水底隧道涌水量预测方法的应用分析

水底隧道涌水量预测方法的应用分析姬永红1,2,项彦勇1(11北京交通大学土木建筑学院,北京　100044;21上海市政工程设计研究院科研所,上海　200092)摘要:讨论了水底隧道涌水的预测计算问题,利用经验法和有限元法对某拟建海底隧道工程方案的涌水量进行了预测计算和对比分析,探讨了竖向和水平走向裂隙发育情况对隧道涌水的影响。

结果表明:①与有限元相比,用经验公式计算得到的水底隧道涌水量偏小;②当水底岩层张性裂隙(尤其是竖向裂隙)较发育时,隧道涌水量增长较大;③当隧道临近或穿越断层破碎带时,隧道周边的渗流场具有显著的三维特征;④如果水底隧道上覆地层中没有显著的隔水层,则由于水源无限充足,隧道的涌水量将主要受到水位相对高度和隧道围岩渗透系数的影响,与隧道上覆地层的厚度关系不大。

关键词:水底隧道;隧道涌水量;预测方法中图分类号:P64116;P64215 文献标识码:A 文章编号:100023665(2005)0420084204收稿日期:2004207201;修订日期:2004209221作者简介:姬永红(19782),男,硕士,工程师,从事市政工程设计与科研工作。

E 2mail :ji —yh.yks @1　引言隧道工程通常都存在着程度不等的涌水或渗漏水。

国内外许多隧道都发生过涌水灾害,如法国仙尼斯峰隧道、日本青函隧道、前苏联北穆隧道、我国大瑶山隧道和军都山隧道等。

在成昆铁路的415座隧道中,施工期间有9315%的隧道发生不同程度的涌水或突水灾害,其中涌水量超过10000m 3Πd 的有8座,而严重涌水者13座[1]。

隧道涌水的存在,特别是在施工掘进期间,不仅填塞坑道、淹埋设备,给隧道施工带来了巨大的困难,严重者还会造成人员伤亡。

随着隧道设计水平、施工技术及机械的更新提高,隧道涌水量的预测问题就变得日益突出和迫切需要解决。

据统计,在我国10多座有名隧道中,预测的可能最大涌水量,接近实际情况的仅占10%左右;预测的经常涌水量,接近实际情况的仅占20%～30%[2]。

水底隧道的涌水预测与陆地隧道的相比有以下特点:(1)通过深水进行水底地质勘测比在地面的地质勘测更困难、造价更高,而且准确性相对较低,所以遇到未预测到的不良地质情况风险更大,对水底隧道涌水预测的精确度更难保证;(2)很高的渗水压力可能导致水通过高渗透性地层或与开阔水面有渠道相连的地层大量流入,如遇断层破碎带等不良地质地段的渗漏水,隧道就会承受巨大的水压力,以至与其上部覆盖的水源连通而淹没隧道。

本文探讨了水底隧道涌水的时间特征和有关估算方法,并通过对某拟建海底隧道工程方案的涌水量预测计算进行了对比分析。

2　隧道涌水的特征和计算方法隧道作为地下狭长建筑物,修建过程中将不可避免地穿越不同的水文地质和工程地质环境。

当隧道通过岩土体的含水区段时,由于施工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。

隧道涌水的基本形态是初期涌水-递减涌水-经常涌水(图1)。

隧道开挖后,随着与地层接触面的不断扩大,涌水量也相应地增加,以后由于泥沙夹层的冲图1　隧道涌水变化时程曲线图Fig.1　Tunnel w ater influx vs time刷使渗透性能增加,涌水量达到最大值,称为初期最大涌水量;接下来涌水量逐渐减少,这个期间称为递减涌水;后来慢慢收敛到某一平衡状态成为经常涌水。

然而水底隧道位于半无限含水层中,地下水直接接受广阔水域的定水头入渗补给,补给非常充足,隧道涌水一般不会引起上覆潜水水位的下降,涌水曲线达到最初最大涌水量后却保持水平线;即施工前期的最大涌水量与施工中的经常涌水量基本一致。

隧道涌水计算一般涉及三维渗流问题的求解,但如果隧道周边地层中沿隧道纵轴方向的渗流不显著时,可以简化为横向二维模型,计算单位长度隧道涌水量。

一般的隧道涌水量计算方法,是在把含水岩土体的渗流特性处理为等效连续介质的前提下,运用多孔介质渗流理论并结合工程实践得到的[3]。

其概念模型基本上可以用图2来表示。

按照这种模型,隧道所揭穿的是一个无补给的无界潜水含水层,水量主要来自重力排水;涌水发生后,潜水面经过一段时间下降,不久隧道正上方地层就会被疏干;此后,降落漏斗向两侧扩展,影响半径越来越大,涌水量逐渐变小。

这种计算模型对于渗透系数较大、水力响应敏感的含水层中的一般隧道是合适的,但对于渗透性较差、水力响应迟钝的水底隧道的涌水问题,其预测精度可能是偏低的。

数值计算和经验公式均被用于隧道涌水量的估算[4,5]。

用经验公式法进行预测计算,尤其是采用基于地下水动力学理论并结合实际工程总结而得出的方法和公式,在其适用范围内,既简便好用又能达到一定的预测精度,可满足隧道工程勘测、初步设计和施工的要求。

然而由于隧道所处地质环境千差万别,经验方法预测涌水量比较粗糙,并且有许多限制条件。

下面分别为计算初期最大涌水量q(m3Πd・m)的大岛洋志公式和经验公式[2]:q0=2πK M(H-r0)ln[4(H-r0)Πd](1)q0=010255+119224KH(2)式中:M———转换系数,一般取0186;K———等效渗透系数;其余符号见图2。

