火成岩地区深埋特长隧道典型富水段渗透系数反算及涌水量预测

程小勇

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州510507）

0 引言

当隧道通过裂隙岩体的含水区段时，由于人为破坏了原有地下水的渗流条件，使隧道洞身成为地下水以不同形式（渗出、滴流、股流及大范围突水等）向外排泄的地下廊道，形成涌水灾害，特别是高压大涌水对隧道施工造成极不利影响。火成岩是指岩浆喷出或者侵入冷却后成形的一种岩石，随着我国可持续发展，经济双循环战略的推进，一大批在火成岩地区埋深大、距离长的隧道如雨后春笋般出现。纵观国内，在沉积灰岩地区出现大面积涌水现象常见，对灰岩地区的涌水研究较为全面，但对火成岩地区高压涌水研究较少，出现的典型深埋特长隧道工程案例亦不多［1-5］。本文以位于火成岩地区的某深埋特长隧道为例［6］，其最大埋深近740 m，为典型的深埋隧道，进口段岩性主要为火山爆发岩浆喷出地面之后形成的熔结凝灰岩，出口段主要为岩浆侵入形成的黑云母花岗岩，结合目前国内运用较多的大岛洋志公式、古德曼经验式、裘布依公式及水文地质比拟法对典型富水段围岩渗透系数进行反算，与开挖后的实际涌水量进行对比分析，结果较吻合，进而进行未开挖段的预测。

1 工程概况

1.1 地形与岩层

某特长隧道位于广东省梅州市丰顺县与五华县，左线隧道里程ZK89+380～ZK95+716，设计总长6 336 m；右线隧道里程K89+392～K95+742，设计总长6 350 m。隧址区属南亚热带季风气候区，光照充足，雨量充沛，年平均气温21.2～21.7 ℃，多年平均降雨量1 519.7～1 865.6 mm，位于韩江和榕江两大水系的分水岭区域，溪沟发育，多年平均径流量为27.356×108m3。隧址区两侧斜坡地段大多数冲沟狭窄，汇水面积不大，受降雨影响季节性流水，有人工建设的水库和山塘。

隧址区地表覆盖不厚的残坡积层，岩性为粉质粘土或砂质、砾质粘土，厚度一般小于3.0 m。下伏基岩主要为侏罗系高基坪组熔结凝灰岩和燕山期黑云母花岗岩。

1.2 地质构造

受区域性莲花山深大断裂多期次活动影响，隧址区地质构造较为复杂，主要表现为由安山岩形成的复式向斜以及广泛发育纵横交错的断裂构造。隧址区所处的核心部分遭遇西断裂带（五华-深圳）和东断裂带（大埔-海丰）所劫持，发生块断运动，致使核心段遭到抬升，形成海拔几百米以至千米以上的山峰，整体呈现南东-北西两侧断陷中间抬升的地垒式地貌特征，主要表现为由复式向斜以及广泛发育的以北东向断裂带为主、北西、东西向断裂为次的构造格局。呈现在受NE向和NW向断裂控制下，次级NWW近EW向和NNE 近SN 向断裂相互切割的构造格架，这一复杂的构造网络也为区域构造裂隙水的发育提供了条件，并且使区域水文地质条件变得十分复杂，隧道涌水变得难以预测。

1.3 水文地质条件

隧址区含水介质主要有第四系松散堆积物孔隙含水介质，地下水类型主要分为基岩裂隙水和孔隙水两类。孔隙水主要赋存于地表第四系松散堆积物中，其中基岩裂隙水主要赋存于区域侏罗系火山岩和燕山期花岗岩中，基岩由于长期接收风化，表面产生较厚的风化壳，并且岩体中也广泛发育风化裂隙，其中发育风化裂隙水；基岩由于莲花山深大断裂带的运动，岩体受到断层及裂隙的切割破碎，在其中发育构造裂隙水。

隧址区主要接收大气降雨入渗补给，浅层地表的第四系堆积层中的孔隙水和风化带中的裂隙水受到降雨影响显著，其水体根据地形向周边冲沟和盆地径流排泄，形成该地区的冲沟水系；深层地下水主要为基岩裂隙水，其内部流动较为缓慢，循环周期长，受到大气降雨的影响较小且有一定的滞后，其流动排泄主要受到区域构造产状的控制，整体向周边地势较低处排泄［7］。深层地下水由于其埋深大，在隧道开挖过程中如揭露富水构造，则有可能引起高压涌水。

