韓大千

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

1.1 隧道建設(shè)規(guī)模

中條山特長(zhǎng)隧道是雙洞單向高速公路隧道，長(zhǎng)9 671 m，隧道最大埋深681 m。

表1 隧道設(shè)置表

1.2 隧址區(qū)水文地質(zhì)條件

1.2.1 氣象

隧址區(qū)降雨較集中在夏、秋季。全區(qū)年平均降水量為529.5 mm，年平均降水日數(shù)81 d，多的達(dá)119 d（1964年），少的為32 d（1978年）。7、8、9三個(gè)月降雨量占全年降雨量70%。

1.2.2 水文

隧址區(qū)地表水有寺溝溪流和王窯頭溪流。隧道南坡的寺溝溪流發(fā)源于寺溝，地表調(diào)查共發(fā)現(xiàn)了3個(gè)泉水點(diǎn)，均位于寺溝村北，流量分別為0.5 L/s、0.12 L/s、0.13 L/s；隧道北坡的王窯頭溪流發(fā)源于水泉凹，地表調(diào)查共發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn)4個(gè)，水泉凹泉流量0.13 L/s，后柳坡泉流量 0.1 L/s，前柳坡泉流量0.04 L/s，譚家窯泉流量0.1 L/s。地表溝澗較大溪流主要有五龍峪溪流、大白峪口溪流、后柳坡溪流，清水流量分別為 43 L/s、12.9 L/s、11.1 L/s，具體情況見(jiàn)表2。

表2 地表水及泉水調(diào)查表

中條山北麓的洪積扇群長(zhǎng)50 km，扇體小，但坡度大，顆粒粗，富水性不均一，單位涌水量2～10 m3/h·m或 10～30 m3/h·m；淺層含水層埋深 20～40 m，為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的砂礫石層，厚度10～40 m，水位埋深0.5～15 m，深度20 m，單位涌水量10～30 m3/h·m。深層含水層為中上更新統(tǒng)砂礫石層。埋深20～140 m或250 m，厚度60 m，單位涌水量 10～30 m3/h·m或 2～10 m3/h·m。

中條山南側(cè)松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組分布于芮城、平陸地區(qū)，黃土臺(tái)地含水層為下更新統(tǒng)和第三系，溝谷切割有泉水出露，泉水流量一般在1.3～8 L/s，水位埋深10～50 m，單位涌水量0.3～2 m3/h·m，承壓水埋深150 m以下。中條山南山前的洪積扇區(qū)，含水層埋深100～250 m，為中、上更新統(tǒng)礫卵石砂，厚度6～31 m，水位從扇頂?shù)?00 m至扇的前緣溢出。單位涌水量2～10 m3/h·m，較富水地區(qū)達(dá)10～30 m3/h·m 。

項(xiàng)目區(qū)地下水按照地貌、地質(zhì)、地下水的埋藏深度、巖層內(nèi)的水量情況，可以分成3種水文地質(zhì)區(qū)域：

a）基巖裂隙水 廣泛分布于構(gòu)造剝蝕基巖山區(qū)。本區(qū)地層主要由太古界涑水雜巖、震旦系石英砂巖等變質(zhì)巖系組成，富水性較差；在基巖山體與黃土臺(tái)地及洪積扇接壤部位，地下水則側(cè)排入黃土臺(tái)地及洪積扇之中。

b）松散巖類(lèi)孔隙水 分為山前洪積扇裙孔隙水、黃土臺(tái)塬孔隙水；含水層為新生界中上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)砂礫石及亞黏土。洪積扇端水位深，扇中及前緣水位較淺，軸部富水。含水層以沖洪積相巖性為主，滲透性較差，地下水位受氣候變化影響較大，雨季地下水流量大，水位高；枯水期地下水流量小，水位低。

c）碳酸鹽類(lèi)巖溶水 主要分布于寒武系灰?guī)r及中元古界薊縣系白云巖地層中；水分補(bǔ)給主要是大氣降雨入滲、溝谷河流入滲、緊鄰基巖裂隙水入滲等；地下水埋藏較深，溝谷中的河流多表現(xiàn)為干谷，隧道基線(xiàn)位于巖溶水水位面以上，受其影響不大。

2 隧道涌水量計(jì)算分析

本次計(jì)算主要運(yùn)用了灰色系統(tǒng)法和地下水動(dòng)力法。

2.1 灰色系統(tǒng)法

灰色系統(tǒng)理論方法基本原理是首先根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度理論確定隧道涌水量的主要影響因素，以明確地表水文地質(zhì)調(diào)查的主要內(nèi)容和重點(diǎn)工作，然后根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)照由數(shù)量化判別方法計(jì)算出來(lái)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，由此判別涌水嚴(yán)重程度等級(jí)。最后，對(duì)于等級(jí)嚴(yán)重的水害隧道，根據(jù)由灰色虛擬變量多元回歸方法計(jì)算出來(lái)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)可能涌水量大小。

