隧道涌水量的预测及其工程应用

qs = KH (0.676 − 0.06K )
(3)
式中：各符号意义同前。
(3) 递减涌水量 qt 施工初期隧道最大涌水量 q0 随着时间 t 的延长 而逐渐减少，自 q0 至比较稳定的经常涌水量 qs，称 为递减涌水量 qt，其计算采用佐藤邦明公式：
Leabharlann Baidu
2
qt
= q0
−ε
Kt λB
r0 q0
Kr0
(4)
摘要 铁路、公路隧道穿越复杂富水地层时，宜采用动态设计与信息化施工的方法，其中，最为重要的问题是涌
水量的计算。涌水量的计算可采用正演和反演的方法，不能混为一谈。结合工程实例分别采用正演和反演方法计
算了隧道涌水量，得到本质上不同的结果。计算结果表明，在施工前的预设计阶段，应采用正演的方法，采用经
验类比、解析以及数值方法计算可能出现的涌水量；在隧道开始施工的动态设计阶段，则应根据采集的数据，采
18 000
16 000
14 000
施工，而实际最大涌水量接近 17 000 m3/d。所以， 应相应修改施工进度及施工方法，以确保隧道施工 的安全。隧道开始施工后，针对各大出水点及边沟 进行了流量(渗水量)观测，观测结果见图 1。采用时 间序列分析拟合与外推的反演涌水量见图 2。预设 计阶段，按铁路规范经验公式计算的经常涌水量为 4 406.53 m3/d，而按实际经常涌水量外推的反演 涌水量为 5 000.00～6 262.15 m3/d。因此，按动态 设计的基本思想，应相应变更隧道建筑的排水设施、 衬砌形式以及注浆加固围岩的设计，以确保隧道运 营期间的安全。
在高水位富水区深埋长大隧道的设计、施工中， 宜采用动态设计与信息化施工的方法。其基本思想 是：在施工前，根据隧道勘测资料，对深埋而不可 见的岩体，根据有限的钻孔资料和地质情况推断、 预测涌(突)水点、段，计算可能的涌水量以及排水 后围岩渗流场的分布，初步给出外水压力作用系数， 计算衬砌外水压力，进而对堵水预注浆方案、排水 设施、抗水压衬砌形式作出初步设计，经修改后形 成预设计方案，用于指导隧道的总体施工。在隧道 开始掘进后，在施工中针对围岩的岩性、结构、构 造、变形与稳定等监测项目大量采集信息，根据采 集信息对隧道掘进前方的地质情况作出预测，用于 指导隧道下一步的施工；同时，将信息反馈到动态 设计组，设计人员根据隧道施工中采集的信息，动 态地变更和调整设计方案，再反馈到隧道的设计中。 以上过程，用于指导隧道施工，则称之为信息化施 工；用于指导隧道设计，则称之为动态设计。
针对围岩尚未开挖部分，根据各种方法计算出 的、用于指导隧道设计、施工的涌水量称之为正演 涌水量。而根据隧道已经施工部分监测涌水量计算 出的、用于指导隧道已开挖部分建筑设计的涌水量 称之为反演涌水量。在隧道初步(预)设计阶段，由 于没有隧道排水量的实际观测资料，可以采用解析 法、经验解析法、数值试算流量法和工程类比法进 行计算[1～4]；而在隧道施工后(衬砌前)，可采用数据 拟合和外推方法(时间序列分析方法、灰色理论方 法、模糊数学方法、神经网络方法等)计算涌水量，
1 隧道中的水害与隧道的动态设计
铁路、公路隧道在穿越富水地层时，大多存在 着涌水、突水以及高水压问题。据中国铁路工程总 公司西南科学研究院统计，截止到 1989 年底，我国 铁路长隧道共计 63 座，洞身穿过碳酸盐岩者，有 26 座。在 26 座长隧道中，几乎不同程度地遇到了 地下水的危害，发生过较大岩溶涌水灾害者 10 座， 占 38.64%。而在西南、中南地区 17 座岩溶长隧道
在隧道开挖后，使用获取的全部或部分数据 (图 1)，反分析隧道的实际涌水量并对涌水量未来的 发展趋势作出预测的方法为反演方法。反演涌水量 以实际观测的数据为依据，采用时间序列分析、灰 色理论或神经网络等方法[5]对已开挖部分的涌水量 作出预测，减少了对地质体认识中的主观因素，因 而在客观性方面具有一定优势，可以作为隧道设计 中修正的数据使用。
以此分析排水后渗流场的分布，然后，根据实际情
况确定设计涌水量和设计外水压力。
2.2 预设计阶段隧道正演涌水量的计算 施工前，隧道正演涌水量的计算方法之一为经
验解析法。经验解析法是以地下水动力学理论为基
础，结合工程经验给出的隧道涌水量预测的经验公
式。以下经验解析法公式主要来源于《铁路工程水
文地质勘测规范》和《铁路供水水文地质勘测规范》，
(2) 经常涌水量 qs 铁路勘测规范中经验公式：
2 隧道涌水量的正演与反演分析
2.1 隧道的正演涌水量与反演涌水量 涌水量是高水位富水区隧道动态设计中最重要
的参数之一。对于施工而言，需要根据隧道的涌水 情况安排施工进度以及堵水措施，以保证隧道的安 全掘进；而设计则需要根据隧道涌水的情况设计排 水设施、衬砌形式以及围岩后期注浆加固的范围。
表 1 按深孔抽水试验确定渗透系数经验解析法计算 的涌水量
Table 1 Blow predicated by positive method in a long tunnel
L/m K/m3·d－1 m
初期最大
经常涌水量
涌水量/m3·d－1
/m3·d－1
H/m r0/m d/m 大岛洋 铁路规范 铁路规范
多是沿连通的裂隙网络运动，隧道掘进部位如果揭
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岩石力学与工程学报
2004 年
穿了裂隙网络的主径流通道，则地下水会沿结构面 或网络排泄出口呈带状或点状出露，正演涌水量可 能小于实际涌水量；而如果揭露部位为裂隙网络的 非连通盲端或非主径流通道(此时，岩体中的水压力 可能很大)，则地下水出露很少，甚至无水，此时， 正演涌水量可能远远大于实际涌水量。 2.3 动态设计阶段隧道反演涌水量的计算
用反演的方法，分析和预测涌水量的变化，进而对预设计方案进行修正。
关键词 隧道工程，动态设计，信息化施工，涌水量计算，正演与反演分析
分类号 U 453.6
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)07-1150-04
FORWARD AND INVERSE ANALYSES OF WATER FLOW INTO TUNNELS
