程小勇 黄勤健

摘要： 深埋特长隧道是高速公路建设当中的控制性工程，开挖过程中如遇到高压涌水，必定对工程施工造成不利影响。鸿图特长隧道因其受到莲花山深大断裂构造影响，隧道开挖过程中在火成岩张性裂隙中出现了强烈的高压大流量涌水。以鸿图特长隧道为例，选取受断裂构造带控制涌水的代表性洞段，采用古德曼经验式对基岩段与断裂带涌水量分别进行统计计算。结果显示：隧道K91+010～K91+550段主要断层F2系列的预测最大涌水量为192 258 m3/d，与实际开挖最大涌水量189 576 m3/d基本吻合。该计算方法所得的涌水量更加贴合工程实际情况，对于该地质条件下的涌水量计算有着更强的适配性。

关 键 词： 涌水量预测; 古德曼经验式; 鸿图特长隧道; 莲花山断裂

中图法分类号：  U452.1+1

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.020

0 引 言

隧道涌水预测研究已经有近半个多世纪的历史，在涌水量预测问题上，人们根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的不同复杂程度、施工的不同方式及生产的不同要求等因素，提出了隧道涌水量预测计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。其中确定性数学模型方法包括水文地质比拟法[1-2]、径流模数法[3]、简易水均衡法[4-6]、地下水动力学法[7-9]和数值模拟法等。其中，王建秀[10]、Hwang[11]、左乾坤[12]、罗雄文[13]等学者对隧道涌水机制及其涌水量的预测进行了研究，推动了隧道涌水问题的发展，并且丰富了涌水量预测计算的相关方法。

深埋隧道的涌水量预测由于其具有埋深大、地质勘察难度大等特点，在预测上难度较大。本文以鸿图特长隧道为例，由于其穿越莲花山断裂带核部，在开挖时产生了高压大流量涌水，其进口段左线ZK91+163、右线K91+169涌水量高达3 000 m3/h以上，瞬时最大水压达4.8 MPa，加之其位于火成岩地区，在工程案例中十分罕见，涌水量预测具有一定的难度。因此，使用合适的涌水预测方法准确预测隧道涌水类型、部位、涌水强度及涌水量对隧道建设而言至关重要。

1 隧址区地质条件概述

大（埔）丰（顺）（五）华高速公路是广东省拟规划高速公路网中的加密联络线，是梅州市南部区县相互连接的交通主干线，也是梅州市高速路网的横向连接线。鸿图特长隧道起点位于丰顺县汤西镇高己石以北约500 m处山坡，终点位于五华县郭田镇三渡水水库南侧的下麻石东约 120 m处山坡。

鸿图特长隧道位于构造抬升侵蚀剥蚀中低山地貌区，山体宽厚、起伏较大，隧道的最大埋深达740 m。隧址区的地层岩性主要为侏罗系熔结凝灰岩和燕山期花岗岩[14-15]。隧道洞身以中、微风化岩为主，围岩等级为Ⅱ～Ⅴ级。受区域性莲花山深大断裂多期次活动影响，隧址区整体呈现南东-北西两侧断陷中间抬升的地垒式地貌特征。隧道洞身断层构造等十分发育，又穿越熔结凝灰岩与花岗岩以及不同期次花崗岩的接触带，形成一个交错的区域构造网络，其岩性和构造条件都较为复杂。在隧道施工中出现了高压大流量涌水问题，严重影响工程施工安全。

该地区属南亚热带季风气候区，光照充足，雨量充沛，年平均气温21.2（五华）～21.7 ℃（丰顺），多年平均降雨量1 519.7（五华）～1 865.6 mm（丰顺），位于韩江和榕江两大水系的分水岭区域，溪沟发育，多年平均径流量27.356亿m3。

隧址区地下水类型根据其形成自然条件，运移规律、赋存空间特征可分为两类，即松散岩类孔隙水和基岩构造裂隙水，松散岩类孔隙水呈局部分布，基岩裂隙水广泛分布于工作区。根据资料，该地区的岩（土）层按风化强度依次可分为[16]：

