隧道涌水量预测方法综述
1 引言
目前，在浅埋或深埋隧道建设中，隧道涌水是一种相当普遍而又复杂的地质灾害。隧道涌水易发生在渗透性强、水量丰富、岩体破碎的地层岩体中，特别是褶皱和断层发育的地区，对地下水渗透通道的大小和连通性都会产生显著影响。隧洞掘进时，破坏了含水层结构，改变了水动力条件，且围岩应力重新分布，打破了原有的力学平衡状态，在部分洞侧和洞顶出现切向拉应力，从而使岩体裂隙或原有的细微裂缝增宽增大，以致地下水体所储存的能量以流体(有时有固体物质伴随)高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏。隧道施工中突发涌水，不仅会造成仪器设备的损失，被迫停工，延误工期；而且如果涌水量过大，还会造成人员的伤亡，消耗大量的施工费用。因此，如何较为准确的计算隧道涌水量的大小，为以后的工程防排水措施提供技术准备，然而，由于隧道所处自然环境的复杂多变，其工程地质条件与水文地质条件的高度不确定性，给隧道涌水量的准确预测和计算带来极大的困难。
隧道涌水量预测研究已经有近半个多世纪的历史，特别是近几十年来，无论研究的深度和广度都有了很大的拓展，但也存在许多缺点和不足。工程上应用较多的为传统的专业理论计算公式，许多专家和学者根据工程的具体情况对传统公式进行了修正或引入一些新理论方法对隧道涌水量进行预测，并取得了一定的成效。但从科学与应用的角度来看，这些方法仍然还不够完善，其实用性和推广性也还有待提高。
国内隧道涌水量预测研究多为结合工程个别实例作简要的零碎的地质描述，与整个隧道工程系统地结合和分析研究相对较少[1]。隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问题，迄今为止尚无成熟的理论和公认的准确计算方法[2]。
1.1 隧道涌水量预测研究现状
国内隧道涌水量在隧道工程中多为结合工程个别实例作简要的零碎的地质描述，与整个隧道工程系统的结合和分析研究相对少。隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问题，同时也是隧道防排水设计和施工中一个亟待解决的实际问题，迄今为止尚无成熟的理论和公认的准确计算方法,表1是几个涌水大的铁路隧道预估值和实测值的对比关系，从表中可看出，预估值和实测值相差很大，究其原因，主要是因为隧道涌水的复杂性和多变性以及人们对现场水文工程地质条件的认识不完善。要解决这个问题，一方面，应强调通过各种先进的勘察手段，尽可能多地获取涌水系统的重要信息；另一方面，应提倡科学思维，用新的观念和新的理论来完善与充实。
1.2 隧道涌水量预测的研究分类
隧道涌水量是高水区富水位隧道设计和施工的重要参数。为了更好的设计和施工，把隧道涌水量计算可分为两阶段：
(1)针对围岩尚未开挖部分，根据各种方法计算出的、用于指导隧道设计、施工的涌水量称之为正演涌水量。在隧道围岩尚未开挖前和施工初期，根据勘查阶段的钻孔资料、当地的地质条件(岩性、构造、含水层富水带等)及气象条件、河流水文状况资料，推断可能的隧道涌水点，运用地下水动力学法、经验解析法、数值法(有限元和有限差分法)等，计算涌水点可能发生的涌水量的大小及排水后围岩渗流场的分布，为堵水预注浆方案、排水设施方案、抗水压衬砌形式做出初步的设计。
(2)根据隧道已经施工部分监测涌水量计算出的、用于指导隧道已开挖部分建筑设计的涌水量称之为反演涌水量。当隧道掘进以后，通过对围岩的变形、结构、构造、岩性等信息大量的采集，对前方的掌子面地质情况做出预测，对已出现的涌水点可采用时间序列分析法、灰色理论方法、模糊数学方法等预测和计算涌水量的大小。该阶段预测的涌水量，能够对未来涌水量发展趋势做出估计，可作为下一步隧道设计和施工的参考，具有一定的参考价值，但遇到围岩局部突变部位(断层、裂隙、破碎带等)，就应该采取更加保险的预防措施，避免可能出现较大的涌水量，造成不必要的经济损失。
2 隧道涌水量预测的主要方法
目前隧道涌水量的计算方法较多，为了能准确的预测涌水量的大小，采用有效的预测和计算方法是保证安全设计和正常施工的前提。现在隧道工程中比较适用的预测和计算方法有以下几种。
2.1 地下水动力学法
地下水动力学法又称解析法，属于正演涌水量的计算，它是根据地下水动力学原理用数学解析的方法对给定边界条件和初值条件下的地下水运动建立解析式，结合工程经验给出的隧道涌水量预测的公式从而达到预测隧道涌水量的目的。该法是根据施工前和施工初期的勘测资料，计算隧道初期最大涌水量q0-经常涌水量qs、递减涌水量qt。主要的计算方法有如下几种：
(1)大岛洋志公式：
(2)铁路勘测规范中经验公式：
(3)佐藤帮明公式[1]：
(4)铁路勘测规范中经验公式：