2.1.1 多因子關(guān)聯(lián)度分析

首先利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法分析評(píng)價(jià)各種水文地質(zhì)條件與隧道涌水災(zāi)害嚴(yán)重性的關(guān)聯(lián)程度。隧道地質(zhì)構(gòu)造的類(lèi)型及發(fā)育程度、是否采取防水措施、隧道長(zhǎng)度、縱向匯水長(zhǎng)度及隧道地表環(huán)境特征等與涌水災(zāi)害的關(guān)聯(lián)度較大[1]，各因素關(guān)聯(lián)度情況見(jiàn)表3。

表3 隧道涌水災(zāi)害影響因素灰色關(guān)聯(lián)度分析表

根據(jù)上述涌水影響因素關(guān)聯(lián)分析，建立涌水災(zāi)害嚴(yán)重程度等級(jí)的判別方程式，將結(jié)果用評(píng)分表的形式表達(dá)，具體情況見(jiàn)表4。

表4 涌水災(zāi)害嚴(yán)重程度等級(jí)評(píng)分表

隧道涌水災(zāi)害評(píng)估等級(jí)分為A、B、C、D四等：

a）A級(jí)為隧道涌水甚大或突然涌水或泥砂大量涌；

b）B級(jí)為隧道涌漏水較大或泥砂涌出；

c）C級(jí)為隧道內(nèi)有涌漏水，對(duì)圍巖穩(wěn)定性有一定影響；

d）D級(jí)為隧道內(nèi)有涌漏水甚微或無(wú)，一般不會(huì)對(duì)施工運(yùn)營(yíng)及環(huán)境造成不利影響[2]。

由水文地質(zhì)資料可以將該隧道地段分兩段進(jìn)行分析，且地下分水嶺與地表分水嶺基本一致，地下水分水嶺略偏北。分水嶺以北地下水以盆地松散巖類(lèi)孔隙水為主，其次為變質(zhì)巖類(lèi)裂隙水；以南地下水以變質(zhì)巖類(lèi)裂隙水為主，其次為松散巖類(lèi)孔隙水，碳酸鹽巖裂隙巖溶水也有一定分布。

2.1.1.1 地下分水嶺以北段

由隧道區(qū)地表水系特征知該區(qū)設(shè)有集水建筑物，且由該地區(qū)的物探報(bào)告知本地區(qū)巖溶形態(tài)不發(fā)育，所以該地區(qū)的地表環(huán)境特征應(yīng)劃分為有集水建筑物，取值為0.7。該區(qū)段主要巖性為黑云角閃片巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、變粒巖、角閃黑云斜長(zhǎng)片麻巖及話(huà)伽馬、花崗片麻巖等，所以巖石性質(zhì)為硬巖，取值0.21。該段的地質(zhì)構(gòu)造為裂隙發(fā)育、裂隙張開(kāi)，取值1.34。由于隧道還未施工，防水措施為無(wú)，取0。該區(qū)降水分布不均且少，年降水量約500～600 mm，年平均降雨量529.5 mm，而年平均蒸發(fā)量2 061.5 mm，為年平均降雨量的3.9倍，所以氣候條件屬少雨區(qū)，取值為0。由縱剖面圖測(cè)得最大埋深為650 m，取值3.8H×10-4=3.8×650×10-4=0.247。

分水嶺以北段隧道長(zhǎng)度為4.56 km，隧道長(zhǎng)度取值為：0.05L=0.05×4.56=0.228。

總得分：0.7＋0.21＋1.34＋0＋0＋0.247＋0.228=2.725,屬C級(jí)，評(píng)定為隧道內(nèi)有涌漏水，對(duì)圍巖穩(wěn)定性有一定影響。

2.1.1.2 地下分水嶺以南段

地表環(huán)境特征為溝谷匯水，取值0.7。該區(qū)段巖石性質(zhì)為硬巖，取值0.21。巖溶破碎帶，地質(zhì)構(gòu)造取值1.9。防水措施為無(wú)，取值0。氣候條件為少雨區(qū)，取 0。最大埋深 650 m，取值 0.247。隧道長(zhǎng)度5.24 km，取值 0.262。總得分：0.7＋0.21＋1.9＋0＋0＋0.247＋0.262=3.311，屬B級(jí)，即隧道涌漏水較大或泥砂涌出。