（1） 地表风化残积层。包括粉质黏土、碎石、粉质（砂质）黏土等，厚度8.0～15.5 m，渗透系数经验值K=0.1 m/d。碎石的渗透系数经验值K=50 m/d。

（2） 全风化带。黄褐色，岩芯呈坚硬土状，结构清晰，岩石已完全风化，手捏易散。零星分布，厚度6.0～8.5 m。渗透系数经验值K=0.100 m/d。

（3） 强风化带。岩质较软，半岩半土状岩芯遇水易软化。局部分布，厚度1～40 m。渗透系数经验值K=0.050～0.100 m/d。

（4） 中风化带。岩石节理裂隙很发育，裂隙面多见铁锈浸染，岩质较硬，局部分布厚度4～30 m。渗透系数经验值K=0.03 m/d。

（5） 微风化带。岩体坚硬，节理裂隙发育，风化程度低，呈块状结构，最大揭示厚度为25 m。渗透系数经验值K=0.008 m/d。

由于区域受到莲花山深大断裂带的影响，该地区呈现南东-北西两侧断陷中间抬升的地垒式地貌特征[17]，主要表现为由复式向斜以及广泛发育的以北东向断裂带为主，北西、东西向断裂为次的构造格局。隧址区的涌水构造大都是与北东向主干断裂带有关的次一级束状平行或斜切断裂，而次一级的北西向断裂和东西向断裂则将多条北东向主干断裂连通了起来，这些断裂互相交错连通，构成了区域构造网络，为地区的基岩裂隙水提供了发育条件。而错综复杂的构造也使得该区域的水文地质条件复杂多变[18]，隧道涌水变得难以预测，对施工也造成了很大的困扰。

2 隧道早期涌水量预测

鸿图特长隧道的最大涌水量预测主要使用了古德曼经验式[19-20]，见公式（1）。各个区段内的最大涌水量计算结果见表1。

Q0=L 2πKH ln 4H d   （1）

式中：Q 0 为隧道通过含水体地段的最大涌水量，m3/d;K为含水体渗透系数，m/d;H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m，本次采用块段平均距离;d为洞身横断面等价圆直径，m;L为隧道通过含水体的长度，m。

本次预测的隧道正常涌水量为单线涌水量，由于该隧道设计为分离式隧道，左右线洞室间距约为35 m，故整体隧道洞室建议正常涌水量按2倍计算，即按26 484.36 m3/d考虑。另外，在特大暴雨等极端情况下，预测整体隧道洞室的最大涌水量总和达144 274.74 m3/d（22.76 m3/（d·m））。

3 开挖后实际涌水量及其影响因素

3.1 开挖后涌水量变化

隧道开挖后，涌水地段如图1如示。在K91+010～K91+380段的涌水量较大，根据古德曼经验公式的计算该段单线最大涌水量为40 548.38 m3/d。实际开挖中，在2019年11月14日，左线出现最大涌水量为66 456 m3/d;2020年1月13日，右线K91+343处出现最大涌水量为80 520 m3/d。2019年11月14日，该地段施工中双线最大涌水量最高达到107 256 m3/d，此时左洞该区段涌水量为66 456 m3/d，右洞该区段为40 800 m3/d，在开挖过程中在此段揭露断层F2-1。

K91+380～K91+550段，根据古德曼经验公式的计算单线最大涌水量为19 619.04 m3/d。实际开挖中，在2020年5月20日，左线于ZK91+465处出现该段最大涌水量，为38 448 m3/d;在2020年4月23日，右线于K91+397处出现最大涌水量，为64 800 m3/d，同时在这一天出现了该区段的双线最大涌水量，最高达到82 320 m3/d，此时左洞涌水量为17 520 m3/d，断层F2-2～F2-5、F2-6和F4-5经过该区段。

