蔣 亮,劉遠明,楊家曌,堯 林
(1.貴州高速公路集團有限公司 貴陽市 550001; 2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院 貴陽市 550025;3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽市 550081)
桐梓隧道是蘭州至??趪腋咚俟分貞c至遵義段(貴州境)擴容工程控制性工程,為分離式雙向六車道大跨度隧道,左幅起止樁號為 ZK34+508~ZK45+005,長10497 m,進出口底板標(biāo)高分別為895.87m、1079.35m,最大埋深649m;右幅起止樁號為 YK34+530~YK45+015,長10485m,最大埋深約639.07m,進出口底板標(biāo)高分別為896.30m、1079.25m;隧道縱坡為2%。桐梓隧道長度大于10000m,是貴州省境內(nèi)第一條超長高速公路隧道。
若處治不當(dāng), 隧道易發(fā)生涌水、突水以及突泥災(zāi)害,不僅導(dǎo)致工程重大損失、工期延誤, 甚至造成人員傷亡。文獻[1-10]詳細分析了隧道涌水量預(yù)測方法特點,提出了合理隧道涌水量預(yù)測的建議。桐梓隧道施工分為兩個標(biāo)段,出口施工標(biāo)段面臨長距離反坡排水問題。正確地預(yù)測隧道涌水量有助于合理預(yù)防隧道涌突水災(zāi)害和節(jié)省工程費用。
經(jīng)現(xiàn)場實際調(diào)查、地質(zhì)資料收集和詳細分析,并在現(xiàn)場進行深孔壓水試驗獲取滲透系數(shù)。按照文獻[1]要求,結(jié)合文獻[11]提出的不同預(yù)測方法,分別采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式對桐梓隧道涌水量進行了預(yù)測。預(yù)測的隧道涌水量可作為桐梓隧道設(shè)計和施工的依據(jù),也可為同類工程提供參考。
桐梓隧道穿越的褶皺構(gòu)造有東山背斜、高橋向斜、茅壩向斜,穿過的斷裂主要為開肩堡斷層、令狐家埡口斷層、出水孔斷層和夜貓洞斷層。測區(qū)地處松坎河、桐梓河和清溪河的上游,分別屬長江流域綦江水系、赤水河水系與烏江水系。松坎河、桐梓河和清溪河差異較大,但均為山區(qū)雨源型河流,主要由降水補給徑流,局部地下水有一定調(diào)節(jié)作用。場區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫 14.7℃,極端最高 36.6℃,極端最低-6.9℃;多年平均降水量1037.3mm,年最大降雨量 1374mm,最大日降雨量173.3mm。隧址區(qū)地表無常年地表徑流。因山體高程落差大,地形坡度較陡,地表水分散排泄速度快,僅在雨季因降水及泉點水出露排泄于沖溝內(nèi)集中徑流,形成短淺溪流。以地表分水嶺為界,重慶端地表徑流流入松坎河,遵義端流入桐梓河。
隧址區(qū)地層眾多,巖性多樣,組合復(fù)雜。上覆第四系土層分布零星,厚度不大。出露的基巖有:三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r、夜郎組灰?guī)r(T1y )泥巖夾泥灰?guī)r,二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)灰?guī)r、龍?zhí)督M(P3l)煤系地層,二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)灰?guī)r、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖,志留系中統(tǒng)韓家店組(S1h)泥巖、石牛欄組(S1sh)泥質(zhì)泥巖、下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)泥質(zhì)灰?guī)r與泥巖互層,奧陶系中上統(tǒng)五峰組(O3w)、澗草溝組(O3j)、寶塔組(O2b)灰?guī)r,奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r。隧道穿越的碳酸鹽巖地層有二疊系中統(tǒng)棲霞組-茅口組(P2q-m)灰?guī)r,二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)灰?guī)r,三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)灰?guī)r,三疊系下統(tǒng)茅草鋪組段(T1m)灰?guī)r。巖溶發(fā)育形態(tài)主要為巖溶洼地、落水洞、溶洞、溶隙及暗河管道,受巖性和構(gòu)造限制,多呈帶狀和塊狀出現(xiàn)。
