论文部分内容阅读
【摘 要】从2种隧道涌水量计算方法的基本原理出发，讨论了其计算步骤、公式及适用条件。选择合适的计算方法预测涌水量，有助于预警和制定施工对策。以杭长铁路高岭隧道工程为例，采用水均衡法对隧道进行涌水量预测，然后对其涌水量进行评价和提出相应的工程建议，为工程的顺利实施提供了技术支持。
【关键字】高岭隧道；涌水量；预测；水均衡法
1.引言
有关隧道涌水量预测的研究已有近半个世纪，提出和发展了很多方法，但迄今为止无论是隧道正常涌水量，还是最大涌水量，都是依季节变化的，预测时误差较大，尚无成熟的理论和公认的准确计算方法。隧道涌水量预测方法归纳起来主要有：（1）水均衡法；（2）水文地质比拟法。本文详细介绍了上述2种隧道涌水量预测方法的基本原理、计算步骤和计算公式，并以杭长铁路高岭隧道为例，对隧道的涌水量进行了预测，然后对其涌水量进行评价和提出相应的工程建议，为今后深入研究打下基础。
2.水均衡法
水均衡法指在一定范围内，水在循环过程中保持平衡状态，收入和支出相等，查明隧道施工段水的补给、排泄之间的关系，从而获得施工段的涌水量。水均衡法适用于地下水的形成条件较简单的施工地段，可宏观地、近似地预测隧道的正常涌水量和最大涌水量；水均衡法预测涌水量时，常分为地下径流模数法和大气降雨入渗法。
2.1地下径流模数法
概念：指利用一个流域岩溶区内地下径流模数和补给面积，推求出该流域暗河径流总量，或以此评价地质与水文地质条件相似的邻区暗河流域暗河径流量的方法。计算公式如下：
（1）
式中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量（m3/d）；M为地下径流模数（L/s·km2）；F为隧道通过含水体地段集水面积（km2）。
2.2大气降雨入渗法
概念：通过大气降雨与地下水的关系，来反映最终下渗到达地下水的水量的方法。计算公式如下：
（2）
式中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量（m3/d）；η为岩溶水滞后系数，一般取0.15～0.60；α为降雨入渗系数，碳酸盐岩取0.307；X为日降雨量（mm）；F为隧道通过含水体地段集水面积（km2）。
另外，在圈定集水面积时，综合考虑岩性（岩性控制富水性）、构造（构造控制富水地段）、地形地貌（地形地貌影响补给条件）及隧道位置、埋藏深度等有关因素。当隔水体与隧道中心线的距离小于可能影响宽度时，该侧的集水面积边界以隔水体为界。反之，大于可能影响宽度时，采用其它方法确定。
3.水文地质比拟法
水文地质比拟法是建立在水文地质条件相似的基础上，以既有工程的涌水量计算拟建工程的涌水量。因此，此法，适用于拟建工程附近有类似工程，其水文地质条件相似，而精度取决于既有工程和拟建工程的相似性，两者越相似则精度越高，反之则越差。预测拟建隧道的正常涌水量和最大涌水量近似为：
式中，Q、Q’分别为拟建、既有隧道的正常（或最大）涌水量（m3/d）；F、F’分别为拟建、既有隧道的集水面积（m2）；S、S’分别为拟建、既有隧道含水体中静止水位计起的水位降深（m）；B、B’分别为拟建、既有隧道衬砌前洞身宽度；L、L’分别为拟建、既有隧道通过含水体的长度（m）。
4.工程实例
4.1工程地质条件
高岭隧道位于江西省泸溪县宣风镇和源南乡境内，全长3700m。该隧址区主要为剥蚀低山丘陵区，地形起伏较大，植被较发育。测区主要地层有：二叠系下统华德阶茅口组第一段（），硅质岩、硅质灰岩；第四系冲洪积层（），角砾土、粉质黏土。
4.2水文地质条件
地表水主要为季节性溪沟，靠大气降水补给，隧址区内无大的地表水体通过，故计算涌水量时可不考虑。地下水主要分为第四系残坡积层孔隙潜水、基岩裂隙水、碳酸岩裂隙岩溶水。根据区域水文地质资料显示，为富水性中等，平水期地下径流模数为6.35m3/d·km2，分布面积约3.43km2。
