有关隧道涌水量的研究已有很久, 且取得了一定的成果, 如毕焕军^[1]和王媛^[2]以及徐帮树^[3]等人采用数值模拟的手段, 对隧道涌水量进行了计算, 并取得相应的成果;G.Fernandez^[4]应用水力耦合效应, 在考虑围岩渗透系数减小的情况下, 推导出了相应的涌水量计算公式, 并通过数值模拟手段验证了公式的适用性;高新强^[5]和王秀英^[6]等运用井流理论和达西定律推导出了考虑衬砌和注浆圈的涌水量计算公式。

我国对于隧道地下水的排放经历了几个主要的阶段, 最初是以“以排为主”为原则, 其后转变为“以堵为主”, 但最后发现, 不管是“以排为主”还是“以堵为主”, 都不可能尽善尽美, 因为现有的技术永远也无法将地下水完全排完或者完全堵住, 因此从环保和经济的角度, 如今已经将地下水处理观念转变为“以堵为主, 限量排放”。不管是依靠哪一种观念来指导隧道地下水的处理, 一旦地下水排放不合理, 就会影响到隧道围岩的稳定性^[7]。

虽然目前对于隧道地下水的处理已经取得了相应的进展, 但如何将隧道地下水的处理与目前主流的生态保护结合起来, 仍是一个有待讨论的课题。本文以厦门海沧货运通道线路上的海新隧道为例, 通过预测其涌水量, 考虑当地植被需水、降雨量、降雨入渗等, 阐述了在考虑隧址区植被生态需水情况下的隧道排水量确定方法。在生态保护意识越发强烈的当今社会, 本文的研究能够为后续的隧道建设者在寻求建设与环保的平衡方面提供理论和实际的参考价值。

隧道涌水量的预测是确定隧道排水量的重要因素。目前关于隧道涌水量预测的方法有很多, 归纳起来主要有水均衡法、相关因素分析法、非线性理论法、数值计算方法、水文地质比拟法、地下水动力学法等。本文主要采用地下水动力学的方法来预测隧道的涌水量。

现有的关于隧道涌水量预测的地下水动力学公式有很多, 比较常用的有以下几个:

1) Goodman (1965) 公式

2) EI Tani M (2003) 公式

3) 王建宇 (2003) 公式

4) Lei (2007) 公式

上述式 (1) ~ (4) 中, Q表示隧道涌水量 (m³/s) ;k表示围岩渗透系数 (m/s) ;h表示地下水水头高度 (m) ;r表示衬砌外径 (m) 。

植被的健康生长与地下水存在一定的必然联系^[8]。当地下水降深达到一定值时, 植被会因无法从地下吸取所需的水分而败坏甚至死亡。张惠昌^[9]通过对植被的长势、地下水埋深等情况进行调研分析, 提出了“地下水生态平衡埋深”的概念。隧道开挖会改变原有的地下水平衡状态, 为了控制开挖后的地下水埋深, 需要讨论隧道开挖后地下水的变化形态。隧道开挖后地下水会形成一个疏干漏斗, 疏干漏斗的最低线就是地下水最大降深出现处。

隧道开挖后形成的疏干漏斗影响范围水平截面为一椭圆, 其范围为:

椭圆长轴 (隧道纵向) :

椭圆短轴 (隧道横向) :

式中:R₁为疏干漏斗影响范围长轴;R₂为短轴;L为隧道长度;B为隧道宽度;R'为隧道边缘至漏斗无影响范围的距离, 可以表示为:

式中:T为含水层导水系数 (m²/d) ;t为自开始渗漏到计算时刻的时间 (d) ;μ^*为含水层储水系数。

由地下水动力学知, 地下水位降深用s表示为:

其中:

标准的倒圆锥体疏干漏斗体积V'为:

设中间“V”形槽体积为V″, 则:

其中B为隧道宽度, 将上式进行展开, 隧道以上疏干漏斗总体积为:

求出疏干漏斗体积V后, 其与储水系数μ^*的乘积即为地下水达到最大降深时的总排水量。

地下水的补给主要来源于降雨, 降雨补给地下水的量与降雨入渗系数λ有关, λ等于降雨补给量与降雨量w的比值。不同地质的降雨入渗系数经验值可由相关规范查规程查得^[10], 表1给出了不同地质的降雨入渗系数经验值。

