周亞峰，蘇凱，伍鶴皋

?

深埋TBM隧洞滲流動(dòng)態(tài)演化機(jī)制

周亞峰1, 2，蘇凱1，伍鶴皋1

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430072；2. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢，430010)

針對(duì)TBM隧洞動(dòng)態(tài)掘進(jìn)特征，采用與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)邊界條件模擬隧洞開(kāi)挖、管片支護(hù)以及豆礫石灌漿等施工過(guò)程，結(jié)合管片襯砌在高(內(nèi)、外)水壓作用下滲透系數(shù)隨著充排水過(guò)程而不斷變化的特點(diǎn)，采用基于立方定理和管片接縫張開(kāi)度的等效滲透系數(shù)來(lái)反映結(jié)構(gòu)變形對(duì)滲透系數(shù)的影響，進(jìn)而提出管片襯砌的等效耦合模型，并將其在大型有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)得以實(shí)現(xiàn)，開(kāi)展深埋TBM隧洞從施工開(kāi)挖、管片襯砌支護(hù)、充水運(yùn)行到放空檢修全過(guò)程周期的仿真模擬分析。研究結(jié)果表明：在TBM隧洞動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程中，洞周孔壓先隨著開(kāi)挖掌子面的推進(jìn)而降低，并在襯砌支護(hù)后有所回升，在距離隧洞5倍洞徑范圍內(nèi)孔壓變化劇烈，開(kāi)挖影響范圍在25倍洞徑范圍左右；在考慮管片襯砌滲透系數(shù)隨充水、排水過(guò)程的逐漸變化特性后，隧洞滲流場(chǎng)體現(xiàn)了明顯的動(dòng)態(tài)變化特征，在充水和排水過(guò)程中襯砌外孔壓均呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。

TBM隧洞；滲流；孔壓；時(shí)間效應(yīng)；二次開(kāi)發(fā)

在國(guó)內(nèi)外大型水電工程、跨流域調(diào)水工程、跨江跨海通道等一大批在建或規(guī)劃項(xiàng)目中，往往涉及深埋長(zhǎng)隧洞問(wèn)題，隧洞已成為整個(gè)工程建設(shè)的主體工程或控制性工程。TBM施工技術(shù)由于其掘進(jìn)速度快、施工效率高、隧道成型好、對(duì)圍巖擾動(dòng)小以及作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為深埋長(zhǎng)隧洞施工的首選方法[1?2]。然而，深埋TBM隧洞在施工過(guò)程中可能面臨的高地下水位和突涌水，以及管片襯砌能否承受充水運(yùn)行時(shí)高內(nèi)水壓力和放空檢修后高外水壓力，是制約管片襯砌及TBM應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一[3?5]。對(duì)于深埋隧洞滲流場(chǎng)分布規(guī)律，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展很多研究，YOO等[6]研究隧洞掘進(jìn)過(guò)程與地下水的相互作用，分析了開(kāi)挖過(guò)程中隧洞周邊孔壓的空間分布；SHIN等[7]分析了襯砌不同滲透性情況下，在隧洞開(kāi)挖和長(zhǎng)期穩(wěn)定平衡階段的滲流場(chǎng)分布情況；SHIN等[8]針對(duì)承受高外水壓力的地下隧洞，研究采用銷(xiāo)孔排水后單層薄層襯砌的外水壓力變化規(guī)律；陳衛(wèi)忠等[9]考慮巖體滲透系數(shù)動(dòng)態(tài)演化的力學(xué)模型，更真實(shí)反映了隧洞運(yùn)營(yíng)期襯砌的外水壓力特征；杜小凱等[10]對(duì)于有壓引水隧洞在考慮內(nèi)水外滲之后，指出隧洞滲流場(chǎng)分布發(fā)生變化，襯砌上滲流梯度減小且內(nèi)部鋼筋應(yīng)力減小。在考慮滲流時(shí)間效應(yīng)后，滲流場(chǎng)分布和襯砌外孔壓隨時(shí)間演化規(guī)律都會(huì)有所變化。KASPER等[11]考慮了與TBM隧洞掘進(jìn)過(guò)程相關(guān)的地下水、巖土體、液壓千斤頂、管片襯砌和盾尾注漿等各項(xiàng)因素及其相互作用，研究了隧洞逐步開(kāi)挖過(guò)程中孔壓隨時(shí)間變化情況；原華等[12]運(yùn)用FLAC軟件考慮土體全耦合，模擬了上海長(zhǎng)江隧道管片脫離盾尾后管片襯砌后側(cè)孔隙水壓力隨開(kāi)挖過(guò)程的變化規(guī)律，并指出水的作用對(duì)于過(guò)江隧洞管片受力有利；賈善坡等[13]基于連續(xù)大變形和損傷力學(xué)理論建立了滲流?應(yīng)力耦合模型，對(duì)不同施工質(zhì)量時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中孔隙水壓力的演化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；RUTQVIST等[14]通過(guò)隧道密封試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算對(duì)比，研究了開(kāi)挖導(dǎo)致的巖體損傷、滲透系數(shù)、孔隙水壓力的演變過(guò)程；陳衛(wèi)忠等[15]采用應(yīng)力滲流耦合模型進(jìn)行有限元計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了萬(wàn)家寨引黃工程高壓岔管在運(yùn)行通水期間圍巖和襯砌的滲透壓力的分布規(guī)律；劉仲秋等[16]考慮裂隙巖體和混凝土襯砌的變形特性和滲透系數(shù)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，分析了深埋引水隧洞施工期和運(yùn)行期的孔壓分布情況。目前，TBM施工中多數(shù)采用預(yù)制混凝土管片襯砌，掌子面開(kāi)挖后施加管片支護(hù)，并在管片與圍巖間回填豆礫石，隨后進(jìn)行豆礫石灌漿以使襯砌與圍巖形成一個(gè)整體。對(duì)于管片襯砌，很多學(xué)者在滲流計(jì)算中將其滲透系數(shù)設(shè)置為某一常量，然而，在管片接頭縱縫、螺栓孔、手孔等局部位置發(fā)生的滲水才是管片襯砌滲流的關(guān)鍵[17?20]，管片襯砌滲透系數(shù)的取值應(yīng)綜合考慮預(yù)制混凝土材料和縱縫防水性能，也應(yīng)該結(jié)合管片襯砌在運(yùn)行期內(nèi)水壓力和檢修期外水壓力作用下的力學(xué)性能進(jìn)行取值。同時(shí)，TBM隧洞體現(xiàn)了明顯的動(dòng)態(tài)掘進(jìn)特征，目前考慮施工、運(yùn)行、檢修全過(guò)程周期滲流場(chǎng)演化的時(shí)間效應(yīng)尚不多見(jiàn)，也很少結(jié)合管片襯砌在高(內(nèi)、外)水壓作用下滲透系數(shù)的變化進(jìn)行分析，難以全面反映深埋TBM隧洞滲流場(chǎng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化機(jī)制。本文作者針對(duì)深埋TBM隧洞進(jìn)行滲流場(chǎng)分析，在有限元軟件ABAQUS基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，考慮運(yùn)行期和檢修期管片襯砌的滲透系數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征，從施工開(kāi)挖、管片襯砌支護(hù)、運(yùn)行充水到放空檢修全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，研究滲流場(chǎng)分布及襯砌外水壓力的動(dòng)態(tài)演化特性。

