宋玉婷， 巢萬里

(湖南省交通科學研究院， 湖南 長沙　410015)

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連拱隧道滲流防護措施的數(shù)值模擬研究

宋玉婷， 巢萬里

(湖南省交通科學研究院， 湖南 長沙410015)

[摘要]孔隙水滲流作用對隧道圍巖穩(wěn)定性影響顯著，尤其當隧址所處圍巖孔隙水滲流作用較為強烈時，影響更甚。因此，必要的排水措施如泄水洞的布設(shè)就具有十分重要的意義。以某隧道為工程背景，借助有限差分軟件FLAC3D對地層由多期洪積扇堆積的某隧道進行初始地應力狀態(tài)、無泄水洞布設(shè)以及泄水洞布設(shè)3種工況進行數(shù)值模擬研究。通過對圍巖滲流狀態(tài)及泄水洞布設(shè)前后的圍巖應力及穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果進行的比較分析，確定泄水洞的功效以驗證泄水洞的必要性以及泄水洞位置的合理性。通過對滲流、應力場、位移場及塑性區(qū)的對比分析，認為泄水洞的布設(shè)能有效降低洞周孔隙水壓力、圍巖應力和洞周位移變形量，以及泄水洞后巖土體位移、應力及工后沉降，泄水洞的合理布設(shè)將顯著改善降水效果。

[關(guān)鍵詞]連拱隧道； 滲流； 數(shù)值模擬； 泄水洞

0引言

孔隙水滲流作用是影響圍巖自穩(wěn)能力和隧道穩(wěn)定性的重要因素[1-3]。掌子面開挖引起圍巖孔隙水滲流的重分布，進而影響圍巖應力場分布，而應力場的重分布又將對滲流場的分布造成影響，并最終形成多場的耦合作用，對圍巖和隧道支護結(jié)構(gòu)造成不良影響[4，5]。在孔隙水充裕的富水圍巖地區(qū)，隧道穩(wěn)定性受其影響更甚，防排水及圍巖加固措施的不當與不及時均將將使圍巖應力增大，穩(wěn)定性降低，導致隧道突水、突泥甚至掌子面坍塌的災害發(fā)生[6，7]。

隧道滲流場的研究手段主要包括理論分析、模型試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，其中模型試驗能較方便地模擬現(xiàn)場，對工程進行較好的實際還原，因而在巖土及隧道工程中被普遍認可并被廣泛使用。然而，由于滲流場模擬等方面困難，目前并沒有一定數(shù)量可供參考的文獻。以跨瓊州海峽海底隧道為背景，譚忠盛等對隧道襯砌在海水滲流環(huán)境下的防排水方式及不同防排水方式下的滲流場分布規(guī)律進行了模型試驗研究，但不足的是試驗不夠全面，具有一定局限性，無法反應隧道襯砌的全受力狀態(tài)[8，9]。

黃甫明等對不同襯砌注漿方式及量級條件下的圍巖滲流場分布情況進行了研究，得到了孔隙水壓力與滲流場隨襯砌布設(shè)及注漿量級的相互關(guān)系及規(guī)律[10-12]。

李術(shù)才等以膠州灣海底隧道為背景，采用自行研發(fā)的設(shè)備和傳感器，進行了水下隧道的模型試驗研究[13，14]。上述研究局限在襯砌外側(cè)或者注漿圈內(nèi)外范圍，將圍巖、注漿圈、襯砌作為一個整體考慮的水壓分布規(guī)律研究，目前未見報導。

泄水洞作為一種隧道排水措施，常用于富水隧道施工中，其在排出圍巖孔隙水的同時將改善隧道滲流場和應力場的分布，有助于圍巖和襯砌穩(wěn)定性[15-17]。深入了解掌子面開挖過程中泄水洞的布設(shè)數(shù)量和方式對隧道滲流場和應力場的影響規(guī)律，對于富水及水下隧道的設(shè)計和施工具有重要意義。

為研究泄水洞的布設(shè)對隧道滲流作用的防護及對圍巖穩(wěn)定性提高的效果，以某隧道為工程背景，運用FLAC3D有限差分法數(shù)值模擬軟件，對隧道布設(shè)與不布設(shè)泄水洞兩種工況進行分析，比較兩種工況下圍巖滲流、應力及沉降的不同，分析泄水洞布設(shè)的有效性。