4.3隧道涌水量的预测
考虑隧址区内的地貌形态，地层岩性以及水文地质单元中的径流条件，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。
4.3.1地下径流模数法
根据水文地质资料显示，工程区平水期地下径流模数为6.35m3/d·km2，集水面积为3.43km2，而碳酸岩裂隙岩溶水区丰水期与平水期的的地下径流模数比为5.02，将数据带入公式（1）中得正常涌水量为1881.84m3/d，最大涌水量为9785.54m3/d。
4.3.2大气降雨入渗法
根据工程区内的工程地质条件和水文地质条件，本隧道岩溶发育情况主要以裂隙为主，η取0.2，降雨入渗系数，碳酸盐岩取0.307，日降雨量平水期取25mm，丰水期取60mm，集水面积为3.43km2，将数据带入公式（2）得正常涌水量为5265.05m3/d，最大涌水量为12636.12m3/d。
4.3.3计算结果评价及建议
用地下径流模数法、大气降雨入渗法分别预测涌水量，计算结果存在差异，考虑到岩溶隧道和安全性系数问题，结果采用较大值，如表1所示。其涌水量为中等富水带，有一定的季节性变化。设计中应考虑碳酸盐岩隧道涌水量的不规则性，加强相关设计，隧道施工可能遇到涌水、突泥等现象，需加强隧道监测及超前预报。
5.结束语
（1）隧道涌水量是隧道地质超前预报的重要内容之一，2种隧道涌水量预测方法各有优点和不足。水均衡法方法简单，但各项参数较难以准确确定，对计算结果影响很大，适于宏观概略地预测隧道涌水量；水文地质比拟法适用于附近有相似水文地质资料的拟建工程。
（2）在隧道工程设计与施工之前，线路勘察阶段有必要对隧道涌水量进行预测。对于复杂地质条件下的隧道，这项工作显得尤为重要。例如对于岩溶地区隧道涌水预测，目前涌水量预测值与实际值仍有较大的误差。所以在岩溶突水机理、岩溶处治、避灾应急措施等方面还需要开展更深入的研究工作。
【关键字】高岭隧道；涌水量；预测；水均衡法
1.引言
有关隧道涌水量预测的研究已有近半个世纪，提出和发展了很多方法，但迄今为止无论是隧道正常涌水量，还是最大涌水量，都是依季节变化的，预测时误差较大，尚无成熟的理论和公认的准确计算方法。隧道涌水量预测方法归纳起来主要有：（1）水均衡法；（2）水文地质比拟法。本文详细介绍了上述2种隧道涌水量预测方法的基本原理、计算步骤和计算公式，并以杭长铁路高岭隧道为例，对隧道的涌水量进行了预测，然后对其涌水量进行评价和提出相应的工程建议，为今后深入研究打下基础。
2.水均衡法
水均衡法指在一定范围内，水在循环过程中保持平衡状态，收入和支出相等，查明隧道施工段水的补给、排泄之间的关系，从而获得施工段的涌水量。水均衡法适用于地下水的形成条件较简单的施工地段，可宏观地、近似地预测隧道的正常涌水量和最大涌水量；水均衡法预测涌水量时，常分为地下径流模数法和大气降雨入渗法。
2.1地下径流模数法
概念：指利用一个流域岩溶区内地下径流模数和补给面积，推求出该流域暗河径流总量，或以此评价地质与水文地质条件相似的邻区暗河流域暗河径流量的方法。计算公式如下：
（1）
式中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量（m3/d）；M为地下径流模数（L/s·km2）；F为隧道通过含水体地段集水面积（km2）。
2.2大气降雨入渗法
概念：通过大气降雨与地下水的关系，来反映最终下渗到达地下水的水量的方法。计算公式如下：
（2）