由于正演涌水量的计算中，对隧道围岩的结构及地质情况作了较大简化，与隧道开挖后的实际情况可能有一定出入，这是由于当隧道开始出现涌水时，地下水开始从岩体向临空面渗流并排出。由于扰动区压力水头的作用，渗流通道(裂隙、断层破碎带)被冲刷和侵蚀并不断的获得补给，导致渗流通道变大变宽。涌水点涌水的最终结果可分为两种：(1)水流逐渐衰减，部分疏干，最终达到稳定，并形成涌水点为顶点的降落漏斗，(2)水流逐渐衰减，全部疏干，最终断流。
对于扰动区附近有控制性边界(如定水头边界)的含水层，降落漏斗扩展并连通了边界后，获得了稳定的补给，此时水头不一定会降落到隧道底板标高，可能在隧道顶部一定标高形成稳定的降落漏斗；对于附近没有控制性边界的无限含水层，随漏斗的扩展，扰动区的边界不断向外移动，直到地下水位降落到隧道底板附近且变成稳定流为止。从上面的分析，可以用如图1来表示涌水量大小变化过程。
2.2 水理统计法[1]
水理统计法的基础系将河流枯水期单位流域集水面积上之径流量视为是隧道通过地区地下水的单位面积径流量，并且，在此范围内之地下水都流人隧道内，因此隧道之总涌水量可以近似地认为等于隧道集水面积乘以枯水期地表水之径流量。此法在有河流枯水期流量记录处最为适用。
2.3 水平衡法[3]
自Thomthwait等人(1948，1957)建立水平衡法以来，它已成为水文和环境分析中最常用的工具和手段。水平衡法是根据水平衡原理，查明隧道施工期水平衡各收入、支出部分之间的关系进而获得施工段的涌水量。当施工地段地下水的形成条件较简单时，采用水平衡法有良好的效果，如分水岭地段、小型自流盆地等。但是，使用水平衡法计算时，由于天然水平衡场受到矿坑采动等因素的影响，使渗入系数、均衡期、最大涌水量起峰期等参数难于确定。这些问题长期妨碍水平衡法的广泛应用。
2.4 比拟法
比拟法应用类似的隧道水文地质资料来计算，立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致。因此，这种方法的预测精度取决于试验段和施工段的相似性，两者越相似则精度越高，反之则越差。比拟法适用于已开工隧道，通过导坑开挖的实测涌水量推算主坑涌水量，或用主坑已开挖地段之实测涌水量推算未开挖地段之涌水量的方法。此法系在地质比较均匀，比拟地段的水文地质条件相似，且涌水量与隧道体积成正比的条件下进行的。
2.5 数值分析法
数值分析法也是一种传统的数学分析方法(如差分法，有限元法等)。自从R．W．Clough_1 在5O年代将有限元运用于航空工程飞机结构的矩阵分析，经过几十年的发展，尤其是近20年来广泛迅速的发展，计算技术促进了数值分析方法的变革与创新。数值法是一种具有远大前景的分析法，近几年发展很快。
2.6 地下径流模数法
该法与水文地质比拟法有些相似，一般来说，在岩溶发育较为均匀的一定流域内，其补给条件一般比较相近。故只要求出流域的地下径流模数和圈出拟建隧洞的集水面积，把通过的拟建隧洞等同于暗河，即可求出通过该流域隧道的地下水涌水量(即暗河径流总量)。
2.7 非线性理论方法
通过对隧道涌水的深入研究，人们发现隧道涌水往往是一个非线性系统[4] ，系统本身是一个不断与外部环境进行物质、能量和信息交换的开放系统，具有协同性、自组织性、信息性的特点。显然用线性理论或线性化理论来研究一个非线性系统是与客观实际相悖的，隧道涌水预测的可靠性也必然受影响。
2.8 动态设计阶段隧道涌水量的计算
在隧道开挖后， 使用获取的全部或部分数据，反分析隧道的实际涌水量并对涌水量未来的发展趋势作出预测的方法为反演方法。反演涌水量以实际观测的数据为依据，采用时间序列分析、灰色理论或神经网络等方法[5]对已开挖部分的涌水量作出预测，减少了对地质体认识中的主观因素，因而在客观性方面具有一定优势，可以作为隧道设计中修正的数据使用。
由于有些关键因素无法观测，有规律的预测不能给出局部突变部位，因而这种后验方法给出的涌水量只能作为该段衬砌设计的参考，虽然可使用于前方未开挖岩体涌水量的预测，但也是相当粗糙且不是很可靠的。
3 结论
隧道涌水量的预测计算方法很多，目前较为常用的是上述几种方法，但其预测精度远远不够，究其原因主要是隧道是一个复杂的开放系统，是非线性的。目前人们对隧道的认识还不是很完善，因此涌水量的预测必须采用多种方法结合，多学科交叉的手段，以提高预测精度。必须走综合勘探的路子，在地面测绘的基础上必需采用多种勘探手段相互印证，查清其水文地质的补、径、排条件，这是预测隧道涌水量最基础的工作。
对隧道涌水预测计算要贯穿于从勘测设计到施工这一整个过程，要在施工阶段对设计阶段的计算成果不断地进行反馈修正，以完善隧道涌水预测的准确率，提高掌子面施工前方的涌水预报效果，更好地服务于施工。
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