雪峰山長(zhǎng)大隧道涌水量預(yù)測(cè)研究摘要:通過對(duì)高速公路雪峰山長(zhǎng)大隧道施工中地下水的監(jiān)測(cè)分析,得出雪峰山地下水與基巖裂隙水有著密切的關(guān)系,應(yīng)用正交試驗(yàn)法來分析隧道涌水量與裂隙的各因素的主導(dǎo)關(guān)系,從而對(duì)隧硐開挖前進(jìn)行地下水涌水超前預(yù)報(bào)提供一種新的方法;為隧道施工安全、高效、按質(zhì)、按量、按期提供準(zhǔn)確合理的依據(jù),具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞:雪峰山隧道基巖裂隙水正交試驗(yàn)涌水量預(yù)測(cè)STUDYONFORECASTFORWATERGUSHINGCAPACITYINBIGANDLONGXUEFENGSHANTUNNELHuangDongliangWuXiangbin（Departmentofgeologyandenvironmentalengineer,CenterSouthUniversity,ChangshaHunan,China410083）Abstract:BybigandlongXuefengshantunneloffreewaywatching、measuringandanalyzinggroundwaterintheconstruction,concludingbetweengroundwaterofXuefengshantunnelandinfractureofbedrockisconsanguineousrelation.ApplyingverticalintersectiontesttoanalyzewatergushingcapacityofXuefengshantunnelwithsomefactorsoffracturearedominantrelations,inorderthatwecanuseanewmethodtoforecastwatergushingcapacityofgroundwaterduringconstructingtunnel.Thesametime,thenewmethodcansupplyexactandlogicalbasisofsafety、efficiency,onquality、onquantityandonscheduleforconstructingtunnel.Itisprovidedwithconsiderableeconomicbenefit.Keywords:Xuefengshantunnelinfractureofbedrockverticalintersectiontestwatergushingcapacityforecast前言:高速公路長(zhǎng)大隧道涌水量的預(yù)測(cè),目前國(guó)內(nèi)外主要是從宏觀上對(duì)隧道地下水進(jìn)行預(yù)測(cè),如傳統(tǒng)的地下水動(dòng)力法,柯斯嘉科夫法、大島洋志法、落合敏郎法;然而對(duì)隧硐內(nèi)局部出現(xiàn)涌水卻無能為力。而對(duì)巖石裂隙發(fā)育的規(guī)律性和參數(shù)的可量度性,在這方面D.T.Snow;E.E.Pomm;楊立中;田開銘等專家學(xué)者作過大量的研究,基于此,針對(duì)雪峰山長(zhǎng)大隧道局部涌水進(jìn)行監(jiān)測(cè),隧址區(qū)裂隙水十分發(fā)育,故運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中正交試驗(yàn)法進(jìn)行分析,得出隧道涌水量與裂隙的各因素的主導(dǎo)關(guān)系,從而指導(dǎo)隧道安全、高效施工。工程概況邵陽(yáng)至懷化高速公路是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的“五縱七橫”國(guó)道主干線中上海至瑞麗高速公路的一段。雪峰山隧道為邵陽(yáng)至懷化高速公路上最大的控制工程，其位于邵陽(yáng)市、懷化市兩市交界處，穿過雪峰山主脈。本隧道為上下行線分離的雙洞隧道，左右洞長(zhǎng)度分別為6942.56m、6958.605m，平均長(zhǎng)度為6951m，按隧道分類屬特長(zhǎng)隧道。兩洞室凈距在洞口段為20m左右，在洞身淺埋段為35m左右?？v坡整體為一單坡，縱坡坡度為0.938%，在邵陽(yáng)端洞門設(shè)計(jì)高程為520m左右，在懷化端洞門設(shè)計(jì)高程為462m隧道左洞起訖樁號(hào)為ZK95+865、ZK102+807.56，右洞起訖樁號(hào)為YK95+866.395、YK102+825。