式中，Q为隧道通过含水体地段的涌水量（m3/d）；η为岩溶水滞后系数，一般取0.15～0.60；α为降雨入渗系数，碳酸盐岩取0.307；X为日降雨量（mm）；F为隧道通过含水体地段集水面积（km2）。
另外，在圈定集水面积时，综合考虑岩性（岩性控制富水性）、构造（构造控制富水地段）、地形地貌（地形地貌影响补给条件）及隧道位置、埋藏深度等有关因素。当隔水体与隧道中心线的距离小于可能影响宽度时，该侧的集水面积边界以隔水体为界。反之，大于可能影响宽度时，采用其它方法确定。
3.水文地质比拟法
水文地质比拟法是建立在水文地质条件相似的基础上，以既有工程的涌水量计算拟建工程的涌水量。因此，此法，适用于拟建工程附近有类似工程，其水文地质条件相似，而精度取决于既有工程和拟建工程的相似性，两者越相似则精度越高，反之则越差。预测拟建隧道的正常涌水量和最大涌水量近似为：
式中，Q、Q’分别为拟建、既有隧道的正常（或最大）涌水量（m3/d）；F、F’分别为拟建、既有隧道的集水面积（m2）；S、S’分别为拟建、既有隧道含水体中静止水位计起的水位降深（m）；B、B’分别为拟建、既有隧道衬砌前洞身宽度；L、L’分别为拟建、既有隧道通过含水体的长度（m）。
4.工程实例
4.1工程地质条件
高岭隧道位于江西省泸溪县宣风镇和源南乡境内，全长3700m。该隧址区主要为剥蚀低山丘陵区，地形起伏较大，植被较发育。测区主要地层有：二叠系下统华德阶茅口组第一段（），硅质岩、硅质灰岩；第四系冲洪积层（），角砾土、粉质黏土。
4.2水文地质条件
地表水主要为季节性溪沟，靠大气降水补给，隧址区内无大的地表水体通过，故计算涌水量时可不考虑。地下水主要分为第四系残坡积层孔隙潜水、基岩裂隙水、碳酸岩裂隙岩溶水。根据区域水文地质资料显示，为富水性中等，平水期地下径流模数为6.35m3/d·km2，分布面积约3.43km2。
4.3隧道涌水量的预测
考虑隧址区内的地貌形态，地层岩性以及水文地质单元中的径流条件，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。
4.3.1地下径流模数法
根据水文地质资料显示，工程区平水期地下径流模数为6.35m3/d·km2，集水面积为3.43km2，而碳酸岩裂隙岩溶水区丰水期与平水期的的地下径流模数比为5.02，将数据带入公式（1）中得正常涌水量为1881.84m3/d，最大涌水量为9785.54m3/d。
4.3.2大气降雨入渗法
根据工程区内的工程地质条件和水文地质条件，本隧道岩溶发育情况主要以裂隙为主，η取0.2，降雨入渗系数，碳酸盐岩取0.307，日降雨量平水期取25mm，丰水期取60mm，集水面积为3.43km2，将数据带入公式（2）得正常涌水量为5265.05m3/d，最大涌水量为12636.12m3/d。
4.3.3计算结果评价及建议
用地下径流模数法、大气降雨入渗法分别预测涌水量，计算结果存在差异，考虑到岩溶隧道和安全性系数问题，结果采用较大值，如表1所示。其涌水量为中等富水带，有一定的季节性变化。设计中应考虑碳酸盐岩隧道涌水量的不规则性，加强相关设计，隧道施工可能遇到涌水、突泥等现象，需加强隧道监测及超前预报。
5.结束语
（1）隧道涌水量是隧道地质超前预报的重要内容之一，2种隧道涌水量预测方法各有优点和不足。水均衡法方法简单，但各项参数较难以准确确定，对计算结果影响很大，适于宏观概略地预测隧道涌水量；水文地质比拟法适用于附近有相似水文地质资料的拟建工程。
（2）在隧道工程设计与施工之前，线路勘察阶段有必要对隧道涌水量进行预测。对于复杂地质条件下的隧道，这项工作显得尤为重要。例如对于岩溶地区隧道涌水预测，目前涌水量预测值与实际值仍有较大的误差。所以在岩溶突水机理、岩溶处治、避灾应急措施等方面还需要开展更深入的研究工作。