第24卷 增2
岩石力学与工程学报 Vol.24 Supp.2
2005年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov .，2005
收稿日期：2005–07–28；修回日期：2005–09–16
作者简介：徐国锋(1973–)，男，现为工程师，主要从事岩土工程勘察方面的研究工作。E-mail ：xugf@vip.sina 。
台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察
与涌水量预测
徐国锋，杨建锋，陈侃福
(浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006)
摘要：以台缙高速公路苍岭隧道为例，通过水文地质综合勘探方法，查明隧道不同裂隙发育程度岩体的渗透系数K 值。然后利用地下水动力学法、地下水径流模数法对隧道开挖涌水量进行了预测。通过施工
检验发现，涌水段位置和涌水量总体较接近，说明预测工作对隧道的施工开挖和排水设计具有指导意义。 关键词：工程地质；水文地质试验；岩体渗透系数；涌水量预测
中图分类号：P 642 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增2–5531–05
SURVEYING OF HYDROGEOLOGY CONDITION AND FORECASTING OF WATER INFLOW IN CANGLING TUNNEL TAIZHOU —JINYUN HIGHWAY
XU Guo-feng ，YANG Jian-feng ，CHEN Kan-fu
(Zhejiang Provincial Plan Design and Research Institute of Communications ，Hangzhou 310006，China )
Abstract ：Taking Cangling tunnel of Taizhou —Jinyun Highway as an example ，the permeability coefficient of rock masses with different joint developments in tunnel are found out by hydrological geology integrated exploration method. Then water inflow in tunnel is forecasted using groundwater dynamics and groundwater modulus of runoff. Results show that the predicted location where inflow happens and the quantity of inflow approximate the practical ones ，which indicates that the prediction of water inflow is of guidance to design and construction of drainage.
Key words ：engineering geology ；test of hydrogeology ；permeability coefficient of rock mass ；forecasting of water inflow
1 引 言
基岩地区裂隙地下水的勘察与计算是一项复杂的系统工程，国内外迄今为止还没有形成一套比较系统和规范的方法，仍在不断的探索。
台缙高速公路苍岭隧道为我省第一长公路隧道，由两座相互平行的单线隧道组成，长约7.6 km ，最大埋深768 m ，隧道围岩为侏罗系晶屑熔结凝灰岩和侵入岩体(岩性为花岗斑岩)组成，岩质坚硬，但受构造影响，断裂构造发育。地形起伏变化大，植被保护良好，绿化覆盖率接近100%，地表小溪
常年有水流，且流量变化大。苍岭隧道区地下水为基岩裂隙水，地下水的埋深、分布及动态变化等水文地质特征复杂。
为了确定苍岭隧道基岩裂隙水的水文地质特征，较准确地预测隧道开挖涌水量，笔者通过遥感、航空摄影、地面调绘等大量的工作，详细查明了隧道区的地质构造，分段定性确定了隧道围岩的水文地质特征。并在代表性钻孔处采用分段稳定流抽水试验，确定不同裂隙发育段岩体的渗透系数K 值，并运用利用地下水动力学法、地下水径流模数法对隧道开挖涌水量进行预测。通过开挖涌水部位和检验涌水量等预测工作为隧道开挖和排水设计提出了