1工程概況

某山嶺鐵路隧道起訖里程為CK615+065～CK633+470，全長18.405 km，屬特長隧道。隧道場地地質(zhì)條件復雜，地層由多期洪積扇堆積而成，與粘土層形成多層承壓水。隧址范圍內(nèi)的洪積扇主要賦存兩層承壓水，下層承壓水水位高于上層承壓水水位，隧道穿過下層含水層，水位距離為隧道底板為120～160 m；隧道穿過上層含水層，水位距離隧道底板為50～80 m。

根據(jù)現(xiàn)場地表出露第三系地層形成的邊坡，在無水狀態(tài)或滲水狀態(tài)下整體可以自穩(wěn)，長期暴露局部出現(xiàn)剝落或坍塌。在隧道開挖過程中，在巖土結(jié)構(gòu)未破壞且在無水狀態(tài)下，掌子面應可以整體自穩(wěn)，局部膠結(jié)較差的可能出現(xiàn)剝落或坍塌；由于隧道通過該段地下水位較高，在掌子面在滲水條件是否自穩(wěn)，首先考慮施工擾動是否破壞了巖土體結(jié)構(gòu)，同時由于排水可能導致土體內(nèi)部細顆粒成分的流失，造成巖土體結(jié)構(gòu)破壞；其次評估地下水的流動產(chǎn)生滲透力對掌子面穩(wěn)定性的影響。有必要在隧道開挖支護前首先對高承壓水進行排水泄壓，為此對泄水洞排水泄壓效果進行探討。主要研究內(nèi)容：恰當選擇本構(gòu)模型與各項參數(shù)，對泄水洞設(shè)置與否三種工況(即場地初始狀態(tài)、有隧道無泄水洞、有隧道有泄水洞)進行數(shù)值模擬，并比較分析兩種不同工況下的滲流、應力及沉降情況。確定泄水洞的功效以驗證泄水洞的必要性以及泄水洞位置的合理性。

2模型建立及參數(shù)選擇

2.1FLAC3D在滲流計算中的數(shù)值表述

FLAC3D提供了巖土體的流體運動法則和無滲流場的流動零模型，可以對巖土體中孔隙水的瞬時流動作用進行模擬。不同的巖土體材料可以有不同的流動模型和法則，模擬過程可以獨立進行亦可以根據(jù)巖土體本構(gòu)關(guān)系對孔隙水滲流效應的約束結(jié)合進行。允許將任何力學與熱學模型進行耦合計算的同時允許熱膨脹的發(fā)生?；谝陨嫌悬c，本次數(shù)值模擬研究采用FLAC3D有限差分法軟件進行，將取得較好的計算結(jié)果。

2.2工況定義及模型建立

根據(jù)隧道地質(zhì)勘探資料，CK628+800～K631+800段為粘質(zhì)黃土、粗圓礫土與粉質(zhì)粘土，基巖為灰?guī)r，圍巖級別V級。分別穿越上下層高承壓水，可能存在發(fā)生突水風險，為最不利斷面。隧道開挖方式采用傳統(tǒng)的礦山法施工，其開挖方法為臺階法。工況見表1。

表1 工況定義Table1 Casedefinition分類工況狀態(tài)工況一不設(shè)置泄水洞工況二設(shè)置泄水洞

原隧道設(shè)計典型斷面如圖1所示，泄水洞位置在仿真計算中暫擬為該中部，為達到較高精度，模型

圖1　隧道典型斷面Figure 1　Typical section of the tunnel

尺寸寬×高為255×271 m，劃分為9 146個網(wǎng)格單元，建立FLAC3D數(shù)值模型如圖2所示。

圖2　隧道計算模型Figure 2　Numerical model for multiple-arch tunnel

2.3模型參數(shù)選擇

參考隧道有關(guān)地質(zhì)物探資料及相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，取得各材料物理力學計算參數(shù)如表2～表4所示。其中，巖土體材料皆為干密度，注漿加固A為工況掌子面注漿孔數(shù)28個時加固體物理力學參數(shù)，注漿加固B為工況掌子面注漿孔數(shù)96個時。

