某高速公路隧道涌水量预测研究

钟贵莉

(成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610000)

近年来，随着我国高速公路的快速发展，我国修建道路的大量隧道工程长度和宽度也日益扩大[1-2]。然而，隧道工程的建设常常面临围岩变形、涌水、突水、地面沉降及塌陷等地质灾害。在诸多地质灾害中，涌水(尤其是携带大量碎屑物质时) 被认为是危害性最大的地质灾害之一[3-5]。而公路隧道技术指标要求高，要克服地形地貌影响，特别是山区地貌的影响，地下水条件复杂，如果未能查明隧道区水文地质条件，当隧道施工时，则可能出现隧道涌、突水，恶化围岩稳定，从而导致施工困难、施工人员人身安全受到严重威胁，因此隧道涌水量的计算变得至关重要[6]。朱大力、王建秀等[7-11]国内学者结合我国工程实际提出和发展适合公路隧道涌水量计算的一些方法，但是由于涌水量和地形地貌、地质构造、地层岩性、水文气象等诸多因素有关，所以至今尚无成熟的理论和公认的准确计算方法。本文运用两种方法预测隧道的涌水量，为隧道工程的设计及施工安全提供依据。

1 自然地理概况

某高速公路拟建隧道位于四川盆地北东缘大巴山区，为分幅隧道，右幅起讫里程K1+587～K2+692，长1 105 m，最大埋深约124.74 m；左幅起讫里程为Z1K1+614～Z1K2+712，长1 098 m，最大埋深约129.12 m，属长隧道。

1.1 地形、地貌

隧址区海拔高程最低为587.251 m，最高为724.935 m，相对高差137.684 m，属低山区。隧址区内多为缓坡和陡坎相间地形，进、出口段路基为沟谷,为水田，沟谷以上地形坡度较陡，平均坡度约5°～42°，山腰缓坡段多为旱地和丛林，陡坡处植被较茂密。

隧道进口无道路直接相连，交通条件较差，隧道出口有乡村道路相通，交通较为便利。

1.2 气候

隧址区属亚热带湿润季风气候，气候温和，四季分明,多年平均气温16.7℃，累年各旬平均气温最高为8月上旬27.8℃，最低为1月上旬5.9℃；多年极端最高气温39.3℃，最低-4.6℃。县境多年平均降雨量1 046 mm，全年各季节降雨分布不均，夏季4-10月为丰水期，雨水充沛，降水占全年总降水量46%～50%，2010年7月18日，单次最大降雨量达117.5 mm；冬季降雨较少，约占全年总降雨量3%。区内风向随季节变化明显，夏半年盛行偏南风，冬半年盛行偏北风。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

隧址区地层岩性主要为第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)粉质粘土；白垩系下统白龙组(K1b)泥岩；白垩系下统苍溪组(K1c)砂岩、泥岩、砂质泥岩；白龙组砂岩出露于隧道洞顶，苍溪组地层以泥岩为主，夹砂岩，砂质泥岩呈透镜体分布。各地层岩性分布及特征分述如下：

2.1.1 第四系全新统(Q4)

可塑粉质黏土(Q4el+dl)：黄褐色，稍湿，呈可塑状，主要由黏粒和少量粉粒组成，土质较均匀，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，局部含有植物根系。钻探揭露厚度为0.8～1.0 m，土石工程分级为Ⅱ级普通土。

2.1.2 白垩系下统白龙组(K1b)

(1)强风化泥岩(K1b)：红褐色，泥质结构，构造大部分破坏，水平层理节理裂隙极发育，岩质软，岩芯多为碎块状、短柱状，锤击声低沉。厚度约1.5 m，土石工程分级为Ⅲ级硬土。

(2)中风化泥岩(K1b)：紫红色，主要由黏土矿物组成，泥质结构，薄中厚层状构造，钙泥质胶结。岩芯较完整，多呈块状，节理裂隙较发育，质软，局部含砂质较重，遇水易软化，曝晒易开裂，岩心锤击声较沉闷。土石工程分级为Ⅳ级软石。

2.1.3 白垩系下统苍溪组(K1c)

(1)强风化泥岩(K1c)：红褐色，泥质结构，构造大部分破坏，水平层理节理裂隙极发育，岩质软，岩芯多为碎块状、短柱状，锤击声低沉。厚度约1.5 m，土石工程分级为Ⅲ级硬土。

(2)中风化泥岩(K1c)：紫红色，主要由黏土矿物组成，泥质结构，薄中厚层状构造，钙泥质胶结。岩芯较完整，多呈块状，节理裂隙较发育，质软，局部含砂质较重，遇水易软化，曝晒易开裂，岩心锤击声较沉闷。土石工程分级为Ⅳ级软石。