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指导。
2 水文地质试验
2.1 水文地质试验概况
为了较准确地确定不同裂隙发育段和断裂发育段地下水水文地质参数，笔者选取了具有代表性的钻孔(CS2孔)进行分段抽水试验，确定不同裂隙发育段的水文地质参数。
CS2孔位于苍岭隧道中部，设计孔深要求300 m ，于2003年10月6日～12月6日进行钻探施工，其中，10月13日钻至126 m 时开始涌水，涌水量达220 m 3/d ，水头高度超出孔口约20 m ，至施工结束时涌水量约150 m 3，水头从孔口降至4.5 m 左右。
试验方法：采用分段稳定流抽水试验。 试验过程：由于124.6～127.6 m 为断层破碎带，有承压水涌水，268.5～297 m 为岩石挤压破碎，因此，将钻孔划分为3个试段：0～300.4 m(全孔)为第1试段，0～135 m 为第2试段，0～120 m 为第3试段。首先进行第1试段全孔抽水，抽水试验方法采用多降深稳定流抽水试验，共分为3次降深，每次降深采取定降深抽水，当抽水量稳定后，持续抽水24 h 。然后进行下一降深抽水试验，当第1试段(全孔)3次抽水试验结束后。将孔深135 m 以下采用封孔止水措施；什么是阴阳合同
然后进行第2试段0～135 m 抽水试验，也分3次降深稳定抽水，稳定抽水也为24 h 。再次将孔深120～135 m 段进行封孔止水；最后，进行第3试段(0～120 m)抽水试验，由于本段岩体完整性好，出水量很小，故采用水位恢复速度计算渗透系数。
因为第1，2试段为混合抽水(0～120 m 为较完整基岩，120～135 m 为断裂破碎带，2段水文地质性质差异大，应分开计算水文地质参数)。为求得各段的渗透系数，首先求得的第3试段(0～120 m)的渗透系数，然后在反算求出其他段(破碎带段，135～300.4 m)的渗透系数。
第1，2试段抽水试验成果见表1；第3试段水位恢复速度成果见表2。然后利用稳定渗流计算公式和相关公式分别计算出各段的渗透系数，计算过程及计算结果见表2，3。 2.2 渗透系数计算
表1 第1，2试段抽水试验成果表
Table 1 The result of first segment and second segment pumping test
抽水期次
试段号
孔深/m
水位埋深/m
水位降深S /m
把溺水的人倒过来控水稳定抽水量Q /(L ·s －1
)
单位涌水量 /(L ·(s ·m)－
1)
备注
15.76 220.49 13.988
18.38 234.58 12.761 1 1
会当凌绝顶下一句0～300.4
(全孔抽水)
+4.50
19.18 249.18 12.986
15.00 230.08 15.336
17.38 237.60 13.651 2 2 0～135
(135 m 以下全部
回填封孔) +3.50
19.73 241.75 12.217
3 3 0～120
(120 m 以下全部
回填封孔)
0.70
提桶抽水，未稳定
表2 第3试段抽水试验成果及渗透系数计算表
Table 2 The result of third segment pumping test and calculation for infiltration coefficient
水位降深/m
第3试段孔深
/m
稳定水位深度/m
S 1
S 2
水位恢复时间
/h
计算渗透系数K /(m ·d －1
)
(K - t 曲线接近常数时)渗透
系数K /(m ·d －
1)
25.88 12.55 1 0.001 531 12.50 8.95
1 0.000 715 8.95 6.20 1 0.000 777 6.20 5.50 1 0.000 253 1.60 0.90
2 0.000 609 0～120 (120 m 以下全部回填封孔)
0.70
0.90
0.81
4
0.000 056
0.000 6
注：第3试段上部完整基岩裂隙水采用水位恢复速度计算渗透系数[1]；K ＝t
r H S S r )2()/ln(5.3w 212
w +，K 为渗透系数(m/d)，H 为含水层厚度(m)；r w 为钻孔
半径(取0.055 m)；S 1，S 2分别为恢复时间t 开始与结束的水位降深(m)。公式来源《供水水文地质手册》中潜水完整井水文恢复速度计算公式。
第24卷 增2 徐国锋等. 台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察与涌水量预测 • 5533 •
表3 各含水层渗透系数计算表
Table 3 Calculation for infiltration coefficient of different water-containing rocks