表2 巖土層的物理力學參數(shù)Table2 Physical-mechanicalparametersofrocklayers材料密度/(kg·m-3)彈性模量E/GPa泊松比v上層含水層23404.50.26下層含水層24805.00.25粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)/(m·s-1)45355.90×10-650364.86×10-6

表3 邊墻砂漿錨桿Cable結(jié)構(gòu)單元力學參數(shù)Table3 Cablestructuralunitmechanicsparametersofmortarbolt密度/(kg·m-3)彈性模量/Pa水泥漿粘結(jié)力/(N·m-1)水泥漿摩擦角/(°)水泥漿剛度/Pa水泥漿外圈周長/m截面積/m2抗壓強度/N抗拉強度/N78504.50×10101.15×107353.70×1080.770.03141.00×1062.50×106

表4 鋼拱架和網(wǎng)噴初支shell結(jié)構(gòu)單元力學參數(shù)表Table4 Shellstructuralunitmechanicsparametersofsteelarchandinitialreinforcement密度/(kg·m-3)彈性模量/Pa泊松比厚度/m250010.50.250.2

2.4數(shù)值模擬實現(xiàn)過程

為對比分析泄水洞在滲流隧道中的作用，分別進行布設(shè)與不布設(shè)泄水洞的數(shù)值模擬，步驟如下：

① 不設(shè)置泄水洞。

初始平衡狀態(tài)→開挖隧道斷面巖芯→開挖面噴射混凝土進行初期支護(含臨時仰拱)。

② 設(shè)置泄水洞。

初始平衡狀態(tài)→開挖泄水洞→泄水洞開挖面支護→開挖隧道斷面→隧道開挖面噴射混凝土進行初期支護(含臨時仰拱)。

數(shù)值模擬計算中僅考慮初支，二襯主要作為強度安全儲備在計算中不予反映。

2.5邊界條件及初始應力狀態(tài)

本模型中模型邊界條件分為位移邊界條件、滲流邊界條件和透水邊界條件。根據(jù)工程概況和模型定義，邊界條件分別設(shè)置如下：

位移邊界條件：模型上底面為自由面，下底面約束縱向沉降，左右兩個方向約束X方向位移、前后兩個方向約束Y方向位移。

滲流邊界條件：FLAC3D提供模型的不透水邊界，即模型各邊界是不透水的，邊界空壓自由變化。

透水邊界條件：透水條件和飽和度由邊界空壓決定，且空壓的絕對值必須大于流體抗拉強度。

按上述原則建立某連拱隧道滲流數(shù)值模擬模型，畜平衡后初始應力條件和孔隙水壓力場見圖3。

(a) 應力場(b) 孔隙水壓力場

3數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1滲流分析

本模型單個臺階開挖與支護所花時間為10 h，定義一個工作循環(huán)為60 h，即滲流場為一個工作循環(huán)即60 h后的計算結(jié)果，如圖4所示。圖4中(a)可以看出開挖后空隙水壓力場變化明顯，圍繞開挖部分形成了漏斗狀得低孔隙水壓力區(qū)域，開挖面附近水壓力等勢面密集。在中透水的泥灰?guī)r中，開挖后僅60 h內(nèi)滲流場即產(chǎn)生了較大變化，可見如不采取止水措施，將會引起隧道突水涌水，開挖施工將無法進行。比較兩種工況條件下，隧道開挖后，洞周均一致出現(xiàn)漏斗狀低孔隙水壓力區(qū)域，工況一與工況二的洞周最大孔隙水壓力分別為1.6 MPa，1.5 MPa，工況二的洞周最大孔隙水壓力小于工況一，且設(shè)置泄水洞時隧道的開挖面附近水壓力等勢面較未設(shè)置泄水洞有較大程度的改善，可見泄水洞降壓效果初步顯現(xiàn)。

(a) 工況一斷面圖(未設(shè)置泄水洞)(b) 工況一大樣圖(未設(shè)置泄水洞)

(c) 工況二斷面圖(設(shè)置泄水洞)(d) 工況二大樣圖(設(shè)置泄水洞)