隧道的最淺埋深約35m,最大埋深約840m，約50%的地段隧道埋深大于地下水的監(jiān)測(cè)雪峰山隧道地下水的監(jiān)測(cè)分為裂隙的觀測(cè)和涌水量的監(jiān)測(cè)。2.1裂隙觀測(cè)節(jié)理即為巖石中的裂隙。重點(diǎn)針對(duì)雪峰山隧硐內(nèi)涌水量大的掌子面進(jìn)行詳細(xì)的大量的裂隙走向、裂隙寬度、裂隙密度的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì),以達(dá)到各要素與涌水量的關(guān)系。對(duì)觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析后得出隧址區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有四組裂隙,其一為走向140°～150°，傾向SW或NE，與隧道軸線近似平行，傾角為70°左右;其二為走向90°～100°，傾角75°～85°;第三組是走向均為25°～35°，傾角均較陡，為65°～85°;最后一組為走向?yàn)?10°～130°，傾角較陡,為80°～90°。2.2涌水量的監(jiān)測(cè)計(jì)算根據(jù)隧道開挖段的不同情況,因地制宜采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段。目前在隧硐內(nèi)我們所采用的監(jiān)測(cè)方法和計(jì)算公式如下表1。表1所用涌水量計(jì)算公式表名稱涌水量計(jì)算公式說明三角薄壁堰Q=0.014h2.5h為實(shí)測(cè)水頭.矩形薄壁堰流量系數(shù);為有效寬度;Kh取0.001m孫奈利槽b為出口寬度,h為入口段水頭高度浮漂法S為流水橫斷面積;L為在時(shí)間T內(nèi)水所流過的長(zhǎng)度;K為系數(shù)等效估算法S為流水橫截面積;g為重力加速度,取10m/s2.K為修正系數(shù);這里取1.1。X為出水口至落水點(diǎn)平均距離（m）;H為出水口中心線至地面距離（m）2.3裂隙與涌水量的監(jiān)測(cè)成果根據(jù)對(duì)掌子面的裂隙的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)和對(duì)涌水量的實(shí)測(cè)與計(jì)算得下表2。表2掌子面裂隙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成果表掌子面樁號(hào)裂隙走向（o）裂隙寬度（㎜）裂隙密度（條/㎡）實(shí)測(cè)涌水量（l/s）ZK95+94853112028ZK96+02658455.3ZK96+25750緊閉35ZK96+484448713.ZK96+71472768.8YK95+978155緊閉42YK96+13160532.5YK96+61714810216YK96+693110415203正交試驗(yàn)3.1正交試驗(yàn)原理正交試驗(yàn)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的一種方法,就是在試驗(yàn)前借助于一種現(xiàn)成的規(guī)格化的表—正交表,科學(xué)地挑選試驗(yàn)條件,合理地分析試驗(yàn)結(jié)果,從而可以只用較少的試驗(yàn)次數(shù),分清各因素對(duì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（指標(biāo)）的影響,按其影響大小,找出主次關(guān)系并確定最佳搭配方案或最大影響條件。3.2因素和水平的選擇為了考慮基巖裂隙各因素對(duì)隧道地下水的涌水量的貢獻(xiàn)大小,選擇了三個(gè)對(duì)隧道影響較大的因素基巖的裂隙走向、裂隙寬度、裂隙密度進(jìn)行隧硐內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。結(jié)合隧硐內(nèi)實(shí)際情況擬用三水平,見下表3。表3因素水平選擇表因素水平A（裂隙走向（o））B（裂隙寬度（㎜））C（裂隙密度（條/㎡））1平行隧道軸線（50o~60o）緊密1~52垂直隧道軸線（140o~150o）0~56~103斜交隧道軸線（其它角度）>5>103.3直觀分析計(jì)算由于進(jìn)行的是三因素三水平的試驗(yàn),故而選用L9（34）正交表比較合適。