含水层序号
含水层厚度M /m 平均渗透系数*K cp /(m ·d －
狐妖小红娘主题曲1)
各段平均渗透系数K /(m ·d －
1)
1 110(上部10 m 下套管止水)
0.000 6 0.000 6 2 3.0
0.132 5
4.970 0 3
28.5(135～300.4段，其中268.5～297段岩石破碎，其余完整)
0.112 5
0.033 0
注：“*”下数据分别为：1，2含水层；2，3含水层；1，3含水层的平均渗透系数值。
对于第1，2次混合抽水试验，首先利用承压水完整井抽水试验计算公式求得平均渗透系数[1]为
w
w cp )
lg (lg 366.0MS r R Q K −=
(1)
式中：Q 为混合抽水时的钻孔出水量(m 3/d)；R 为抽水影响半径(m)，取经验值100 m ；w r 取0.045 m ；
M 为含水层厚度(m)；cp K 为混合抽水时平均渗透系数(m/d)，且有
同时
2
12
211cp h h h K h K K ++=
(2)
式中：1K ，1h 分别为上部含水层渗透系数和含水层厚度；2K ，2h 分别为下部含水层渗透系数和含水层厚度；
根据表1，2数据及式(1)，(2)。可求得各段的平均渗透系数。
通过以上计算发现，基岩不同裂隙发育程度岩体的渗透系数差异巨大，较完整基岩段与发育裂隙的挤压破碎带渗透系数相差近104倍，水文地质性质也相差悬殊。
3 涌水量预测方法
在了解了国内基岩裂隙水预测计算的基础上，在快速、实用的前提下，利用地下水动力学法和经验公式法对隧道开挖涌水量进行预测计算[2～6]
。
3.1 地下水动力学法
地下水动力学法是一种常规传统的水文地质计算方法，该法经过了水文地质模型概化，简化了水文地质条件，具有快速实用的特点。
(1) 落合敏郎法预测隧道稳定涌水量 单位涌水量公式为
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡−+−−=)/4ln()(π1111202101W R h H r R h H K q (3) 式中：1q 为隧道单位长度稳定涌水量(m 3
/(d ·km))，
0K 为隧道钻孔抽水试验取得的渗透系数(m/d)，1H 为含水体厚度，0h 为隧道排水沟水深(m)，1R 为隧道涌水影响宽度(m)，W 为隧道断面宽度(m)。
该公式适用条件：基岩山地越岭隧道，含水体为无界潜水。概化后的模型见图1。
图1 潜水含水层概化模型
Fig.1 Hydrogeological Model of containing water rock
(2) 大岛洋志计算隧道可能最大涌水量 单位涌水量公式为
]/)(4[ln )(π 2020232d r H m r H K q −−= (4)
式中：2q 为洞身通过含水体单位长度可能最大涌水量(m 3/(d ·km))；3K 为含水体渗透系数(m/d)；2H 为静止水位至洞底距离(m)；d 为洞身横断面等价圆的直径(m)；0r 为洞身横断面等价圆的半径(m)；m 为转化系数，取0.86。适用条件同方法(1)，概化后模型见图2。
图2 概化模型
Fig.2 Hydrogeological Model of containing water rock
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(3) 柯斯嘉科夫计算隧道稳定涌水量 单位涌水量公式为
)
/ln(233
43r R H K q α= (5)
式中：3q 为隧道单位涌水量(m 3/(d ·km))；4H 为隧道底板以上含水体厚度(m)；4K 为隧道穿越含水
体的渗透系数(m/d)；33/2/πR H +=α为修正系数；
3R 为隧道涌水影响宽度(m)；r 为隧道横断面宽度的一半，即2/W r =。
适用条件：基岩山地越岭隧道，含水体为无界潜水，含水体为无限厚度。概化后的模型同图1。
(4) 利用裂隙水渗渠出水量计算公式预测隧道遇到断裂带的可能涌水量
CS2孔孔深124.6～126.2 m 遇F4断裂带中的导水裂隙，地下水具承压性、自流性，钻孔刚揭露时，地下水稳定水文高出地表38 m ，孔口稳定流量
2.23～2.46 L/s(193～213 m 3/ d)，经过对CS2分段抽水试验，则在124.6～126.2 m 时，导水裂隙渗透系数K = 4.97 m/d ，由于断裂带呈陡立状，可利用裂隙水渗渠出水量计算公式进行预测，
3
3*
*3R h H K L Q −= (6)
式中：Q 为隧道出水量(m 3/d)；L 为断裂带隧道长度(m)，取1 m ；*K 为渗透系数(m/d)；H 为断裂带
