摘 要：本文通过对长沙地铁 1 号线浏阳河水底隧道穿越场地水文地质条件进行分析，并预测出场地水底隧道的涌水量，对地铁跨河水底隧道安全施工提供相关依据。
关键词：水底隧道；水文地质条件；涌水量
1引言
水底隧道由于存在丰富的地表水作为补给水源，隧道所穿场地的土压力、水压力均发生较大变化，围岩结构面的力学性能降低，整体性和稳定性变差。再加上工程自身特点，水底隧道比一般陆地隧道的水文条件变得更加复杂，往往出现涌水及渗透水，增加了工程建设难度、成本与安全风险。大量的涌水会影响隧道施工，甚至出现突水突泥事故，还将影响运营阶段隧道服务水平和隧道安全稳定。因此，查明隧道场地的地表水与地下水的水力联系，进行正确的水文地质条件分析，预测出隧道穿越地段的涌水量，是保障水底隧道安全穿越的关键，对后期隧道正确、科学与安全施工有着重要的指导意义。
本文以长沙地铁 1 号线过浏阳河水底隧道工程为例，进行相关的水文地质条件分析，预测出隧道穿越段的涌水量，期望能够对该段水底隧道施工和安全运营有所裨益。
2 工程概况
长沙市地铁 1 号线为长沙市南北向的骨干交通线，一期工程全线共设车站 20 座，线路全长约 23.55km，北起长沙市汽车北站站，南至万家丽路站。浏阳河水底隧道位于福元路站～新河三角洲站区间，长度 1640.70m，采用两条单线圆形断面的结构型式，拟采用盾构法施工。设计隧道顶板埋深约 16.56～30.45m，底板标高变化约 1.24～14.84m。
隧道场地内属于湘江、浏阳河河谷发育区形成了宽泛的堆积阶地，由河流相二元结构组成。地貌单元为湘江Ⅰ级阶地、浏阳河阶地及河床，属于典型的河流冲蚀、堆积地貌。浏阳河河床标高在 19～23m，两侧为河漫滩，标高为 23～29m 之间，河床宽度约 284m，北堤标高约39.00m，堤外地面标高 30.60～31.70m；南堤标高约37.00m，堤外地面高程为 30.00～31.00m。场地内无发育断裂构造通过，地层从新到老依次有全新统人工填土层、全新统冲积层、残积层、白垩系砂砾岩各风化带岩石。
过河段隧道位于设计顶标高约为 9.77～10.50m，底标高约为 3.67～4.40m。主要在全、强风化砂砾岩中穿行，底板均在强风化砂砾岩中，而顶板则在全、强风化砂砾岩中。隧道顶板距浏阳河河床最小距离约 8.99m，距基岩面最小距离约为 2.94m。
3 水文地质条件
3.1地表水
隧道穿越范围内的地表水主要为浏阳河河水，除此还有隧道以西的湘江水。浏阳河水是对拟建水底隧道有直接影响的地表水。浏阳河于隧道场地西侧约 800m 处汇入湘江，二者水力联系密切，湘江水对隧道场地具有间接的水力联系。
3.2地下水类型及富水性
3.2.1地下水类型
场地内地下水类型分为填土中的上层滞水、第四系砂卵石层中的孔隙水及基岩裂隙水。
⑴上层滞水。上层滞水主要赋存于杂填土（1-2-1）、素填土（1-2-2）层中，分布不连续，埋深很不稳定，一般透水性中等、含水量弱，受季节及气候影响明显，主要接受大气降水。
⑵孔隙承压水。孔隙承压水主要赋存于第四系含水层细砂（1-9）、粗砂（1-11）、圆砾（1-13）、卵石（1-14）中，其含水性能与砂的形状、大小、颗粒级配及粘粒含量等有密切关系。根据本区间对第四系砂卵石层含水层进行的抽水试验结果，其渗透性属强透水性地层。其上部有相对不透水层时，具有承压性，承压水头 3～4m。
⑶基岩裂隙水。风化裂隙水主要赋存于白垩系砂砾岩裂隙之中，含水层无明确界限，埋深和厚度很不稳定，其透水性主要取决于裂隙发育程度、岩石风化程度和含泥量，一般透水性弱，属极弱富水区。
3.2.2地下水的富水性及透水性
隧道场地内岩土层富水性及透水性按序评述如下：人工填土层：杂填土 Q4ml(1-2-1)：主要分布于浏阳河南堤顶部。松散，由粘性土混砖渣、砂卵石、混凝土块等杂物回填，层厚 0.70～7.80m，层顶标高 30.37～32.920m。
素填土(1-2-2)：河漫滩与河床均见分布。松散，由可塑状粘性土混砂砾石等组成，部分混有机质。层厚0.70～8.80m，层顶标高 23.26～38.44m。
填土层(1-2-1)与 (1-2-2)地下水部分地段分布，由于填筑成分与密实程度的不同，透水性有明显差异。属极弱富水区，透水性弱～中等。根据室内试验，渗透系数（7.31～34.8）×10-6cm/s。
粉质粘土 Q4jal(1-6)：分布于河堤与河漫滩部位。可塑 - 硬塑状，含少许黑色铁锰质氧化物，底部含少量粉细砂。层厚 0.80～10.70m，层顶标高 23.27～32.21m。据室内试验，渗透系数（3.7～29）×10-6cm/s，属极弱富水区，透水性弱，为相对隔水层。
