雪峰山长大隧道涌水量预测研究

雪峰山长大隧道涌水量预测研究摘要:通过对高速公路雪峰山长大隧道施工中地下水的监测分析,得出雪峰山地下水与基岩裂隙水有着密切的关系,应用正交试验法来分析隧道涌水量与裂隙的各因素的主导关系,从而对隧硐开挖前进行地下水涌水超前预报提供一种新的方法;为隧道施工安全、高效、按质、按量、按期提供准确合理的依据,具有可观的经济效益。关键词:雪峰山隧道基岩裂隙水正交试验涌水量预测STUDYONFORECASTFORWATERGUSHINGCAPACITYINBIGANDLONGXUEFENGSHANTUNNELHuangDongliangWuXiangbin（Departmentofgeologyandenvironmentalengineer,CenterSouthUniversity,ChangshaHunan,China410083）Abstract:BybigandlongXuefengshantunneloffreewaywatching、measuringandanalyzinggroundwaterintheconstruction,concludingbetweengroundwaterofXuefengshantunnelandinfractureofbedrockisconsanguineousrelation.ApplyingverticalintersectiontesttoanalyzewatergushingcapacityofXuefengshantunnelwithsomefactorsoffracturearedominantrelations,inorderthatwecanuseanewmethodtoforecastwatergushingcapacityofgroundwaterduringconstructingtunnel.Thesametime,thenewmethodcansupplyexactandlogicalbasisofsafety、efficiency,onquality、onquantityandonscheduleforconstructingtunnel.Itisprovidedwithconsiderableeconomicbenefit.Keywords:Xuefengshantunnelinfractureofbedrockverticalintersectiontestwatergushingcapacityforecast前言:高速公路长大隧道涌水量的预测,目前国内外主要是从宏观上对隧道地下水进行预测,如传统的地下水动力法,柯斯嘉科夫法、大岛洋志法、落合敏郎法;然而对隧硐内局部出现涌水却无能为力。而对岩石裂隙发育的规律性和参数的可量度性,在这方面D.T.Snow;E.E.Pomm;杨立中;田开铭等专家学者作过大量的研究,基于此,针对雪峰山长大隧道局部涌水进行监测,隧址区裂隙水十分发育,故运用数理统计中正交试验法进行分析,得出隧道涌水量与裂隙的各因素的主导关系,从而指导隧道安全、高效施工。工程概况邵阳至怀化高速公路是国家重点建设的“五纵七横”国道主干线中上海至瑞丽高速公路的一段。雪峰山隧道为邵阳至怀化高速公路上最大的控制工程，其位于邵阳市、怀化市两市交界处，穿过雪峰山主脉。本隧道为上下行线分离的双洞隧道，左右洞长度分别为6942.56m、6958.605m，平均长度为6951m，按隧道分类属特长隧道。两洞室净距在洞口段为20m左右，在洞身浅埋段为35m左右。纵坡整体为一单坡，纵坡坡度为0.938%，在邵阳端洞门设计高程为520m左右，在怀化端洞门设计高程为462m隧道左洞起讫桩号为ZK95+865、ZK102+807.56，右洞起讫桩号为YK95+866.395、YK102+825。隧道的最浅埋深约35m,最大埋深约840m，约50%的地段隧道埋深大于地下水的监测雪峰山隧道地下水的监测分为裂隙的观测和涌水量的监测。2.1裂隙观测节理即为岩石中的裂隙。重点针对雪峰山隧硐内涌水量大的掌子面进行详细的大量的裂隙走向、裂隙宽度、裂隙密度的观测与统计,以达到各要素与涌水量的关系。对观测的结果进行数理统计分析后得出隧址区内主要发育有四组裂隙,其一为走向140°～150°，倾向SW或NE，与隧道轴线近似平行，倾角为70°左右;其二为走向90°～100°，倾角75°～85°;第三组是走向均为25°～35°，倾角均较陡，为65°～85°;最后一组为走向为110°～130°，倾角较陡,为80°～90°。2.2涌水量的监测计算根据隧道开挖段的不同情况,因地制宜采取相应的监测手段。目前在隧硐内我们所采用的监测方法和计算公式如下表1。表1所用涌水量计算公式表名称涌水量计算公式说明三角薄壁堰Q=0.014h2.5h为实测水头.