1.4 施工涌水情况

隧道涌水最早发生于2019 年4 月20 日右线隧道掌子面开挖至K91+160 后，右线隧道外侧拱腰以下部位开始出现涌流状出水。随着隧道的继续掘进，水量持续增加，且呈现有压力的状态，至掌子面开挖至K91+169 后，约2/3 掌子面较富水，多处出现涌流状出水，原出水孔变为拱顶股状出水，出水量约为450 m3/h。随着超前钻孔的增加，涌水量也呈现增大趋势。隧道进口处富水段主要为左洞ZK91+147～ZK91+670，右洞K91+169～K91+666，区段内主要分布F2 系列断层，区段内岩体受到切割，部分区段岩体较为破碎，并产生高压大流量涌水，最高水压达到4.3～4.8 MPa。

2 涌水量预测［1］

2.1 预测方法

2.1.1 大岛洋志经验公式

式中：Qmax为隧洞通过含水体地段的可能最大涌水量（m3/d）；m 为换算系数，一般取0.86；H 为静止水位至洞底的垂直距离（m）；r为隧洞横断面等价圆半径（m）；d为隧洞横断面的等价圆直径（m）；K为含水体的渗透系数（m/d）；L为隧洞通过含水体的长度（m）。

2.1.2 古德曼经验式

式中：Qs为隧洞通过含水体地段的正常涌水量（m3/d）；H为洞底以上的潜水含水体厚度（m）；h为洞内排水沟假设水深（一般考虑水跃值）（m）；Ry为隧洞涌水地段引用补给半径（m，一般利用经验公式R=10S K 计算）；K、L的含义同式⑴。

2.1.4 水文地质比拟法

式中：Qs、Qs'分别为新建、既有隧洞通过含水体地段的正常涌水量（m3/d）；F、F'分别为新建、既有隧洞通过含水体地段的涌水面积（m2）；S、S'分别为新建、既有隧洞通过含水体中自静止水位起的水位降深（m）；B、B'分别为新建、既有隧洞洞身横断面的周长（m）；L、L'分别为新建、既有隧洞通过含水体地段的长度（m）。

2.2 渗透系数反算

2.2.1 断层渗透系数

ZK91+360～ZK91+500 段为富水段，长度140 m，涌水量为32 119 m3/d，岩性为流纹质岩屑晶屑凝灰岩，地下水头高度为585 m，该区段发生高压涌水，并且此处发育F2-3断层（见图1），断层揭露宽度为5 m，使用式⑴～式⑶反算渗透系数，由于涌水主要来源于断层，故此处以断层宽度作为含水体的长度进行计算，计算结果见表1。

图1 典型富水段断层构造带分布Fig.1 Distribution of Typical Water-rich Fault Structural Zone

表1 渗透系数反算值Tab.1 Inverse Value of Permeability Coefficient

2.2.2 围岩渗透系数

ZK91+330～ZK91+360 段长度为30 m，隧道围岩岩性主要为流纹质岩屑晶屑凝灰岩，呈中～微风化，节理裂隙较为发育，位于F2-3 断层的边缘，该段在开挖中未见大型断裂，整体较为完整，在隧道中具有代表性，涌水量为3 800 m3/d，地下水头高度为582 m，使用式⑴～式⑶反算围岩渗透系数，计算结果如表1所示。

由于断层具有埋深大、水压力大的特点，表现出较强的承压性，故在利用裘布依公式对断层渗透系数进行反算时，使用承压含水层裘布依公式，对围岩渗透系数反算则使用潜水含水层裘布依公式。

2.2.3 右洞富水段水量对比

K91+245～K91+342段为右洞一富水段，长度97 m，实际开挖水量为42 864 m3/d，F2 系列断层带穿过此段，该处可见断层分布，岩性为流纹质岩屑晶屑凝灰岩，岩体受到断层切割，完整性较差，整体条件与左洞ZK91+360～ZK91+500相似，区段内揭露宽度4 m和3 m的2条断层，地下水头高度为570 m。