區(qū)內(nèi)出露地層多樣,根據(jù)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征,將區(qū)內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水,以碳酸鹽巖巖溶水為主。
地表分水嶺與地下分水嶺總體一致,依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用, 將區(qū)內(nèi)分為三個水文地質(zhì)區(qū):松坎河流域水文地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)、桐梓河流域水文地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)、清溪河流域水文地質(zhì)區(qū)(Ⅲ),再按構(gòu)造單元、地貌形態(tài)類型,劃分為 7 個亞區(qū),亞區(qū)邊界是以隔水巖層和阻水?dāng)鄬訛榻?,見圖1。
結(jié)合桐梓隧道區(qū)水文地質(zhì)情況,選擇有代表性鉆孔 ZK5(YK35+782左8m)、ZK6( ZK37+990右10m)、ZK7 (ZK42+395左8m)進行壓水試驗,以獲取各巖性段滲透系數(shù)。
參照文獻[12]進行壓水試驗,采用三級壓力五個壓水段進行,即按 P1—P2—P3—P4(=P2)—P5(=P1)進行,P1、P2、P3 壓力級分別為 0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa。安裝好實驗設(shè)備后,每隔 5min 進行一次觀測,當(dāng)相鄰讀數(shù)之差小于最終讀數(shù) 10%時結(jié)束本次觀測。采用文獻[12]附錄D式D.1計算巖石的滲透系數(shù),試驗壓力按照 1m=9.8kPa 進行折算。
根據(jù)桐梓隧道圍巖情況,將桐梓隧道劃分為40段分別計算滲透系數(shù),其中YK44+055~YK44+290段滲透系數(shù)最小為0.012,YK42+315~YK42+395段滲透系數(shù)最大為0.435。
隧道各段涌水量采用降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式進行預(yù)測,并對各方法預(yù)測結(jié)果進行對比分析。
Q=2.74α·W·A
(1)
式中:Q—隧道通過含水巖體地段的涌水量(m3/d);
α—降水入滲系數(shù);
W—降雨量;
A—隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。
通過現(xiàn)場水文試驗并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗值選取降水入滲系數(shù),降雨量選桐梓隧道區(qū)內(nèi)日最大降水量173.3mm。隧道各段涌水量采用大氣降水入滲法,計算結(jié)果見表1。將各段降雨量累加得隧道最大涌水量為202093m3/d。
表1 大氣降水入滲法計算隧道涌水量
Q=86.4×M×A
(2)
式中:Q—隧道通過含水巖體地段的涌水量(m3/d);
M—地下徑流模數(shù)(l3/(s·km2));
A—隧道通過含水體的地下集水面積(km2)。
根據(jù)《桐梓幅1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告》及相關(guān)經(jīng)驗選取隧道區(qū)域最大徑流模數(shù)。根據(jù)隧道地下水匯水范圍,在1∶1萬地形地質(zhì)圖上量測匯水面積。桐梓隧道各段涌水量采用地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果見表2。桐梓隧道最大涌水量為189119m3/d。
表2 地下徑流模數(shù)計算隧道涌水量
(3)
式中:Q—隧道通過含水體底端的最大涌水量(m3/d);
K—含水體滲透系數(shù)(m/d);
H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m);
D—洞身橫斷面等價圓直徑(m);
L—隧道通過含水體的長度(m)。
根據(jù)圍巖情況,將桐梓隧道劃分為40段,洞身橫斷面等價圓直徑取為22m。各段含水體滲透系數(shù)根據(jù)水文地質(zhì)試驗所得數(shù)據(jù)及相關(guān)經(jīng)驗綜合取值,靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離根據(jù)各鉆孔的穩(wěn)定水位及水流坡度綜合確定。