对于某个地方的降雨量, 同样可以根据气象部门统计的各地年降雨量值w进行预测。

降雨补给量还与降雨补给的范围有关, 降雨对隧道开挖后疏干漏斗的补给量范围就是疏干漏斗的椭圆面, 按下式计算可得:

式中:F为降雨入渗补给面积;R₁, R₂分别为椭圆的长轴和短轴。

在得到隧址区降雨量、降雨入渗系数及降雨补给面积后, 就可以得到t时间内地下水的总补给量W_t:

如果隧道开挖后地下水的变化可以在一定时间内恢复, 那么可以认为隧道的开挖对隧址区生态不造成影响, 即达到了保护生态的效果。假设基于隧址区生态保护考虑, 要求在隧道开挖后N年恢复地下水原始水位, 则隧道开挖允许排放的排放量表达式为:

式中:P_N为N年恢复地下水的排放量, 其单位为m³/ (m·d) ;W_N为N年总补给量。

厦门海沧货运通道线上的海新2号隧道是分离式双洞隧道, 左、右线全长分别为475, 495m, 为了便于计算, 隧道长度均取其中的400m。隧道宽度为14.8 m, 高度为7.5 m, 等价圆半径为5.06 m, 隧址区围岩为不稳定的中风化花岗岩, 按4级围岩设计, 地下水头高度为25m, 围岩渗透系数按最不利的中风化取值为0.3m³/d。

涌水量按式 (2) 计算。经计算, k=0.3m³/d, h=25 m, r=5.06 m, 将其代入式中可计算得出海新2号隧道最大涌水量为Q=21.45m³/ (m·d) 。

计算疏干漏斗体积首先要按式 (7) 求得R', 式 (7) 中T=7.5, t为疏干漏斗形成时间, 按经验取15 d, μ^*为含水层系数取0.008 5, 代入式 (7) 可得R'=172.56 m。将R'代入式 (5) , (6) 得R₁, R₂分别为745.12, 359.92m。

由式 (9) 求得μ=0.000 48, 将其代入式 (8) 可以求得疏干漏斗最大降深s=15.55m。

将计算得到的最大降深s代入到式 (10) , (11) 可以算出V'=1.6×10⁷m³, V″=6 356m³, 因海新2号隧道为双洞隧道, 因此在算疏干漏斗体积时还应加上52×400×15.55=323 440m³, 所以疏干漏斗总体积约为1.6×10⁷m³。

地下水排放量等于漏斗体积与储水系数的乘积, 计算得1.36×10⁴m³。

将已经求得椭圆长、短轴分别代入式 (13) 计算可得降雨补给面积为2.2×10⁵m²。因为隧址区围岩是中风化花岗岩, 且存在破裂带, 围岩稳定性较差, 因此降雨入渗系数按破碎岩石参照表取最大值为0.2。

为求降雨补给量, 还需知道隧址区降雨量, 通过资料查得福建省1951—2011年60年间年平均降雨量为1 367.2mm, 因此该隧址区段每年地下水补给总量为3.0×10⁵m³。

上述求得隧道开挖时地下水排放量为1.36×10⁴m³, 降雨总补给量为6.0×10⁴m³, 将其代入式 (15) 可以算出地下水1年恢复平衡时, 海新2号隧道的允许排水量为0.32m³/ (m·d) 。

通过分析现有地下水排水量的确定方法, 综合对比了目前常用的涌水量计算公式, 在考虑隧址区植被生态需水情况下, 加入了地下水补给量的计算思路, 并以厦门海沧货运通道线上海新2号隧道为实例进行了计算, 得出以下结论。

1) 利用EI Tani M (2003) 公式, 考虑海新2号隧道实际情况, 计算得出海新2号隧道涌水量为21.45 m³/ (m·d) 。

2) 在考虑隧址区地层条件后, 选取相应的含水层系数, 计算得出隧道的疏干长、短半轴分别为745.12, 359.92 m, 疏干漏斗体积为1.6×10⁷m³, 考虑蓄水系数后得出开挖阶段隧道排水量为1.36×10⁴m³。

3) 通过对厦门区域近几十年来的年降雨量进行统计, 并结合隧址区地层情况, 考虑岩层降雨入渗系数, 求得隧址区地下水年总补给量为3.0×10⁵m³。

4) 考虑隧址区生态需水, 假设地下水在1年内恢复原有生态平衡时, 隧道允许的地下水排水量为0.32 m³/ (m·d) 。