圖4各工況中泄水洞降壓效果已顯現(xiàn)，但具體分析滲流趨勢和降壓效果還需考慮圍巖滲流矢量場。圖5各工況下隧道圍巖滲流矢量圖中顯示，兩種工況隧道圍巖滲流矢量場分布基本一致，具體滲流速度值有所不同。工況二(設(shè)置泄水洞)的滲流速度大小相對未設(shè)置泄水洞情況弱微減少。

(a) 工況一滲流矢量圖(未設(shè)置泄水洞)

(b) 工況一滲流云圖(未設(shè)置泄水洞)

(c) 工況二滲流矢量圖(設(shè)置泄水洞)

(d) 工況二滲流云圖 (設(shè)置泄水洞)

圖6為各工況下隧道斷面涌水量歷史記錄，2種工況隧道斷面涌水量變化趨勢基本一致，最大涌水量值有所不同。工況一的每延米斷面最大涌水量為2.576×10-3m3/s，工況二為2.214×10-3m3/s，工況二(設(shè)置泄水洞)的最大涌水量相對未設(shè)置泄水洞情況減少近14%。由此可見，泄水洞的降壓效果較明顯。

(a) 涌水量歷史記錄(未設(shè)置泄水洞)(b) 涌水量歷史記錄(設(shè)置泄水洞)

綜合上述分析可知：隧道穿越承壓水層時預先設(shè)置泄水洞后，降壓效果較明顯。

3.2應力場分析

圖7可以看出，隧道開挖后兩種工況的洞周壓應力分布大致相同，均分布在隧道側(cè)壁，拱頂上方出現(xiàn)低應力卸荷泡區(qū)。但工況一中側(cè)壁最大壓應力為15.6 MPa，工況二為18.5 MPa。可見設(shè)置泄水洞存在二次圍巖擾動效應，使得削弱圍巖壓應力集中方面的效果不明顯。

(a) 工況一(未設(shè)置泄水洞)(b) 工況二(設(shè)置泄水洞)

圖8中開挖后2種工況的洞周拉應力分布規(guī)律基本一致，均集中分布在拱肩和墻角，并且與洞周壓應力場一樣，在拱頂上方出現(xiàn)低應力卸荷泡區(qū)。但工況二較工況一應力場分布更趨于均勻，且工況二的最小主應力最大值較工況一弱減小?？梢娦顾吹慕祲盒Ч麑ο魅鯂鷰r拉應力集中有一定作用，但效果不明顯。

(a) 工況一(未設(shè)置泄水洞)(b) 工況二(設(shè)置泄水洞)

綜合圖7與圖8的分析結(jié)果：設(shè)置泄水洞能一定程度改善圍巖應力分布狀態(tài)，主拉應力的拱頂與拱腳部位和主壓應力的側(cè)壁是高壓水地層隧道施工應重點關(guān)注的部位，必須加強隧道關(guān)鍵部位的監(jiān)控，掌握圍巖變化情況，保證施工安全。

3.3位移場分析

隧道掘進時，對圍巖的開挖擾動，致使洞周圍巖松動而出現(xiàn)洞周位移，其中又以拱頂沉降和仰拱隆起的豎向位移，為工程施工中所重點關(guān)注。圖9中各種工況條件下，皆出現(xiàn)較大的豎向位移，具體數(shù)值可歸納如表5所示。

(a) 工況一(未設(shè)置泄水洞)(b) 工況二(設(shè)置泄水洞)

表5 各工況條件下斷面豎向位移值Table5 Settlementsofthe2differentconditions位置沉降數(shù)值/mm誤差/%工況一工況二工況二拱頂55.4121.19-62仰拱22.3111.47-49

根據(jù)表5中2種工況的比較情況，可以看出：泄水洞降壓能有效減少隧道開挖斷面的變形量。

圖10中各種工況條件側(cè)壁相對位移具體數(shù)值同樣可歸納如表6所示。

(a) 工況一(未設(shè)置泄水洞)(b) 工況二(設(shè)置泄水洞)

Figure 10Relative horizontal displacements of the 2 different conditions

從表6可以看出：同樣驗證了泄水洞降壓能顯著減少洞周位移變形量。

綜上分析，設(shè)置泄水洞與否的位移場變化有明顯差別。未設(shè)置泄水洞時洞周產(chǎn)生位移變形較大，設(shè)置泄水洞能顯著減少洞周位移變形量。