按古德曼經(jīng)驗式法預(yù)測隧道正常涌水量排前5的隧道計算結(jié)果見表3。
表3 古德曼經(jīng)驗式法預(yù)測隧道涌水量
將桐梓隧道40個段預(yù)測涌水量相加可得到總涌水量。通過各段預(yù)測涌水量累加,按古德曼經(jīng)驗式法預(yù)測隧道涌水量為192467m3/d。
(1)按鐵路經(jīng)驗公式I預(yù)測正常涌水量見式(4)
Q0=KH(0.676-0.06K)·L
(4)
式中:Q0—正常涌水量(m3/d);
K—含水體滲透系數(shù)(m/d);
H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m);
L—隧道通過含水體的長度(m)。
(2)按鐵路經(jīng)驗公式II預(yù)測最大涌水量見式(5)
Q=(0.0255+1.9224KH)·L
(5)
式中:Q—最大涌水量(m3/d);
K—含水體滲透系數(shù)(m/d);
H—靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)。
同樣地,將桐梓隧道劃分為40段,各段含水體滲透系數(shù)、靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離的取值與古德曼經(jīng)驗式法相同。
按鐵路經(jīng)驗式法I預(yù)測隧道正常涌水量排前5的計算結(jié)果及按鐵路經(jīng)驗式法II預(yù)測隧道最大涌水量排前5的計算結(jié)果見表3。
表4 鐵路經(jīng)驗式法預(yù)測隧道涌水量
將桐梓隧道40段預(yù)測涌水量相加可得到總涌水量。通過各段預(yù)測涌水量累加,按鐵路經(jīng)驗公式I預(yù)測隧道正常涌水量為82256m3/d,按鐵路經(jīng)驗公式II預(yù)測隧道最大涌水量為238955m3/d。
將大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式預(yù)測隧道最大涌水量列入表5。
表5 隧道涌水量表(單位: m3/d)
由表5可見:
(1)鐵路經(jīng)驗公式法預(yù)測的隧道最大涌水量值最大,降水入滲法次之,古德曼經(jīng)驗式法再次之,地下徑流模數(shù)法預(yù)測的隧道涌水量值最小。預(yù)測的隧道最大涌水量值介于189119~238955m3/d。
(2)地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、大氣降水入滲法等預(yù)測隧道最大涌水量較為接近。
(3)桐梓隧道涌水量很大,在設(shè)計和施工中應(yīng)引起重視。特別是YK39+480~YK39+970段、YK41+425~YK41+545段涌水量、YK42+395~YK43+180段局部涌水量大,施工中應(yīng)做好超前預(yù)報工作,采取合理措施,防止涌突水災(zāi)害。
通過分析桐梓隧道區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,并按水文地質(zhì)條件進行區(qū)段劃分,選擇降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、古德曼經(jīng)驗式法、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式等方法進行計算,并相互核對,確定桐梓隧道涌水量。
(1)依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用,將桐梓隧道區(qū)分為三個水文地質(zhì)區(qū),再按構(gòu)造單元、地貌形態(tài)類型,劃分為 7 個亞區(qū),亞區(qū)邊界是以隔水巖層和阻水?dāng)鄬訛榻纭?/p>
(2)選取桐梓隧道區(qū)內(nèi)日最大降水量(173.3mm),按照隧道圍巖特性先計算隧道各段涌水,然后匯總得整個隧道涌水量。
(3)鐵路經(jīng)驗公式法預(yù)測的隧道最大涌水量為238955m3/d,是4種方法預(yù)測隧道最大涌水量中最大的;地下徑流模數(shù)法預(yù)測的隧道最大涌水量為189119m3/d,是4種方法預(yù)測隧道最大涌水量中最小值。
(4)對于YK39+480~YK39+970段、YK41+425~YK41+545段涌水量、YK42+395~YK43+180段局部涌水量大,施工中應(yīng)做好超前預(yù)報工作,采取合理措施,防止涌突水災(zāi)害。