K91+342～K91+370段为围岩较完整的区段，长度28 m，位于主断裂旁侧，岩性为流纹质岩屑晶屑凝灰岩，地下水头高度为582 m，根据之前反算的断层渗透系数，代入式⑴、式⑵，并同时使用水文地质比拟法进行水量预测计算，水量对比结果如表2所示。

表2 右洞预测水量对比Tab.2 Comparison of Predicted Water Amount in Right Hole

从表2 可以看出，4 种方法计算得出的水量数据数值相当，差距较小，水文地质比拟法预测的富水段涌水量最小，裘布依公式得到的水量最大，富水段的水量预测相较于实际涌水量十分接近，这也印证了隧道的涌水量主要来源于以导水断层为通道的区域构造裂隙水，而周边未受到断层、裂隙切割的围岩涌水量则较小。在基岩段中，由于渗透系数是根据涌水量较小、围岩相对较为完整的段落计算得来，但是预测段位于F2-3 断层的边缘，故围岩完整性相对更差，而在本身涌水量就偏小的围岩中，一条裂隙所产生的涌水量差异十分明显［8-10］，因此4 种方法所预测的涌水量都略大于实际的涌水量。

2.3 未开挖段水量预测

当前隧道进口端未开挖段为ZK91+933～ZK92+469，总长536 m，其中包含断层F0-3，断层宽度为2 m，地下水头高度584 m，基岩段地下水头平均高度628 m；右洞未开挖段为K91+882～K92+450，总长568 m，其中包含断层F0-3，断层宽度为2 m，地下水头高度600 m，基岩段地下水头高度平均630 m。根据上文中反算得到的断层及基岩渗透系数，代入式⑴～式⑶，同时用式⑷对未开挖段水量进行预测计算，左洞与右洞水量计算结果如表3所示。

表3 未开挖段水量预测Tab.3 Prediction of Water Volume in Unexcavated Section

从表3 可以看出，4 种方法计算得到的涌水量之间差距较小，具有较高的一致性，其中裘布依公式计算得到的预测涌水量最大，左洞达86 707 m3/d，右洞达91 363 m3/d；大岛洋志公式法计算得到的预测涌水量最小，左洞为83 237 m3/d，右洞为87 939 m3/d。在实际施工中，通过已开挖段的涌水量进行渗透系数反算来预测未开挖段涌水量时，建议采用预测值最大的裘布依公式法进行预测更为安全。

3 结论及建议

⑴大岛洋志、古德曼、裘布依公式与水文地质比拟法通过渗透系数反算的方法得出的预测涌水量差距较小，并且通过与已开挖段涌水量进行比较，数值较为接近，证明所选取的进行渗透系数反算的段落在隧道中较具代表性，其水文地质参数在用于后续未开挖段涌水量预测中的可信度较高。

⑵由于左洞与右洞整体构造分布较为接近，在未开挖段中经过左、右洞的主要断层相同，且由于隧址区位于莲花山深大断裂带核心部，区域构造交错连横，构造裂隙水之间的水力联系密切复杂，计算所得的涌水量可能存在部分的重复，因此在实际开挖中水量应小于预测值，在左、右洞都为揭露断层时，两洞之间也会有导水构造的连通，使得两洞涌水量得到相应的分摊，涌水量也会逐渐达到平衡。

⑶根据计算，预测未开挖段最大涌水量左洞为86 707 m3/d，右洞为91 363 m3/d，在后续开挖过程中，主要还是需要关注前期物探成果中的低阻带以及前期资料显示的断层，在到达该区段附近时应进行短进尺、弱爆破的施工方法，辅以超前钻孔预报以及针对富水段的帷幕注浆的方法，保证施工的安全与高效。

⑷由于隧道前期已遭遇过高压大流量涌水，并且经过了长期的排水，目前隧道中的涌水多从拱脚处及地面向上小流量翻涌，证实区域地下水降落漏斗已逐渐趋于平衡，因此在实际揭露未开挖段导水构造时，所能沟通的区域地下水也会小于基于天然状态下的涌水量预测值。