表6 各工況條件下斷面水平相對位移(洞周收斂)Table6 Relativehorizontaldisplacementsofthe2differentconditions位置沉降數(shù)值/mm誤差/%工況一工況二工況二左側(cè)壁95.3320.27-79右側(cè)壁95.5819.50-80

3.4塑性區(qū)場分析

圖11各工況塑性區(qū)分布圖顯示，工況一與工況二的洞周大范圍圍巖均出現(xiàn)過歷史剪切屈服，拱頂、拱肩、拱腳與仰拱還出現(xiàn)過歷史張拉屈服，且隧道間的巖柱出現(xiàn)剪切屈服破壞。工況二應力屈服狀態(tài)的圍巖范圍相對有所擴展。可見，設(shè)置泄水洞后對圍巖的二次擾動影響圍巖的穩(wěn)定性。2種工況條件下不采取有效的堵水加固措施，隧道洞周圍巖容易失穩(wěn)。

(a) 工況一(未設(shè)置泄水洞)(b) 工況二(設(shè)置泄水洞)

4結(jié)論

運用FLAC3D對隧道穿越高承壓水地段的開挖施工過程進行數(shù)值模擬，針對未設(shè)置泄水洞、設(shè)置泄水洞兩種工況條件下，對比分析各工況的開挖擾動力學響應與流固耦合效應，得到如下結(jié)論：

① 圍巖滲流場分布狀態(tài)復雜，具有間斷、各向異性的特點，尤其是在隧道開挖圍巖原平衡被打破之后，滲流場需要經(jīng)歷重分布并最終平衡的過程。計算中認為未經(jīng)開挖的圍巖孔隙水壓力呈水平層狀分布，并沿深度增加。

② 隧道開挖后，區(qū)內(nèi)地下水滲流狀態(tài)發(fā)生改變，地下水向隧道內(nèi)排泄。滲流場數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著松動圈巖體滲透系數(shù)的減小，滲入隧道的水量減小，區(qū)內(nèi)地下水位降幅和孔隙水壓力降幅變緩。

③ 掌子面開挖后，原水壓力平衡被打破，圍巖滲流狀態(tài)被改變，孔隙水流向隧道洞室，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，滲流狀態(tài)與入洞水量的大小與滲流系數(shù)有關(guān)，即襯砌支護與防排水措施對滲流破壞的防治具有重要意義。

④ 隧道開挖引起洞周較大范圍圍巖屈服破壞，洞周圍巖發(fā)生掌子面坍塌和涌水突泥等風險的可能性較大，需進行堵水加固處理。

⑤ 設(shè)置泄水洞后巖土體位移、應力及工后沉降結(jié)果較明顯改善，說明將泄水洞設(shè)置位置是合適的，降水效果明顯；設(shè)置泄水洞能有效降低洞周孔隙水壓力、圍巖應力和洞周位移變形量，結(jié)合鋼拱架與圍巖注漿加固處理，可以滿足工程要求。

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Numerical Simulation on Seepage Safeguard Procedures for Multiple-arch Tunnel

SONG Yuting， CHAO Wanli

(Hunan Communications Research Intitute， Changsha， Hunan 410015， China)

[Abstract]Pore water seepage effect has a significant influence on tunnel rock stability，especially in heavy pore water conditions.It is of great importance for measures such as drainage holes in such conditions.Based on Zhong Tiaoshan multiple-arch tunnel and numeral simulation software FLAC3Dof finite difference method，this paper conducts a numeral simulation research of different working conditions both with and without the drainage holes on tunnel stability.Necessity and effects of drainage holes are certified by rock stress and stability status analysis.According to analysis of seepage field，stress field and displacement field and plastic zones，result shows that drainage hole can reduce pore water pressure，rock stresses and settlements significantly，namely precipitation effect can be improved by drainage holes.

[Key words]multiple-arch tunnel； seepage； numerical simulation； drainage holes

[收稿日期]2016-04-15

[基金項目]湖南省科學技術(shù)廳科技計劃項目(2013SK5080)；湖南省交通科技項目(201430)

[作者簡介]宋玉婷(1983-)，女，湖南長沙人，工程師，主要從事路橋?qū)I(yè)設(shè)計研究。

[中圖分類號]U 453.6+1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0111-06