(3)强风化砂岩(K1c)：灰白色，硅质结构，构造大部分破坏，节理裂隙极发育，岩质较软，岩芯多为碎块状，角砾状，锤击声哑。土石工程分级为Ⅳ级软石。

(4)中风化砂岩(K1c)：灰白色，主要由石英、长石、云母等矿物成分组成，节理裂隙稍发育，岩质较硬，岩体较完整，岩芯多为柱状、短柱状，锤击较清脆。土石工程分级为Ⅴ级次坚石。

(5)强风化砂质泥岩(K1c)：紫红色，主要由黏土矿物组成，含砂质，泥质结构，构造大部分破坏，钙泥质胶结，岩芯较破碎，多呈块状，局部呈短柱状，节理裂隙发育，岩质软。土石工程分级为Ⅳ级软石。

(6)中风化砂质泥岩(K1c)：紫红色，主要由黏土矿物组成，含砂质，泥质结构，中厚层层状构造，局部节理裂隙发育，岩芯较完整，多呈柱状。土石工程分级为Ⅳ级软石。

2.2 地质构造与地震

2.2.1 地质构造与新构造运动

隧址区地处四川盆地东北部，大地构造上位于扬子准地台的二级构造单元中四川台坳的川北台陷，属四川盆地弱活动断裂构造区(见图1)。

图1 四川活动断裂构造分区示意图

隧址区紧邻九龙山背斜，该背斜位于工程区北东角苍溪小淅河处，以西背斜轴向北65°东，以东轴向北60°东，全长37 km，背斜两翼平缓开阔，倾角1°～3°。北东段主要出露地层为苍溪组，南西段出露地层为苍溪组、白龙组，向南西倾没与剑阁杨家山附近。

拟建隧道穿越九龙山背斜的东南翼，无区域性断裂构造。区内岩层倾角平缓，岩层产状为100°∠3°。

2.2.2 地震

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)、《地震动峰值加速度区划图》及《地震动反应谱特征周期区划图》，结合《四川省汶川8.0级地震灾后重建地震评价规划用图，2008.06》，隧址区地震动峰值加速度0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震基本烈度为VI度。

场地属对建筑抗震一般地段，场地类别为Ⅱ类，岩土地震稳定性较好。

2.3 隧道围岩分级

根据地质调绘及钻探揭露，隧道围岩岩体主要为白垩系下统苍溪组(K1c)泥岩、砂质泥岩，依据岩石硬度及岩体完整性，将隧道围岩划分为强、中风化两层。围岩级别及长度统计见表1。

表1 隧道围岩级别统计表

3 水文地质条件

3.1 地表水

隧道进出口有冲沟发育，隧址区无常年地表径流，冲沟内一般夏季暴雨期间会有少量地表水。冲沟水补给源短，迳流量受区内降雨量控制，具有季节性变化大的特征。隧道右线进口附近有16×30 m、64×71 m鱼塘两个，水深约2 m的64×71 m池塘为村民筑坝堵截山坡冲沟形成，主要水源来自坡面汇水。

3.2 地下水

3.2.1 地下水的类型及埋藏条件

隧址区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。前者赋存于隧址区第四系粉质黏土中，该含水土层厚度薄，分布不均，埋藏较浅，主要由降雨补给，汇水补给面积有限，水量较小。后者主要赋存于砂岩、泥岩、砂质泥岩等基岩风化裂隙带中，受基岩裂隙发育程度不均影响，受季节性影响，水位变化较大，测区主要以砂泥岩互层为主，岩层呈单层产出，砂岩层中地下水可能存在承压性。

3.2.2 地下水的补给、径流、排泄

隧址区地下水的补给来源主要靠大气降雨的垂直入渗，具汇水补给面积小、径流途径短、排泄速度快等特点。大气降雨汇积、入渗、补给第四系松散土层后，少部分赋存于松散土层孔隙内及向下伏基岩节理裂隙，大部分雨水汇积后以地表漫流形式向地势低洼处排泄。

为了评价含水层的富水性，查明含水层水文地质参数，为预测隧道涌水量提供依据。在隧址区所有钻孔进行了简易水文地质观测，在勘察野外施工期间对隧道洞身钻孔施工回次水位进行观测，观测表明，隧道洞身钻孔地下水位深度为3.8～57.8 m。

