岩溶区反坡施工隧道涌水量计算方法

冯 升 王 勇 朱兴礼 陈 勇

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051；2.湖北省恩施土家族苗族自治州公路管理局 恩施 445000; 3.中铁十四局集团有限公司 济南 250014)

伴随交通基础设施大发展，岩溶区长大隧道越来越多，建设期往往会遭遇岩溶涌水的危害，而对设计为单向纵坡的隧道而言，施工期间高端洞口不得不面对反坡排水的问题[1]。李方华[2]运用大气降水入渗法和岩溶洼地渗入法，对大广高速紫荆山隧道涌水量进行了预测，得出隧道正常与最大涌水量分别为15 057 m3/d和91 060 m3/d；覃兰丽等[3]运用断面法、降雨渗入汇流法及地下水径向辐合和径向辐射法分别预测了岩溶区某高速公路隧道地下河100年一遇最大涌水量；王小杰[4]依托大万山隧道研究了山岭区特长隧道反坡施工排水设计思路和方法；邓伟等[5]依托缙云山隧道提出一种快速有效的反坡排水处理方案。

目前针对岩溶区反坡施工隧道涌水的研究，多集中在勘察设计阶段隧道一段或多段总体涌水量的预测和施工阶段反坡排水施工处理技术2个方面，而对于工程计量时设计涌水量的准确计算鲜有触及。本文以利万高速齐岳山隧道为例，对勘察设计、施工期间和施工后期隧道涌水量预测和计算方法进行了研究。

1 工程概况

鄂西南齐岳山地区为碳酸盐岩分布区，岩溶和岩溶地貌十分发育，岩溶地下水也极为丰富[6]。齐岳山隧道横穿齐岳山山脉，是利万高速公路的控制性工程，设计为分离式双向4车道隧道，设计车速80 km/h，左幅全长3 375 m，右幅全长3 386 m，最大埋深543 m。隧道左幅进口位于左偏圆曲线上，半径R=1 200 m，出口位于左偏圆曲线上，半径R=1 470 m，纵面线型为1.55%+2.20%单下坡；隧道右幅进口位于左偏圆曲线上，半径R=1 200 m，出口位于左偏圆曲线上，半径R=1 500 m，纵面线形为1.55%+2.20%单下坡。

齐岳山隧道施工由中铁十四局集团第二工程有限公司负责，共涉及2个工区，其中二工区施工隧道进口段2 059 m，三工区施工隧道出口段1 327 m，反坡排水集中在隧道进口段。

2 勘察设计阶段涌水量预测

齐岳山隧道所在区域属构造溶蚀-剥蚀中山地貌，隧道横穿齐岳山背斜，南东翼产状为115°∠70°、北西翼产状约320°∠60°，地表局部覆盖有第四系残坡积粉质黏土(Qhdl+el)，下伏基岩为二叠系灰岩、硅质灰岩(夹煤层及页岩)和三叠系灰岩(局部夹薄层页岩)，岩溶极发育。区内地表水不发育，地下水极发育，以岩溶水为主，多储存于岩溶管道内，地下水主要靠大气降雨补给，通过地表岩溶洼地和落水洞进入到岩溶含水层中，通过溶蚀裂隙和管道径流，最终以岩溶泉(暗河)形式排泄。

为了准确评价涌水量的大小，勘察设计单位针对齐岳山隧道进行了岩溶水文地质专题研究，综合运用工程类比法、渗透流速法和降雨入渗系数法对隧道洞身分段涌水量进行了预测[7]。

2.1 工程类比法

根据新建隧道所在地区相同水文地质条件既有隧道或坑道的涌水量，估算出新建隧道涌水量即为工程类比法，本次估算以位于齐岳山东麓南部与本隧道水文地质条件相似的石洞子煤矿相同段落的矿坑涌水量为依据，计算方法见式(1)。

Q=q0ω0l

(1)

式中：Q为预测段涌水量；q0为石洞子煤矿对应段的单位长度涌水量；ω0为预测隧道与石洞子煤矿坑道的面积比；l为预测隧道段长度。

2.2 渗透流速法

渗透流速法是在观测出地下水的流速后，根据有效孔隙率或岩溶率换算成地下水在含水层中的平均渗流速度，再将隧道等效为一个含水层中的透水断面而计算出来的隧道掌子面的涌水量，计算方法见式(2)。

Q=unωl

(2)

式中：Q为预测段涌水量；u为地下水实际流速；n为预测隧道岩溶率；ω为隧道开挖掌子面面积；l为预测隧道段长度。

2.3 降雨入渗系数法

大气降水一部分蒸发或为植物截留，一部分产生地表径流，其余部分渗入地下，下渗的水中一部分补充包气带并产生表层流，剩余部分到达潜水面补给地下水，计算方法见式(3)。

Q=PFλη

(3)

式中：Q为预测段涌水量；P为隧道所在地区降雨量；F为流域面积；λ为降雨入渗系数；η为降雨入渗滞后补给系数。

根据齐岳山隧道的岩溶水文地质条件及地下水失踪实验结果，综合运用式(1)～式(3)对隧道洞身各段分别计算其涌水量，得到特大暴雨条件下齐岳山隧道分段涌水量、水压力预测表，见表1。

表1 齐岳山隧道分段涌水量、水压力预测表

3 施工阶段涌水量计算

该项目施工招标文件规定“本隧道工程可能遭遇到岩溶、岩溶水……等不良地质。处置这些不良地质，发生与洞内开挖、洞内防排水、衬砌相关的工程，除本合同另有规定外，超出设计工程量或出现新的工程时，按本合同约定的设计变更规则办理设计变更审批手续，对承包人计量支付”。施工期间承包人实际签认抽排水量为8 309 430 m3，需要对设计涌水量进行准确计算才能进行工程计量。

