董 翔

(都勻高速公路管理處，貴州 都勻 558000)

有襯砌條件下隧道地下水滲流場變化規(guī)律研究

董 翔

(都勻高速公路管理處，貴州 都勻 558000)

基于數(shù)值模擬方法，研究了隧道開挖后有襯砌支護情況下滲流場的變化及地下水位的變化情況，并分析了無襯砌條件下雙孔隧道對滲流場的影響，得出了不同工況下孔隙水壓力的變化情況及滲流場影響范圍，并且得出了地下水位隨時間的變化情況，可為隧道的設(shè)計、施工以及隧址區(qū)環(huán)境的保護提供參考。

隧道，地下水，滲流

0 引言

隧道工程的地下水問題伴隨著隧道工程而產(chǎn)生，并始終伴隨著隧道工程設(shè)計、施工和運營的整個過程[1]。在各種復(fù)雜或不良的地質(zhì)條件中，地下水是影響隧道工程施工、運營和導(dǎo)致成本增加的主要原因之一[2，3]。在地下水豐富的地區(qū)，隧道滲漏水一直是一個具有廣泛性、普遍性和危害性的難題[4-7]。因此，如何通過有效途徑，弄清楚隧道施工引起的地下水滲流場變化情況，是隧道施工亟待解決的問題，對地下水進行經(jīng)濟有效的處理，是決定隧道工程成敗的關(guān)鍵[8-10]。

1 數(shù)值模型的建立

對于地下水滲流方面的研究，不同學(xué)者在理論與實踐中進行了較多的研究，而理論往往建立在一定的假設(shè)前提下，通常現(xiàn)場條件復(fù)雜，理論解答往往不能完全符合現(xiàn)場實際情況，而選用數(shù)值模擬方法對地下水滲流模型的研究相較于其他方法有著不可比擬的優(yōu)越性。

1.1 FLAC3D

FLAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的拓展，能夠進行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。該程序采用顯式拉格朗日算法和混合—離散分區(qū)技術(shù)進行積分計算，可求解地質(zhì)材料的高度非線性、孔隙介質(zhì)的應(yīng)力—滲流耦合、熱—力耦合以及動力學(xué)等問題[11]。本文主要考慮隧道的開挖引起地下水滲流場的變化情況。FLAC3D中的滲流模式可以實現(xiàn)該功能。

1.2 數(shù)值模型建立

1)網(wǎng)格劃分。目前常用到的經(jīng)典滲流計算理論公式，其適用范圍是無限大介質(zhì)，參考前人對隧道開挖引起地下水變化的實地試驗數(shù)據(jù)可知其影響半徑可達(dá)數(shù)百米，故而建模需滿足以下條件：a.盡量使模型的邊界最大化；b.模型的計算應(yīng)選用三維的六面體結(jié)構(gòu)；c.數(shù)值計算中模擬的隧道開挖進深應(yīng)與實際相符。

為了使數(shù)值模擬得到的結(jié)果合理、準(zhǔn)確，在建模時應(yīng)盡量滿足上述所有條件。本文中采取的模型大小如圖1所示。除建模外，網(wǎng)格劃分對數(shù)值計算的準(zhǔn)確性有著一定的影響。在單元形狀確定之后，當(dāng)單元網(wǎng)格劃分越細(xì)時，位移近似解將收斂于精確解。增加網(wǎng)格數(shù)量和密度，計算精度一般也會隨之提高。但是，如果盲目地增加網(wǎng)格數(shù)量，將會大大增加單元網(wǎng)格劃分時間及求解方程時間。有時還會因計算的累積誤差反而降低計算精度。本文考慮到能準(zhǔn)確監(jiān)測到隧道開挖對周圍巖體滲流場影響的動態(tài)過程，對上邊界處單元豎向尺寸進行了一定的細(xì)化，本著既能控制計算時間，又能得到精確的結(jié)果為原則劃分網(wǎng)格，如圖1所示，模型中共有3 360個單元。

2)參數(shù)選取。本文中所選取的材料參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)模型參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

分別就幾種不同的工況進行模擬，對比分析得出，不同工況下隧道施工對其周圍巖體滲流場的影響情況。

施作襯砌情況下地下水位動態(tài)變化。在模型中設(shè)置水流流動時間為3 d，圍巖滲透系數(shù)為10-8m/s，孔隙率為0.25，隧道開挖半徑5 m，襯砌厚度為15 cm，滲透系數(shù)為10-12m/s，對比分析有無襯砌對孔隙水壓力分布的影響。

從圖2，圖3可以看到隧道孔隙水壓力在開挖后3 d內(nèi)動態(tài)變化過程，并可定性地得出，在隧道施工過程中及時施加襯砌，將有利于減緩圍巖孔隙水壓力的降低程度，減小隧道施工引起的降水范圍。

為了能定量分析有無襯砌對圍巖孔隙水壓力的影響，我們對監(jiān)測點最終的孔隙水壓力進行處理分析，如圖4所示。

從圖4中我們可以看到，施加襯砌將有效減小圍巖孔隙水壓力的變化，并且對隧道周圍的孔隙水壓影響最為顯著。但是為了控制變量，我們將流體流動時間設(shè)置為3 d，這將使得隧道上部的水流盡，所以，施加襯砌與無襯砌工況下對3 d后離隧道較遠(yuǎn)處的孔隙水壓影響不大。

3 結(jié)語

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對無襯砌及有襯砌支護情況下地下水位變化趨勢進行了研究，取得了如下研究成果：

1)分析了隧道排水后孔隙水壓力變化趨勢及變化規(guī)律。隧道開挖后，隧道圍巖孔隙水壓力減小，隨時間增長，滲流影響范圍逐漸擴大。

2)通過對浸潤線的描繪，可得出隧道排水情況下任意時刻地下水位降深，可為隧道的排水設(shè)計以及對隧址區(qū)植被生態(tài)的保護提供依據(jù)。

3)通過對雙孔隧道的分析得出，雙孔隧道由于排水量大于單孔隧道，其對滲流場的影響更大，而地下水位下降速度也較快，在雙孔隧道施工及設(shè)計過程中，應(yīng)該考慮疊加效應(yīng)。

[1] 薛禹群.中國地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望[J].高校地質(zhì)學(xué)報,2010(1):1-6.

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[11] 高素荷.網(wǎng)格劃分密度與有限元求解精度研究[J].重工科技,2007(1):12-15.

On change laws for the underground seepage field of tunnels under lining condition

Dong Xiang

(DuyunExpresswayAdministrativeOffice,Duyun558000,China)

Based on the numeric simulation method, the paper researches the changes of the seepage fields under the lining support after the tunnel excavation and alteration of the underground water level, analyzes the influence of the double-hole tunnel under the lining condition, concludes the changes of the pore water pressure under different conditions, and achieves the changes of the underground water level along with the time, so as to provide some reference for the design of tunnels, construction and protection of the tunnel address areas.

tunnel, underground water, seepage

2015-05-29

董 翔(1977- )，男，碩士

1009-6825(2015)22-0166-03

U453.61

A