3.3 水化学特征

本次相邻茶店大桥工点的水质分析试验报告(见表2)，对隧道周边地区进行调查研究，从表2可知，地表水主要为HCO3-Ca。

依据《公路工程地质勘察规范》(JTGC20-2011)判定，隧址区属二类环境类型，隧址区地表水对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性、隧址区地下水对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

表2 水质分析试验报告简表

4 隧道涌水量预测

结合隧道资料、地质资料和水文地质资料等，由于地下水形成条件简单，基本上是靠大气降水补给，故采用水均衡法较适宜。水均衡法预测涌水量时，常分为降雨入渗法和地下径流模数法。故本隧道涌水量预测采用降雨入渗法、地下径流模数法对隧道进行估算，综合评定隧道整体涌水量。

4.1 降雨入渗法

此法适用于埋藏深度较浅的越岭隧道，亦适用于岩溶区。根据隧道通过地段的年均降水量、集水面积并考虑地形地貌、植被、地质和水文地质条件选取合适的降水入渗系数经验值，可宏观、概略预测隧道正常涌水量[7]。

根据隧道地形及水文地质条件，采用《铁路工程地质手册》(修订版，2000年)中降雨入渗法进行估算，具体计算及公式如下：

Q=2.74α·W·A

(1)

式中：Q为隧道涌水量(m3/d)；α为降水入渗系数；W为区域多年年降雨量(mm)；A为隧道通过含水体的地下集水面积(km2)。

(1)计算隧道正常涌水量(Qs)

代入公式:Qs=2.74×α×W×A=2.74×0.12×1 046×1.35=464 m3/d

(2)计算隧道最大涌水量 (Qmax)。

考虑区域降水量的增加或雨季降大暴雨等原因，入渗法计算结果应按预测正常涌水量的2倍考虑，预测隧道最大涌水量Qmax=2×Qs=928 m3/d。

4.2 地下径流模数法

此法适用于越岭隧道通过一个或多个地表水流域地区,亦适用于岩溶区。本法采用假设地下径流模数等于地表迳流模数的相似原理,根据大气降水入渗补给的下降泉流量或由地下水补给的河流流量,求出隧道通过地段的地表径流模数,作为隧道流域的地下径流模数,再确定隧道的集水面积,便可宏观、概略地预测隧道的正常涌水量[7]。

地下径流模数法公式计算如下：

Q径=86.4·M·A

(2)

式中：Q径为隧道涌水量(m3/d)；86.4为换算系数；M为地下水径流模数；A为计算汇水面积。

隧址区主要以砂泥岩互层，结合区域水文地质资料综合取M=4.0，A=1.35 km2。

(1)计算隧道正常涌水量(Qs)

代入公式计算得：Qs=86.4×M×A =86.4×4×1.35=467 m3/d。

(2)计算隧道最大涌水量 (Qmax)。

由于地下水动态受降水影响，地下水流量随降雨量的变化而变化较大。在特殊气候情况下，隧道涌水会有一定变化。另外，隧道内开挖也可能扩大裂隙的连通性，而导致隧道涌水量增大。根据以往隧道工程经验，建议施工中隧道最大涌水量按正常涌水量的2倍取值，预测最大涌水量Qmax=2×Qs=934 m3/d。

4.3 隧道涌水量预测评价

结合地区及工程经验，建议以地下径流模数法预测的最大涌水量作为设计依据，即隧道预计双洞总体涌水量：正常涌水量约467 m3/d，最大涌水量约934 m3/d，在开挖过程中揭穿砂岩富集段的泥岩时，可能产生短时集中涌水，瞬时涌水量可能达到每天近千立方米。

5 结语

公路隧道涌水量一般采用两种或两种以上的方法进行预测计算，并对计算结果进行比较，选择最可信预测结果[6]。

(1)由于隧址区的地下水形成条件简单，所以本文采用降雨入渗法和地下水地下径流模数法两种计算方法对拟建隧道的正常及最大涌水量进行宏观预测。为了最大限度地保证施工安全，选取最大涌水量作为最终结果。在本隧道的经验公式计算中，地下径流模数法的计算结果最大，建议用其结果来指导设计和施工，故本隧道推测正常涌水量约467 m3/d，最大涌水量约934 m3/d。但由于隧道水文地质条件的复杂多变，人对隧道的工程地质条件、水文地质条件认识不够全面，精度不够，地下径流模数法的计算结果未必是最大的，所以隧道涌水量的预测必须采取综合勘探手段。

(2)本文运用的两种计算方法，适于宏观概略地预测隧道涌水量，在此基础上还应用多种方法来相互印证，提高预测精度。其次要在施工阶段加强监测，对涌水量预测的成果进行修正，总结经验，提升隧道涌水量预测的精度。