可以看出实际涌水量与前期古德曼经验式预测的数值相差较大，其原因主要是鸿图特长隧道位处火成岩，岩体本身的渗透系数较小，主要的涌水多来自于该区域的富水断裂带，因此对断裂带的研究分析对闸明这一区域高压大流量涌水的由来十分重要，而原预测方法未凸显出富水断裂带在涌水量计算中的影响。

3.2 相关断层概况

断层F2-1～F2-5都为F2-6的次级断裂面，F2-1、F2-3和F2-5这3条断裂在隧道开挖过程中均有揭露且都有程度不一的渗水漏水现象。

F2-1断层走向北东，倾向南东，倾角63°，为张性断层，大概位置为K91+300左120 m处，破碎带的可见宽度大于3 m，其中发育构造岩，并且有明显渗水现象。

F2-3断层走向北东，倾向北西，倾角80°，为张性断层，大概位置为K91+400处，位于高压富水段落中。破碎带的可见宽度大于3 m，其中发育构造岩，断裂带中岩体破碎，裂隙十分发育，并且有着明显的渗水现象。

F2-5断层走向北东，倾向北西，倾角65°，为张性断层，大概位置为K91+424处，位于高压富水段落中。其在鸿图特长隧道上部的引水隧洞中揭露，破碎带可见宽度大于5 m，其中发育构造岩，断裂带中有强烈的蚀变现象，并且漏水较为严重。

F2-6断层走向北东东，倾向南东，倾角83°，为张扭断层，断层硅化带长度大于1 km，位于高压富水段落中，与隧道在K91+500位置呈约45°角相交，宽约6～15 m。断层中可见块状石英脉、碎裂岩和硅化破碎火山岩等，渗透系数经验值K=20 m/d。在ZK91+320附近，根據地面物探显示，该处电阻率等值线陡倾，发育有断层。

F4-5断层走向北北西，倾向多变，北段倾向南西，南段倾向北东及东，倾角84°，为张性断层，自风门坳以北往南东经油鱼坝坑、礤肚一带延伸，断层中可见辉绿岩脉、块状石英脉、断层角砾岩等，断层局部裂隙较发育，出露宽度约为6～10 m。

4 分段预测涌水量

由于鸿图特长隧道位于火成岩区域，区域基岩的渗透系数相对较小，因此在对涌水量进行预测的时候，应加大断裂带在涌水计算中的权重。本文以古德曼经验公式为基础，对上述区段内的涌水量进行补充计算，将区段内的涌水量分为基岩和断裂带两部分分别计算，最终将二者相加得到该区域的最大涌水量值。

4.1 基岩段涌水量

在基岩段部分根据古德曼经验公式进行最大涌水量的计算，由于该区段在目前隧道开挖部分中属于涌水量最为异常的部分，在该区段开挖揭露了断层F2-1～F2-5、F2-6与F4-5，该区段的主要涌水都集中于这几条断层及其周边的次级断裂和裂隙，因此将断裂涌水量单独计算，剩余基岩段则看作微风化岩体进行计算，取其平均渗透系数经验值K=0.008 m/d，另外隧道通过含水体的长度L也将减去断裂带的宽度进行计算。计算得到表2。

4.2 断裂带涌水量计算

由于K91+010～K91+550段埋深较大，在断裂带涌水中体现的承压性强，因此使用承压含水层裘布依理论公式[21]，即公式（2）对断裂带涌水量进行计算，得到表3结果。

Qs=2.73 KMS lgR-lgr  （2）

式中：Qs为计算段的隧道正常涌水量，m3·d;K为含水体渗透系数，m/d;S为含水层水位降深，m;R为影响半径，m，一般可利用经验公式计算;r为洞身横断面等价圆半径，m;M为含水层厚度，m。