3.1 确定反坡排水段落

根据齐岳山隧道进口段开挖台账，左洞贯通桩号为ZK21+307，右洞贯通桩号为YK21+075(对应左洞桩号为ZK21+048)。因为隧道右洞贯通后可作为左、右洞施工期临时排水通道，再扣除隧道明洞明挖段落，确定需计算反坡排水涌水量的段落为ZK19+015-ZK21+048和YK19+036-YK21+075，齐岳山隧道反坡排水段落示意见图1。

图1 齐岳山隧道反坡排水段落示意图

3.2 确定反坡排水时间

根据齐岳山隧道进口段开挖台账，左洞暗洞开挖时间为2013年4月21日，贯通时间为2015年7月4日；右洞暗洞开挖时间为2013年4月10日，贯通时间为2015年5月8日。右洞贯通时间早于左洞，考虑隧道右洞贯通后可作为左、右洞施工期间临时排水通道，因此确定需计算反坡排水涌水量的时间段为2013年4月21日-2015年5月8日(左洞)和2013年4月10日-2015年5月8日(右洞)。

3.3 分段计算涌水量

勘察设计阶段给出的隧道洞身各段预测整体涌水量是在隧道区段整体瞬间挖除这个假定条件下得出的，而实际上隧道开挖是一个循序渐进的过程。因此，施工期间隧道涌水量和每循环开挖长度、支护的时间相关。

设计涌水量可由式(4)计算得出

Q设计=q0f(Δt,l)

(4)

式中：Q设计为区段设计涌水量；q0为单位长度正常涌水量；Δt为涌水持续时间；l为开挖进尺长度。

以隧道右洞第3段YK19+340-YK19+920为例，预测单位长度正常涌水量q0=5.35 m3/(d·m)，区段长度l=580 m，设区段内共n个开挖作业循环，第i个循环开挖时间为ti1，进尺长度为li，二砌施工时间为ti2，假定区段内地下水均匀分布且二砌施工后不再涌水，则可得出

第i个循环涌水持续时间

Δti=ti2-ti1

(5)

第i个循环对应设计涌水量为

Q设计i=q0Δtili

(6)

则第3段施工期间总设计涌水量为

(7)

式中：Q设计为区段设计涌水量；Q设计i为区段内第第i个循环对应区段设计涌水量；q0为单位长度正常涌水量；Δti为第i个循环涌水持续时间；li为第i个循环开挖进尺长度。

齐岳山隧道右洞第三段共分为129个开挖作业循环，即n=129，通过式(4)～式(7)计算得到本区段施工阶段设计涌水量为Q设计=209 017 m3，运用同样的方法可得到其它区段施工阶段设计涌水量。

4 施工后期出水量计算

计算施工阶段涌水量时，假定在二砌施工后围岩不再涌水，实际上二衬施工后仍有少量地下水通过隧道排水系统流出。因此，需要对施工后期(二衬施工后)反坡段落出水量进行计算。

4.1 确定单位长度出水量

由于隧道的贯通改变了地下水的赋存、分布和运移规律，故需要对隧道贯通后洞内单位长度出水量进行重新测量，本次测量采用薄壁三角堰法[8]，测量用薄壁三角堰见图2。

图2 测量用薄壁三角堰

薄壁三角堰法具有测量精度较高、简便易行、原理简单的特点，在薄壁板上设置三角形缺口，角顶向下，顶角90°，将堰板置于隧道两侧排水沟内，使水流由缺口通过时具有锐缘堰流的性质，在过水堰板处设水尺，根据水尺读数即可按相应的水位流量表得到水沟流量，施工后期洞内水沟流量表见表2。

表2 施工后期洞内水沟流量表

根据表2数据，即可得到齐岳山隧道左、右洞施工后期单位长度出水量分别为0.17 m3/(d·m)和0.10 m3/(d·m)。

4.2 分段计算工后出水量

同样以隧道右洞第3段YK19+340-YK19+920为例，实测单位长度出水量q0=0.10 m3/(d·m)，区段长度l=580 m，仍按n个开挖作业循环进行计算，第i个循环二衬施工时间为t1，隧道贯通时间为t2，通过式(4)～式(7)计算得到本段施工后期出水量为Q工后=24 595 m3，运用同样的方法可得到其他区段施工后期出水量。

5 结语

以利万高速齐岳山隧道为例，建设过程分勘察设计、工程施工、施工后期3个阶段，对岩溶区反坡隧道涌水量预测和计算方法进行了研究，成果通过业主单位项目交工验收和审计单位最终项目审计，得到各单位认可，其经验可总结如下。

1) 鉴于涌水量预测结果直接指导设计和施工，且不同的涌水量预测方法具有不同的适用条件，建议岩溶区反坡隧道涌水量分段采用多种方法进行预测，互相验证以提高预测精度。

2) 施工阶段反坡施工隧道设计涌水量的确定宜以前期预测正常涌水量为依据，综合考虑涌水段长度和开挖、衬砌时间进行计算。

3) 施工后期反坡施工隧道出水量的确定宜以实测流量为依据，综合考虑出水段长度和衬砌、贯通时间进行确定。

4) 签认抽排水量扣除施工阶段反坡隧道设计涌水量和施工后期隧道出水量后，可作为工程计量的准确依据。