粉土 Q4jal(1-7)：河床两侧均见分布。下部地层主要为粗砂层 (1-11)与细砂层(1-9)。稍密 - 中密状，含少量粉细砂、中砂及云母片。层厚为 0.50～6.00m，层顶标高 19.32～27.98m。据室内试验，渗透系数（1.4～7.7）×10-5cm/s，属极弱富水区，透水性弱，为相对隔水层。
第四系冲积层含水层细砂（1-9）、粗砂（1-11）、圆砾（1-13）、卵石（1-14）层为场地内主要含水层，分布广泛，厚度较大，均为强透水层。
细砂 Q4jal(1-9)：主要分布于河道南侧地段。松散 -稍密状，粒径级配较差，成分多为石英质，含云母及少量砾石，泥质充填。层厚为 0.50～5.00m，层顶标高19.04～23.76m。注水试验渗透系数为 2.97×10-2cm/s，室内试验渗透系数（2.7～3.7）×10-2cm/s，属中等富水区，透水性强。
粗砂 Q4jal(1-11)：河堤内均见分布。稍密 - 中密状，成分多为石英质，局部含少量砾石。层厚为 0.70～6.50m，层顶标高在 20.06～24.70m。属中等富水区，透水性强。
圆砾 Q4jal(1-13)：河堤内均见分布。稍密 - 中密状，圆砾含量大，多为亚圆形，磨圆度一般，中粗砂充填，混少许粘性土，局部含少量卵石。层厚 0.90～6.30m，层顶标高 18.25～24.01m。注水试验与抽水渗透系数分别为（2.19～2.63）×10-2cm/s、2.97×10-2cm/s，室内试验渗透系数（1.1～30）×10-2cm/s，属强富水区，透水性强。
卵石 Q4jal(1-14)：场地内局部分布。中密状，圆形～亚圆形，一般粒径 2～5cm 含量约 55%，最大粒径达 10～15cm，中粗砂及少量粘粒充填。层厚 0.50～5.10m，层顶标高 17.49～22.52m。抽水试验渗透系数为 2.96×10-2cm/s，室内试验渗透系数（7.8～43）×10-2cm/s，属强富水区，透水性强。
残积粉质粘土层 Qel(5-1):位于基岩面上部，局部薄层分布。层厚 0.30～3.00m，层顶标高 15.33～19.72m。硬塑状，含少量砾石，属极弱富水区，属弱透水层，可视为相对隔水层。
残积砂层 Qel(5-3):位于基岩上部，局部钻孔有揭露。层厚 1.20～8.50m，层顶标高 15.81～17.81m。系砂砾岩风化残积而成，中密状，粒径级配较差，成分多为石英质，含云母及少量砾石，泥质充填，渗透系数为5.80×10-2cm/s，属极弱富水区，强透水层。
全风化砂砾岩 K(7-1-1)：场地内广泛分布，层厚0.50～14.80m，层顶标高 -1.91～19.32m。砂砾状结构，泥质胶结，胶结极差，极软岩。岩芯呈砂状，少量角砾状，易分散，用手可折断，浸水易软化崩解。岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。据压水试验渗透系数为3.56×10-3cm/s，属极弱富水区，中等透水层。
强风化砂砾岩 K(7-1-2)：砂砾状结构，泥质胶结，胶结差，极软岩。岩芯呈短柱状，碎块状，少量砂状，锤击易碎易断，浸水易软化。岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。据压水试验渗透系数为 2.09×10-3cm/s，属极弱富水区，弱透水层。
中风化砂砾岩 K(7-1-3)：广泛分布。层厚 2.70～23.4m，层顶标高 7.42～17.68m。砂砾状结构，泥质胶结，胶结较好，极软岩。岩芯多呈长柱状，锤击易断，浸水易软化。岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅴ类。属极弱富水区，多属弱透水层。
3.2.3 地下水位
详细勘察位于枯水季节,场地地下水上层滞水初见水位埋深 0.70～4.90m，相应标高 26.30～30.90m，稳定水位埋深 0.70～4.20m，相应标高 27.03～32.00m；孔隙承压水初见水位埋深 7.20～15.00m，相应标高 19.05～25.66m，稳定水位埋深 4.50～13.00m，相应标 高20.590～25.88m；基岩裂隙水未形成明显的水位。
地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系。隧道场地所处地貌为湘江、浏阳河Ⅰ级阶地及河漫滩，地势较低，地下水位受湘江与浏阳河水位影响大，每年 4～9 月份为丰水期，河流水位抬高，地下水位升高；枯水期随河流水位降低而下降。年变化幅度2.0～12.0m。
3.3 地下水与地表水（河水）的水力联系