其中断裂带的渗透系数K值为前期勘探报告中总结的经验值，含水体厚度是根据该区域风化层厚度资料结合隧道地形剖面图计算得出的中微风化部分与新鲜基岩段的厚度选取，影响半径是通过水文地质条件大致所取的平均值。

根据以上数据可看出：在K91+010～K91+550这一区段处，该区段隧道左右线的最大涌水量为断层涌水量与基岩涌水量之和，192 258 m3/d，实际测得的最大涌水量189 576 m3/d，在总量上二者较为相近。但将区段分离为K91+010～K91+380段与K91+380～K91+580段时可以看出前者的最大涌水量较之后者多出24 936 m3/d;而在计算结果中可以看出，K91+380～K91+580段的最大涌水量则是远远大于K91+010～K91+380段。这说明了断层之间存在着水力联系，当开挖到某一断层时会导致该断层联动周边甚至是外开挖区段断层中的构造裂隙水，从揭露的断层中一同涌出，出现大于预期的涌水量，这也解释了在开挖至K91+380段之后，虽然导水断裂更加发育，涌水量却未能达到预测值这一现象。

古德曼经验公式计算中将各个区段都概化为均质含水层，而实际的涌水量则取决于该区段的断层揭露位置、宽度和断层间水力联系等因素，因此与实际涌水量比起来数值偏小。同时整个计算区段的最大涌水量计算值与实际涌水量相近也可以体现出该区段的断层虽然分布不均，但是其在总体上涌水量则符合实际，可以看出这些断层在隧址区内存在着一定的水力联系。

5 结论及建议

（1） 由于隧址区地处莲花山断裂的核部，区域呈地垒式构造，其中发育有纵横交错的构造网络，因此在针对类似涌水问题时，由于基岩裂隙水占隧道涌水的主要部分，在涌水量的计算上应当以断裂带为涌水的主要影响因素，增加构造裂隙水在其中的权重，方能使计算结果更加契合实际工程。

（2） 估算涌水量时将含水层概化为均质各向同性的理想状态，实际上隧址区含水层（体）为非均质的各向异性岩体，且隧道埋深大，受地形地貌及构造等因素影响，难以准确界定隧道开挖时的汇流面积，且隧道开挖时地下水流场变得复杂，在计算中易产生误差。

（3）  在计算中可以看出，当区域构造网络发达时，对于单一断裂带涌水量的计算往往会因为其连通了周边富水断裂中的构造裂隙水而使得实际涌水量偏大，甚至远远超过预期值，而区域构造网络的一体化以及隧道的大埋深也使得涌水呈现出高压力、大流量等特点。

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（编辑：刘 媛）

引用本文：

程小勇，黄勤健.深埋隧道断裂带涌水量预测分析

[J].人民长江，2021，52（8）：133-136，150.

Prediction of water inflow in deep-buried tunnel controlled by fault zone

CHENG Xiaoyong 1，HUANG Qinjian 2

（ 1.Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510507，China; 2.School of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China ）

Abstract：

The deep-buried extra-long tunnel is a control project in the construction of expressway.If the high-pressure water gushing is encountered in the process of excavation，it will have an adverse impact on the construction of the project.The Hongtu extra-long tunnel was affected by the deep and large Lianhuashan fault.During the tunnel excavation，there was a strong high-pressure and large-flow water gushing in the tensile fissure of igneous rock.Taking the Hongtu extra-long tunnel as an example，for representative tunnel section of water gushing controlled by fault structure zone，we calculate the water gushing quantity of bedrock section and fault zone respectively by Goodman empirical formula.The results show that the predicted maximum water inflow of the main fault F2 series in K91+010～K91+550 is 192 258 m3/d，which is basically consistent with the actual excavation maximum water inflow 189 576 m3/d.The water inflow calculated by this method is more suitable to the actual situation of the project and has a stronger adaptability to the calculation of water inflow under this geological condition.

Key words：

prediction of water inflow;Goodman Empirical Formula;Hongtu extra-long tunnel;Lianhuashan fault