矩形薄壁堰流量系数;为有效宽度;Kh取0.001m孙奈利槽b为出口宽度,h为入口段水头高度浮漂法S为流水横断面积;L为在时间T内水所流过的长度;K为系数等效估算法S为流水横截面积;g为重力加速度,取10m/s2.K为修正系数;这里取1.1。X为出水口至落水点平均距离（m）;H为出水口中心线至地面距离（m）2.3裂隙与涌水量的监测成果根据对掌子面的裂隙的观测统计和对涌水量的实测与计算得下表2。表2掌子面裂隙实测数据成果表掌子面桩号裂隙走向（º）裂隙宽度（㎜）裂隙密度（条/㎡）实测涌水量（l/s）ZK95+94853112028ZK96+02658455.3ZK96+25750紧闭35ZK96+484448713.ZK96+71472768.8YK95+978155紧闭42YK96+13160532.5YK96+61714810216YK96+693110415203正交试验3.1正交试验原理正交试验是数理统计中的一种方法,就是在试验前借助于一种现成的规格化的表—正交表,科学地挑选试验条件,合理地分析试验结果,从而可以只用较少的试验次数,分清各因素对对试验结果（指标）的影响,按其影响大小,找出主次关系并确定最佳搭配方案或最大影响条件。3.2因素和水平的选择为了考虑基岩裂隙各因素对隧道地下水的涌水量的贡献大小,选择了三个对隧道影响较大的因素基岩的裂隙走向、裂隙宽度、裂隙密度进行隧硐内现场观测。结合隧硐内实际情况拟用三水平,见下表3。表3因素水平选择表因素水平A（裂隙走向（º））B（裂隙宽度（㎜））C（裂隙密度（条/㎡））1平行隧道轴线（50º~60º）紧密1~52垂直隧道轴线（140º~150º）0~56~103斜交隧道轴线（其它角度）>5>103.3直观分析计算由于进行的是三因素三水平的试验,故而选用L9（34）正交表比较合适。如表4。表4直观分析计算数据成果表列号试验号1（A）2（B）3（C）实测涌水量（l/s）11（平行隧道轴线（50º~60º））1（紧密）1（1~5）4.5212（0~5）2（6~10）13.3313（>5）3（>10）3042（垂直隧道轴线（140º~150º））121.452238.162311873（斜交隧道轴线（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优水平A1B3C33.4实测结果的直观分析从实测试验结果分析表中,可以看出第三次实测试验的结果涌水量最大,其具体条件是A1B3C3,正与优水平相符。这正是正交实测试验中最具有导水裂隙因素。从极差R栏中,依照各因素极差大小可以确定个因素的重要性顺序,极差大的因素表示此因素重要,排出重要性顺序是B,A,C3.5方差分析法根据所选的三因素三水平,故此建立以下数学模型.设yi为第i次实测试验中隧道裂隙水涌水量;αj记为裂隙走向因子的第j水平对隧道涌水量的影响;βj记为裂隙宽度因子的第j水平对隧道涌水量的影响;γj记为裂隙密度因子的第j水平对隧道涌水量的影响,j=1,2,3.得出模型为:（3-1）。式3-1中,···,为独立同服从N（0,σ2）分布的随机误差;为总均值.假定模型中的参数满足3-2式的约束,使达到最小的参数的最小二乘估计。取显著性水平α=0.05,查表得F（2,2）=19;而FB计算得,FB=19.33>19,即得出裂隙宽度对隧道地下水涌水量有显著的影响。式（3-1）式（3-2）涌水量的预测4.1预测利用正交实测试验的分析结果,对隧硐掌子面进行实时跟踪监测。在隧道左隧ZK96+998掌子面进行裂隙观测,发现此处裂隙宽度达到7㎜,裂隙密度为10条/㎡且裂隙走向为平行隧道轴线,将这些值代人式3-1中,经反算,可推断出ZK96+998前方将会有较大的涌水,预测值在10l/s左右。由于裂隙宽度和密度均较大,从岩石构造力学角度看,预4.2验证隧道开挖后,隧硐内出现较大涌水量,利用表1中等效估算法,算得涌水量Q为11.2l/s。预测值与实际监测计算值存在误差,范围在11%。观测到ZK97+046附近有几条派生的小断层出现。结论1)基岩构造裂隙的发育具有方向性,在某些方向上裂隙的张开程度和连通性比较好,在这个方向上导水性强、水力联系好,常常成为地下水涌水点,如雪峰山隧道平行隧道轴线的这组裂隙以及其发育一定的宽度成为隧硐内地下水涌水的主要通道.2)根据正交实测试验和预测验证,裂隙的张开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)雪峰山隧道裂隙宽度达到10㎜以上,走向平行于隧道轴线且裂隙密度超过10条/㎡时,隧道将会出现涌水量25l/s的流量。4)在平行于隧道轴线与垂直隧道轴线的这两组裂隙相互交汇段,裂隙密度大且宽度也大,往往预示着前方将会有断层构造和大涌水量出现。5)此方法适用于隧道掘进中对掌子面前方地下水涌水量的预测,且预测较准确。参考文献[1]李斌.公路工程地质[M].北京:人民交通出版社,