数值法可以很方便地处理理论公式法难以解决的困难,适用性强。

只要地质模型正确,数值法对任何复杂的地下水流问题都能给出足够精确的解。

数值模拟方法是建立在研究区水文地质概念模型的基础上,能够比较充分地反映出隧道围岩含水介质的水动力学特性和特定的边界条件,与经验公式法同时使用,互相验证,能够更加深入和全面地分析隧道的涌水问题。

用有限单元法计算隧道涌水量的过程是:把问题涉及的渗流区域划分为有限个互相连接的单元,根据质量守图2　陆地潜水地层中隧道涌水疏干模式Fig.2　Model of w ater influx for inland tunnelsin an unconfined aquiferH———隧道底部至静止水位的距离;H-r0———隧道等价圆中心至静止水位的距离;r0———隧道的特征半径恒方程建立以水头为因变量的线性代数方程组;引入初值和边界条件,求解方程组得到水头的时空分布;利用达西方程计算渗流场及其随时间的演变;最后根据隧道的位置、形状和尺寸计算可得到单位时间内单位长度隧道的涌水量。

根据隧道涌水量的典型历时曲线(图1),预测计算涌水量应该包括初期最大涌水量、递减涌水量和经常涌水量。

对于水底隧道,其涌水量也受到临近地层渗透系数的制约,但由于所处场地与陆地隧道的区别,其覆盖岩土层上面是广阔的水域,补给水源是相对无限充足的,可以按稳态渗流情况考虑,如图3所示,其计算区域的大小应该视隧道涌水影响半径而确定。

需要指出,水底隧道初期涌水的主要来源也是围岩的孔隙弹性释水,并不是隧道覆盖地层以上的水;这点与陆地隧道相同。

图3　水底隧道涌水计算模式Fig.3　Model of influx calculation for underw ater tunnels3　实例计算与分析某拟建海底隧道,海域段长约412km。

海域地层无明显含水层与隔水层,总体富水性与渗透性均较弱。

海域地下水按赋存形式可以分为松散地层孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水和基岩裂隙水三种,受海水的垂直补给。

隧道场区的工程地质条件比较简单,基岩为花岗岩,岩石坚硬、完整,无大断层通过,断裂构造不发育,表层分布第四系松散层,下伏地层依次是全、强风化和弱、微风化的花岗岩层,孔隙率分别为1189和211,隧道穿越的地层主要为弱风化和微风化花岗岩。

全、强风化带的均匀性较好,渗透系数的变化区间为01028～01095mΠd;弱、微风化岩层的渗透系数受裂隙开度和连通性的显著影响,变化范围较大,约在01002～0113mΠd之间。

隧道涌水量的计算根据隧道轴线的纵剖面(图4)进行,设海水水位为百年一遇水位,隧道断面的等价圆直径为1310m。

所选计算断面位于里程k9+260和k9图4　隧道涌水量计算段纵剖面图Fig.4　Longitudinal profile of a potential undersea tunnelfor influx calculations+800处,其横断面如图5所示。

计算模型的断面向上计算到地表,两边各取65m,向下取40m。

地表具有恒定水头,模型左右两端和最底端没有流量进出计算区域。

取隧道外围含水岩层的平均等效渗透系数kz= k x=01061mΠd,其中下标x和z分别表示水平和垂直方向。

在用有限元法计算时,针对岩层裂隙的发育情况,分一种一般情况两种特殊情况考虑:①取平均等效渗透系数kz=k x=01061mΠd;②竖向裂隙较发育且多为张开性,即kz>k x;③水平裂隙较发育且多为张开性,即kz<k x;取裂隙发育方向的渗透系数(k z或k x)为0113mΠd。

涌水量的计算结果如表1所示。

经验公式法的计算结果小于有限单元法的结果。

在通常情况下,经验公式有一定的适用条件,如果过大地偏离公式的限制条件,就会影响计算结果的准确性。

对于陆地潜水隧道,随着时间的推移,地下水位会逐渐下降,而水底隧道却有恒定不变的压力水头。

因此,将经验公式法运用于水底隧道的涌水预测时,结果可能是偏小的。

对于本算例,经验公式法和有限单元法的计算结果相差微小;但在一般情况下,应该考虑采用其它方法,以便相互对比验证。

另外,如果隧道上覆地层中没有隔水图5　计算横断面(单位:m)Fig.5　Cross sections employed in the calculation(m)层,则由于水源无限充足,隧道涌水量主要受到海水表1　隧道最大涌水量计算结果T able1　C alculation of m aximum tunnel w ater influxes 计算方法经验公式有限元法公式(1)公式(2)情况(a)情况(b)情况(c)垂直渗透系数mΠd010610106101061011301061水平渗透系数mΠd010610106101061010610113 k9+260涌水量m3Π(d・m)719871948129131049194 k9+800涌水量m3Π(d・m)715371357163ΠΠ水位相对高度和水底隧道围岩渗透系数的影响,而与隧道上覆地层的厚度关系不大;在此情况下,可以用单位隧道长度涌水量乘以隧道实际长度近似得到隧道的总涌水量。

隧道上覆地层的裂隙走向和发育程度影响隧道涌水量的大小,与隧道走向垂直或接近垂直且呈张开性的裂隙对隧道涌水量的影响尤其显著。

有两个现象值得特别说明:(1)在断层破碎带附近,计算得到的隧道断面涌水量会显著变化;这主要是由于隧道上覆地层中水流走向与裂隙走向和发育程度紧密相关,而如果裂隙走向与隧道走向以小角度相交,二维渗流计算就会与实际情况出现较大的偏差。