透系数取1×10-5cm/s。根据1.3节计算得到各子隧洞加权平均渗透系数，即ki=具体计算参数与结果见表2。

表2 1#钻爆法隧洞涌水量计算表

按表2对1#钻爆法隧洞进行评分并累加，概略预测隧洞的最大涌水量，计算结果：Q0=2 900+0+0+2 730+500+3 140+3 860+0+23+1 607=14 760（m3/d）。由表2可知，通过公式计算得到1#钻爆法隧洞的预测隧洞最大涌水量为13 936.66 m3/d。两种计算方法得到预测隧洞最大涌水量数值较接近，则说明计算方法与成果较可靠。

3 结语

本文主要针对常用的隧洞涌水量预测计算公式中各主要参数的取值进行了分析与探讨，并以珠江三角洲水资源配置工程中的一段隧洞为例进行隧洞涌水量计算。通过分析总结，对常用的隧洞涌水量预测计算公式中各主要参数的取值有以下几点建议：

（1）隧洞工程洞身穿越的地层一般为非均质，在采用经验公式计算隧洞涌水量时，首先需要将总长度为L的工程整体划分为多个（相对）均质的长度为Li的子隧洞单元，再根据各个单元所处的地质情况选取相适应的公式、参数进行涌水量计算，各单元的预测涌水量之和即为整体隧洞工程的预测涌水量。

（2）集水面积A可根据经验公式进行计算，即A=0.002L(215.5+510.5k)，L为计算隧洞长度（km）、k为含水体的渗透系数（m/d）。

（3）确定中等透水岩土体的渗透系数k时，先用不同数量级的k值试算隧洞涌水量Qc，再与通过降水入渗法和隧洞涌水量概略预测得出的结果Qa和Qb进行比对校验，一般有Qa＜Qc＜Qb，从而确定渗透系数k的数量级。对于不同透水性的地层，由各岩土层的渗透系数ki在水平方向上与隧洞穿越各岩土体的长度或在垂直方向上与各层岩土体的厚度进行加权平均而得到。

（4）在地下水位线为非水平直线的隧洞单元中，将水位线上的各极大、极小值之差的平均值与相对应的隧洞段长度进行加权平均，以加权平均作为等价静止水位。

（5）对同一隧洞建议采取多种不同公式或方法进行涌水量预测分析，并进行比对校验；若结果相差较大，则需分析各主要计算参数的取值合理性，修正后再重新计算。