如表4。表4直觀分析計(jì)算數(shù)據(jù)成果表列號(hào)試驗(yàn)號(hào)1（A）2（B）3（C）實(shí)測(cè)涌水量（l/s）11（平行隧道軸線（50o~60o））1（緊密）1（1~5）4.5212（0~5）2（6~10）13.3313（>5）3（>10）3042（垂直隧道軸線（140o~150o））121.452238.162311873（斜交隧道軸線（其它角度））13283213.6933211K1j47.87.926.1K2j27.53525.7K3j15.65840.115.932.638.79.1711.678.575.219.3313.37R10.7316.74.8優(yōu)水平A1B3C33.4實(shí)測(cè)結(jié)果的直觀分析從實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析表中,可以看出第三次實(shí)測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果涌水量最大,其具體條件是A1B3C3,正與優(yōu)水平相符。這正是正交實(shí)測(cè)試驗(yàn)中最具有導(dǎo)水裂隙因素。從極差R欄中,依照各因素極差大小可以確定個(gè)因素的重要性順序,極差大的因素表示此因素重要,排出重要性順序是B,A,C3.5方差分析法根據(jù)所選的三因素三水平,故此建立以下數(shù)學(xué)模型.設(shè)yi為第i次實(shí)測(cè)試驗(yàn)中隧道裂隙水涌水量;αj記為裂隙走向因子的第j水平對(duì)隧道涌水量的影響;βj記為裂隙寬度因子的第j水平對(duì)隧道涌水量的影響;γj記為裂隙密度因子的第j水平對(duì)隧道涌水量的影響,j=1,2,3.得出模型為:（3-1）。式3-1中,···,為獨(dú)立同服從N（0,σ2）分布的隨機(jī)誤差;為總均值.假定模型中的參數(shù)滿足3-2式的約束,使達(dá)到最小的參數(shù)的最小二乘估計(jì)。取顯著性水平α=0.05,查表得F（2,2）=19;而FB計(jì)算得,FB=19.33>19,即得出裂隙寬度對(duì)隧道地下水涌水量有顯著的影響。式（3-1）式（3-2）涌水量的預(yù)測(cè)4.1預(yù)測(cè)利用正交實(shí)測(cè)試驗(yàn)的分析結(jié)果,對(duì)隧硐掌子面進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。在隧道左隧ZK96+998掌子面進(jìn)行裂隙觀測(cè),發(fā)現(xiàn)此處裂隙寬度達(dá)到7㎜,裂隙密度為10條/㎡且裂隙走向?yàn)槠叫兴淼垒S線,將這些值代人式3-1中,經(jīng)反算,可推斷出ZK96+998前方將會(huì)有較大的涌水,預(yù)測(cè)值在10l/s左右。由于裂隙寬度和密度均較大,從巖石構(gòu)造力學(xué)角度看,預(yù)4.2驗(yàn)證隧道開挖后,隧硐內(nèi)出現(xiàn)較大涌水量,利用表1中等效估算法,算得涌水量Q為11.2l/s。預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)計(jì)算值存在誤差,范圍在11%。觀測(cè)到ZK97+046附近有幾條派生的小斷層出現(xiàn)。結(jié)論1)基巖構(gòu)造裂隙的發(fā)育具有方向性,在某些方向上裂隙的張開程度和連通性比較好,在這個(gè)方向上導(dǎo)水性強(qiáng)、水力聯(lián)系好,常常成為地下水涌水點(diǎn),如雪峰山隧道平行隧道軸線的這組裂隙以及其發(fā)育一定的寬度成為隧硐內(nèi)地下水涌水的主要通道.2)根據(jù)正交實(shí)測(cè)試驗(yàn)和預(yù)測(cè)驗(yàn)證,裂隙的張開程度是隧道地下水的主控因素;其次是裂隙的走向和密度。3)雪峰山隧道裂隙寬度達(dá)到10㎜以上,走向平行于隧道軸線且裂隙密度超過10條/㎡時(shí),隧道將會(huì)出現(xiàn)涌水量25l/s的流量。4)在平行于隧道軸線與垂直隧道軸線的這兩組裂隙相互交匯段,裂隙密度大且寬度也大,往往預(yù)示著前方將會(huì)有斷層構(gòu)造和大涌水量出現(xiàn)。5)此方法適用于隧道掘進(jìn)中對(duì)掌子面前方地下水涌水量的預(yù)測(cè),且預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確。參考文獻(xiàn)[1]李斌.公路工程地質(zhì)[M].北京:人民交通出版社,