2.1.2 灰色虛擬變量多元回歸分析

根據(jù)全國(guó)多座有涌水量記錄的隧道調(diào)查資料，建立相應(yīng)的隧道涌水量灰色模型，采用灰色虛擬變量多元回歸方法，得涌水量預(yù)測(cè)評(píng)分表，再利用灰色虛擬變量多元回歸法預(yù)測(cè)其涌水量。

結(jié)合恩格斯為《政治經(jīng)濟(jì)學(xué)批判》所作的書(shū)評(píng)以及馬克思自己在《資本論》第一卷第二版跋中的說(shuō)法，“我公開(kāi)承認(rèn)我是這位大思想家的門(mén)人，而在關(guān)于價(jià)值學(xué)說(shuō)的那一章，我在這里那里用黑格爾特有的表現(xiàn)方法來(lái)顯示一番”(馬克思，1963：第二版的跋XXIII)。必須承認(rèn)：馬克思對(duì)于黑格爾辯證法的批判性改造，最直接的表現(xiàn)就是“政治經(jīng)濟(jì)學(xué)批判”的第一章“商品”。然而，從《政治經(jīng)濟(jì)學(xué)批判》的“商品”章到《資本論》的“商品”章，雖然在主題與內(nèi)容上存在連續(xù)性，都是敘述從商品向貨幣再到資本的辯證過(guò)渡這一最為抽象的內(nèi)容，但是二者之間卻存在細(xì)微的本質(zhì)的差別。

2.1.2.1 地下分水嶺以北段

基本涌水量為2 900；無(wú)溝谷匯水，所以地表環(huán)境特征不取值。隧道類(lèi)型中也沒(méi)有符合的條件，也不取值。該段雖然有大理巖及花崗巖等硬巖，但也有片麻巖等工程軟巖，所以巖石性質(zhì)屬于軟硬互層，取值為0。裂隙發(fā)育取值500。防水措施為無(wú)防護(hù)，取值0。隧道最大埋深為650 m，在400～700 m之間，取值45。因此，該段隧道的預(yù)測(cè)涌水量為3 445 m3/d。

2.1.2.2 地下分水嶺以南段

基本用水量2 900；地表環(huán)境特征劃為旱地，取值為0；巖石性質(zhì)為軟硬互層，取值為0；本段巖溶裂隙發(fā)育，取值3 060；無(wú)防護(hù)，取值為0；隧道最大埋深650，取值45；因此，該區(qū)段的預(yù)測(cè)涌水量為6 005 m3/d。

2.2 地下水動(dòng)力學(xué)法

2.2.1 地下水動(dòng)力學(xué)公式

地下水動(dòng)力學(xué)的公式為：Q=BK(2S-M)M/R，式中：Q為隧道涌水量，m3/d；B為隧道長(zhǎng)度，m；M為含水層厚度，m；S為靜止水位至設(shè)計(jì)路面高差，m；R為影響半徑，m；K為含水巖層平均滲透系數(shù)，m/d[3]。

2.2.2 含水巖層平均滲透系數(shù)K的取值

由水文地質(zhì)條件分析可以將鉆孔看為無(wú)限補(bǔ)給邊界的潛水完整井，滲透系數(shù)計(jì)算及抽水影響半徑計(jì)算可用經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Q為流量，此時(shí)取5.76 m3/d；R為影響半徑，單位為m；r為鉆孔的半徑，單位m，取值0.5 m；S為降深，取值29.9 m；H為井在含水層的長(zhǎng)度，應(yīng)為井深和靜水位之差。

本次抽水共布設(shè) K8+000、K8+995、K11+750、K12+828四個(gè)孔位進(jìn)行試驗(yàn)，分水嶺南、北各部設(shè)2個(gè)孔位。

代入公式計(jì)算得：滲透系數(shù)K=0.008 m/d。

按照這種計(jì)算方法，算得 K8+000、K8+995、K11+750處的滲透系數(shù)K分別為0.002 38、0.000 2、0.003 55。

2.2.3 分段涌水量的計(jì)算

根據(jù)隧洞巖性及水文地質(zhì)條件，劃分為4段進(jìn)行計(jì)算，各分段涌水量計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 隧道分段涌水量計(jì)算表

由表5可知，該隧道總涌水量為5 061.34 m3/d。

2.3 隧道涌水量的評(píng)價(jià)

隧道涌水量的預(yù)測(cè)計(jì)算采用灰色系統(tǒng)法、地下水動(dòng)力學(xué)法兩種計(jì)算?；疑到y(tǒng)法以地表水文地質(zhì)調(diào)查的主要內(nèi)容和重點(diǎn)工作，然后根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)照由數(shù)量化判別方法計(jì)算出來(lái)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)由灰色虛擬變量多元回歸方法計(jì)算出來(lái)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)可能涌水量大小，有較高可信度；地下水動(dòng)力學(xué)方法采用計(jì)算參數(shù)R、K、S、M，采用鉆孔提水試驗(yàn)資料并結(jié)合鄰區(qū)同等水文地質(zhì)條件下比擬而得，理論上精度更高。