隧道场地含水层与河流存在密切的水力联系，湘江水面、浏阳河水面是场地地下水的排泄基准面，地下水位受湘江、浏阳河河水域制约，与湘江、浏阳河的河流水位密切相关，除受涨落潮的影响外，一般较稳定。
根据设计方案，水底隧道主要在含水量丰富、补给充足的强透水性的砂卵石土中通过，顶板全、强风化砂砾岩与含水层直接相通。此外，场地物探资料与钻探钻孔资料显示，在河道地段砂砾岩强风化层与中风化层内（ 里 程 ZCK12+755 ～YCK12+780 与 YCK12+755 ～YCK12+775)存在岩体破碎带，埋深 30～40m,地下水丰富。
3.4水化学特征
根据现场取样及室内试验分析，场地水化学特征如下：
⑴场地地表水(含浏阳河水)阳离子以 Ca2+为主，其次为 Mg2+和 Na+，阴离子则以 SO42-为主，其次为 Cl-，水类型为 SO4·HCO3·Cl-Ca·Na 型。
⑵上层滞水阳离子以 Ca2+为主，部分为 K++Na+，阴离子则以 SO42-为主，其次为 Cl-，HCO3-,部分 CO32-较高，水类型主要为 SO4·HCO3-Ca·Na 型。
⑶孔隙水阳离子以 Ca2+和 Na+为主，少量 Mg2+，阴离子以 SO42-为主，其次为 Cl-和 HCO31-，水类型主要为 SO4·HCO31--Ca·Na 型。
4 隧道涌水量预测
水底隧道采用盾构法施工，根据相关规范及文献，采用以下多种公式进行涌水量预测对比计算：
⑴《铁路工程水文地质勘察规程》（TB10049-2004,J339-2004）地下水动力学法 - 古德曼公式：
式中，Q0表示隧道通过含水体地段的最大涌水量(m3/d)，K 表示含水体渗透系数(m/d)；H 表示静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离 (m)；d 表示洞身横断面等价圆直径(m)；L 表示隧道通过含水体的长度(m)。
⑵达尔西公式：
式中，Q0表示掌子面涌水量 (m3/d)；I 表示水力梯度，按临界水力梯度考虑取 1；ω 表示掌子面面积(km2)。
⑶大岛洋志公式：
式中，q0表示初期最大涌水量(m3/d·m)；M 表示转换系数，一般取 0.86；H 表示隧道底部至静水位的距离(m)；r0表示隧道的特征半径 (m)；d 表示隧道的特征直径(m)。
⑷经验公式：
式中符号意义同上。
根据隧道工程特点与地层特性，水力梯度为临界水力梯度，I≈1.00，隧道直径取值 d=6.50m，掌子面面积ω=33.18m2具体的计算结果如表 1、表 2。
穿越浏阳河段（里程 YCK12+500～YCK12+850）因其顶板全、强风化砂砾岩与含水层直接相通，存在突水、涌水的可能性。其余段掘进，隧道有渗水和滴水现象，应防止砂砾岩全风化、强风化、及中风化带因遇水软化、崩解而降低强度；特别是全、强风化砂砾岩为泥质胶结，胶结度很差，遇水很容易发生软化、崩解。在裂隙发育地段或局部含水层突入隧道段，有股状地下水涌出，有产生突涌的可能。
例外，依据《铁路工程地质手册》(2005 年版)P198公式对浏阳河段涌水量计算进行计算，计算时将隧道体周边围岩均视为强风化砂砾岩 (即 T=∞) 且渗透性均匀，分别按最高洪水位、最低水位及年平均水位进行。计算公式如下：
式中，q0表示水底隧道施工中单位长度最大涌水量(m3/d·m)；K 表示水体下部含水体渗透系数 (m/d)；H 表示地表水体底部至洞身横断面等价圆中心的距离(m)；H0 表示地表水水体的厚度(m)；r0表示洞身横断面换算成等价圆的半径(m)。
浏阳河段涌水量计算结果见表 3。
5 结束语
根据隧道场地垂向地层分布特征，隧道在全、强风化砂砾岩中穿行，底板均在强风化砂砾岩中，而顶板则在全、强风化砂砾岩中。隧道顶板距浏阳河河床最小距离约 8.99m，距基岩面最小距离约为 2.94m。全风化砂砾岩之上有 <1.00m 的残积粉质粘土为弱透水层，再之上为渗透性较强的细砂、圆砾，且与浏阳河床之含水层相通。隧道围岩胶结差，渗透性较强，而之上的相对隔水层厚度偏小，导致其与浏阳河产生较强的水力联系，从而在施工过程可能出现渗水，最终形成涌水甚至突水，尤其在洪水季节。建议盾构掘进过程中应保持开挖面的稳定，加强盾构密封措施，同时加强同步注浆及二次注浆。加强超前预报工作及监测工作。
水底隧道在施工之前应该查明场地地下水与地表水的水力联系，进行场地的水文地质条件分析评价，进行隧道涌水量的预测，从而指导盾构机选型及采用盾构施工工艺，在较为复杂的地层场地，场地水文地质条件直接影响盾构施工技术。
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