水头高度(m)；h 为隧道内水深(m)；0R 为影响半 径(m)。
(5) 利用地下水动力学法预测隧道排水的影响宽度4R ，根据工程实践经验，可用以下公式粗略估算：
4R = 215.5 + 510.5K (7)
根据隧道区水文地质钻孔试验所取的渗透系数
K 值计算，隧道两侧的影响宽度4R ：富水区段各取500 m ，弱富水区段各取400 m ，贫水区各取300 m 。 3.2 地下水径流模数法
地下水径流模数是指单位时间内单位流域面积上的地下水流量。表达式为
i i i F Q M /= (8)
式中：i M 为隧道通过区第i 条支沟流域的地下水径流模数(m 3/(d ·km 2))；i Q 为隧道通过区第i 条支沟流域枯水期的地表流量，以此代表该流域地下水径流量(m 3/d)；i F 为隧道通过区第i 条支沟流域地表水
汇水面积，以此代表相应区域地下水的流域面 积(km 2)。
(1) 隧道单位涌水量的计算公式：
i i i B M q = (9)
式中：i Q 为隧道在某段富水性分区中的分段涌水量
(m 3/d)，i q 为隧道在某段富水性分区中的单位涌水量(m 3/(d ·km))，i B 为隧道两侧影响宽度之和(km)。
(2) 隧道分段涌水量的计算公式：
i i i L q Q = (10)
式中：i L 为隧道在某一富水性分区中的长度(m)。
(3) 隧道总涌水量计算公式：
∑=i Q Q (11)
式中：Q 为隧道总涌水量(m 3/d)。
4 隧道涌水量的计算成果及施工验证
4.1 隧道用水量预测计算结果
为了较准确地预测苍岭隧道涌水量，又满足工期要求，根据水文地质调绘、水文地质试验等资料，
利用上述计算方法对隧道涌水量进行预测。
利用地下水动力学法计算隧道开挖涌水量的计算成果见表4；利用地下水径流模数法计算隧道开挖涌水量成果见表5。 4.2 成果分析及施工验证
(1) 通过钻孔抽水试验得到各段基岩的不同渗透系数，然后运用地下水动力学法和地下水径流模数法，预测苍岭各里程段的可能单位涌水量，以及全隧道开挖可能的稳定涌水量落合敏郎法预测为
976 t/d(按单洞开挖涌水量计)柯斯嘉科夫法预测757 t/d 。可能的最大涌水量为1 130 t/d(按单洞开挖涌水量计)。利用地下水径流模数法预测苍岭隧道涌水量为836 t/d 。
(2) 通过上述分析计算发现，基岩隧道由于基岩岩体的水文地质参数差异巨大，不同部位渗透系数差异达3～4个数量级，涌水点主要集中在断层破碎带和节理裂隙发育带，特别是张开裂隙往往是重点出水点，施工开挖证实(本隧道现正在开挖中)，在K100+300～K100+450段连续遇到多条充水张裂隙，短时出水量大，单条充水裂隙24 h 涌水量达
100 t 。而其余完整基岩段隧洞开挖基本无明显出水现象。
第24卷 增2 徐国锋等. 台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察与涌水量预测 • 5535 •
表4 隧道分段稳定涌水量、最大涌水量及总涌水量预测成果表 Table 4 Forecast results of groundwater dynamics calculate water inflow
单位涌水量/(m 3/(d ·km))
隧道分段稳定涌水量
/(m 3
·d －1
) 隧道最大涌水量
/(m 3·d －
1)
稳定
区段
富水性评价
段长 /km
式(3)
式(5) 最大 (式(4)) 式(3) 式(5) 稳定总涌水量 /(m 3·d －
1)
分段涌水量 最大总涌水量
K94+760～K95+200 贫水 0.440 2.50 1.90 3.8 1.10 0.84 1.67K95+200～K95+470 弱富水 0.270
18.50
18.80 49.0 5.00 5.08
13.2K95+470～K96+240 贫水 0.770 5.50 3.00 6.0 4.24 2.31
4.62K96+240～K96+600 弱富水 0.360 111.00 71.90 142.0 39.96 2
5.88
51.12K96+600～K98+100 贫水 1.500 20.30 7.10 15.0 30.45 10.65 22.5K98+100～K100+300
贫水 2.200 74.20
11.50
27.0
四级写作163.20
25.30 59.4K100+300～K100+450 弱富水 0.150
617
日本留学手续734K100+450～K101+300 弱富水 0.850 130.60 79.50 161.8 111.01 67.58 137.53K101+300～K102+150 贫水 0.850 4.50 2.70 5.5 3.83 2.30 4.68K102+150～K102+304