考慮到提水試驗(yàn)是利用工程勘察孔進(jìn)行，因此涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果存在以下幾個(gè)方面的誤差因素：a）鉆孔直徑較?。籦）施工過(guò)程中有巖粉堵塞孔壁，洗孔不徹底，影響試驗(yàn)時(shí)地下水進(jìn)入抽水孔；c）施工時(shí)由于供水困難，有的孔在漏水嚴(yán)重的巖段采用了水泥漿封孔，在提水時(shí)該段地下水進(jìn)不到孔內(nèi)。

根據(jù)兩種方法計(jì)算結(jié)果，綜合考慮以上因素，隧道涌水量建議采用值為：分水嶺以北段為3 445 m3/d，分水嶺以南隧道涌水量為6 005 m3/d。

3 隧道涌水對(duì)策措施

總體來(lái)看，隧址區(qū)分水嶺以北主要以基巖裂隙水為主，組成山體的古老變質(zhì)巖富水性較差；分水嶺以南以寒武系中下統(tǒng)白云巖等裂隙巖溶地下水為主。北部主要表現(xiàn)為施工隧道洞頂?shù)牧茴^水；同時(shí)由于裂隙水在裂隙中運(yùn)移的深度較大，促使基巖風(fēng)化帶較厚，影響隧道圍巖類(lèi)別。南段以裂隙巖溶水為主，匯水主要來(lái)自大氣降雨補(bǔ)給，該段地下水富水程度相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)隧道的施工影響較大。

3.1 隧道分段涌水量變化規(guī)律

a）隧道上伏地層厚度大則地下水水量大，反之小。

b）斷層破碎帶水量大，完整地段較小。

c）基巖裸露地段水量大，覆蓋型地段水量小。d）雨季水量大，旱季水量小。

e）脆性巖石水量較大，柔性巖石水量相對(duì)較小。

3.2 根據(jù)涌水情況，有針對(duì)性地提出的對(duì)策措施

a）做好隧道洞內(nèi)施工排水工作，及時(shí)封閉巖面，最大程度地減少滲水量。

b）順坡施工時(shí)以自然排水為主，沿隧道縱向設(shè)置排水溝，不讓水漫流。

c）反坡施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)最大可能涌水量及最大突然涌水量，配備排水機(jī)械，設(shè)置機(jī)械排水管路，可分級(jí)提升排出洞外。

d）根據(jù)多座特長(zhǎng)隧道及大型水電地下廠房施工涌水情況的抽水設(shè)備配備情況，結(jié)合本項(xiàng)目隧道工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察資料，初步確定如下施工期間的排水方案：多套三級(jí)揚(yáng)程或多級(jí)揚(yáng)程的大功率排水機(jī)械（含應(yīng)急、備用排水機(jī)械），單洞反坡施工總抽水能力不低于每小時(shí)500～1 000 m3，排水管單根輸水管線(xiàn)按照單洞3 000 m長(zhǎng)度配置，同時(shí)配置必要的安全泵、備用泵（根據(jù)涌水、突泥情況，可配置必要的大功率泥漿泵，以滿(mǎn)足斷層帶涌水情況含大量泥漿的需要），設(shè)置雙路供電措施，以防斷電情況下影響施工排水安全。

e）在斷層破碎帶及可能存在大型隱伏含水體地段，要求設(shè)置超前地質(zhì)鉆孔（1～3孔）超前探水、并采用綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)判斷涌水的可能性，測(cè)定水壓、流速等具體參數(shù)，根據(jù)具體測(cè)定、判斷的含水情況，采取必要的環(huán)向注漿止水、帷幕注漿止水措施堵水，及時(shí)調(diào)配抽水設(shè)備，確保施工涌水能夠及時(shí)排除。

f）制定涌水段施工應(yīng)急預(yù)案，掌握施工主動(dòng)權(quán)，根據(jù)確定較合適的方法進(jìn)行施工，避免安全事故發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

公路隧道的建設(shè)經(jīng)常會(huì)遇到不同程度的涌水，探明情況，有的放矢，做好施工預(yù)案，方能保證安全。以上是筆者在負(fù)責(zé)中條山隧道勘察設(shè)計(jì)中的一些淺見(jiàn)，不當(dāng)之處，請(qǐng)各位前輩及同仁批評(píng)指正。