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施工探洞发生高达 2 m3/s 的大突水，冲毁了施工设 施并废弃了一条施工隧洞。以上的突水涌泥事故， 造成了重大的经济损失。
在国外，日本东海道干线旧丹那隧道(长 7.84 km)，开工后曾遇 6 次大的突水，泥屑突出 7 000 m3， 水 压 高 达 1.4 ～ 4.2 MPa ， 突 水 量 最 大 达 134.4 m3/min，造成严重伤亡，贯通后总涌水量达 145 152 m3/d，致使工期达 16 a 之久。
10 20 30 40 50 60 70 时间/d
图 1 某高水位富水区隧道出口段涌水量观测成果
Fig.1 Blow observed in a deeply buried long tunnel
10 000 8 000 6 000 4 000
志公式 经验公式 经验公式
涌水量/m3·d－1 涌水量/m3·d－1
12 000
895 0.0201 0.86 363.00 3.79 7.57 6 962.73 12 576.46 4 406.53
10 000 8 000 6 000
18 000 16 000 14 000
4 000
12 000
2 000 0
中，近 50%发生过较大岩溶涌水灾害。如大瑶山隧 道班古坳竖井平导洞施工至 1994 m + 213 m 时，突 发携带大量泥砂的岩溶水，造成竖井和洞内设备被 淹没，中断施工达 1a 之久；1991 年 7 月，贵昆线 梅花山隧道，因雨季地下河水猛涨，洞内边墙有高 压射水，边墙衬砌开裂倒塌 12m，中断行车 7d；1972 年，京原线驿马岭隧道，洞内高压突水，造成停运 达 1a 之久；广渝高速公路华蓥山隧道发生涌水，涌 水量高达 686 880 m3/d；京广铁路南岭隧道也发生 过涌水，涌水量高达 81 000 m3/d，雅砻江二级电站
第 23 卷 第 7 期 2004 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(7)：1150～1153 April，2004
隧道涌水量的预测及其工程应用*
王建秀 朱合华 叶为民
(同济大学地下建筑与工程系 上海 200092)
2002 年 4 月 5 日收到初稿，2002 年 7 月 10 日收到修改稿。 * 国家自然科学基金(49872082)和上海市重点学科项目(岩土工程)资助课题。 作者 王建秀 简介：男，31 岁，博士后，主要从事隧道工程、新型支挡结构与地质灾害防治方面的研究工作。
第 23 卷 第 7 期
王建秀等. 隧道涌水量的预测及其工程应用
分别用于计算初期最大涌水量 q0、经常涌水量 qs 和 递减涌水量 qt。
(1) 初期最大涌水量 q0 ① 大岛洋志公式：
q0
=
2πK
m(H − r0 ) ln 4(H − r0 )
(1)
d
② 铁路勘测规范中经验公式：
q0 = 0.025 5 + 1.922 4KH
(2)
式中：q0 为隧道单位长度可能最大涌水量(m2/d)；K 为岩体的渗透系数(m/d)；H 为含水层中原始静水位 至隧道底板的距离(m)；r0 为隧道洞身横断面的等价 圆半径(m)；d 为隧道洞身横断面的等价圆直径(m)； m 为转换系数，一般取 0.86。
式中： ε 为试验系数，一般取 12.8；t 为 t0～ts 间的
任意递减时间(d)， ts
=
0.584λBq0
2
；λ为含水裂隙岩
K r0
体裂隙率；B 为衬砌前隧道洞身宽度；其余符号意
义同前。
由于正演涌水量的计算中，对隧道围岩的结构
及地质情况作了较大简化，与隧道开挖后的实际情
况可能有一定出入，这是因为隧道围岩中地下水大
Wang Jianxiu，Zhu Hehua，Ye Weimin
(Deptartment of Geotechnical Engineering，Tongji University， Shanghai 200092 China)
Abstract Dynamic design and information-based construction are often adopted in deep buried tunnels in rocks abounding with in groundwater. The most important information collected in the course is the flowrate of groundwater. The flowrate from the surrounding rocks is calculated by forward and inverse methods，with practical examples. The calculation results show that the forward and inverse analyses of water flow into tunnels are essentially different from each ofter. At the pre-design stage，the flowrate can be obtained by the forward method， engineering judgement，and numerical or analytical calculations. During the dynamic design-construction stage， the flowrate can be obtained with the inverse approach based on the measured data to improve the prediction and design. Key words tunnel engineering，dynamic design，information-based construction，flowrate of groundwater， forward and inverse analysis