贫水 0.154
0.75
0.74
1.8
0.12
0.11
式(3)落合敏
郎法预测976
m 3/d ；柯斯嘉
科夫法预测
757 m 3/d 。
0.28
1 029
表5 径流模数法隧道涌水量预测成果表
Table 5 Forecast results of groundwater runoff modulus calculate water inflow
区段
枯季地下水径流模数/(L ·(s ·km 2)－1
)
径流模数换算 /(m 3
·(d ·km 2)
－1
)
隧道两侧影响宽度之和B i /km
该流域隧道长度L i /km
该段隧道涌水量Q i /(m 3
·d －1
)
隧道总涌水量 /(m 3·d －
1)
备注 仙居 1.31 113.18 0.8 4.08 369
缙云横溪 1.93 166.75 0.8 3.50 467 836
预测涌水量为稳定涌水量
注：地下水径流模数摘自1∶20 000《仙居幅水文地质普查报告》。
5 结 语
基岩隧道涌水的勘察和预测受多种因素制约，需要采取多种手段查清地层岩性、地质构造，分析基岩裂隙水的分布规律，通过水文地质试验工作，取得不同水文地质单元的水文地质参数，然后利用以上的两种方法进行预测计算。
地下水动力学法和地下水径流模数法在基岩隧道地区进行涌水预测仍为一种简单、快速、有效的方法。可以在以后的工程勘察中运用。 参考文献(References)：
[1]
《供水水文地质手册》编写组. 供水水文地质手册[M]. 北京：地质出版社，1983.(Water Supplying Hydrogeology Manual Compilation Group. Water Supplying Hydrogeology Manual[M]. Beijing ：Geology Press ，1983.(in Chinese)) [2]
铁道部第一勘测设计院. 铁路工程地质手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2002.(The First Railway Survey and Design Institute.
Railway Engineering Geology Manual[M]. Beijing ：China Railway Publishing House ，2002.(in Chinese))
[3]
浙江省地质局. 1∶200 000万仙居幅水文地质普查报告[R]. 杭州：浙江省地质局，1980.(Zhejiang Provincial Geology Bureau. Hydrogeology survey reports of Xianju frame(1∶200 000)[R]. Hangzhou ：Zhejiang Provincial Geology Bureau ，1980.(in Chinese)) [4] 邓百洪，方建勤. 隧道涌水预测方法的研究[J]. 公路交通技术，2005，(3)：161–163.(Deng Baihong ，Fang Jianqin. Study on forecast method for water gush of tunnels[J]. Technology of Highway and Transport ，2005，(3)：161–163.(in Chinese))
[5] 毛建安，石中平，毕焕军. 秦岭隧道水文地质的综合勘察与涌水量预测计算[J]. 世界隧道，1998，(2)：44–48.(Mao Jian ′an ，Shi Zhongping ，Bi Huanjun. Survey of hydrogeology condition and calculation of water inflow in Qinling Railway Tunneling[J]. World Tunnel ，1998，(2)：44–48.(in Chinese))
[6] 杨智国. 山岭隧道水文地质钻孔测试[J]. 铁道建筑技术，2004，(5)：31–33.(Yang Zhiguo. Hydrogeology test of mountain tunnel in drills[J]. Railway Construction Technology ，2004，(5)：31–33.(in Chinese))
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