1 計(jì)算理論

1.1 滲流控制方程

在滲流分析中，巖石、豆礫石、混凝土均為孔隙介質(zhì)，在水力梯度作用下，水在孔隙間流動(dòng)，隧洞外水荷載即為作用于地下水位以下整個(gè)空間的滲透體積力。假設(shè)水和土體不可壓縮，飽和非飽和滲流滿足如下微分方程[21?22]：

式中：為含水率；K()，K()和K()為滲透系數(shù)，在飽和區(qū)與無(wú)關(guān)，在非飽和區(qū)為的函數(shù)；水力勢(shì)，為孔隙水壓力，為水的重度，為位置水頭；為時(shí)間。

定解條件由初始條件和邊界條件構(gòu)成。

初始條件為

水頭邊界條件為

流量邊界條件為

自由面邊界條件為

溢出面邊界條件為

式中：0為初始時(shí)刻；為法向流量，向外為正；為外法線方向余弦；1為已知水頭邊界；2為已知流量邊界；3為自由面邊界；4為溢出面邊界。

1.2 管片襯砌等效耦合模型

由于TBM管片襯砌多由預(yù)制混凝土管片通過(guò)連接螺栓拼裝而成，其結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)鋼筋混凝土襯砌不同，在實(shí)際工程充水過(guò)程中，內(nèi)水壓力逐漸增大，導(dǎo)致襯砌向外變形，襯砌環(huán)向產(chǎn)生顯著的拉應(yīng)力，導(dǎo)致各管片間縱縫張開(kāi)，從而導(dǎo)致襯砌的滲透能力逐漸增大；同理，在排水階段，襯砌內(nèi)水壓逐漸減小，各管片間縱縫收縮，襯砌的滲透系數(shù)隨著排水而逐漸減小。本文根據(jù)管片襯砌在水壓力作用下的縱縫張開(kāi)度以及“立方定理”，計(jì)算得到襯砌的等效滲透系數(shù)[23]，并在有限元軟件ABAQUS基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。在計(jì)算的每一步迭代中，均進(jìn)行襯砌滲透系數(shù)的二次計(jì)算，以便充分考慮在隧洞充排水過(guò)程中襯砌滲透系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

當(dāng)水壓力作用于管片襯砌時(shí)，假定由各管片間縱縫滲透的水流符合“立方定理”，管片襯砌間各個(gè)縱縫位置的滲透系數(shù)K2i由式(7)計(jì)算得到：

對(duì)于由多個(gè)管片組成的襯砌，本文采用等效滲透系數(shù)K模擬管片襯砌縱縫張開(kāi)或收縮后的滲透特性。

其中：K1為完整混凝土管片的滲透系數(shù)；L為各管片縱縫的間距；為襯砌中預(yù)制混凝土管片的數(shù)量；為隧洞襯砌內(nèi)半徑。

2 計(jì)算模型與滲流分析過(guò)程

2.1 計(jì)算模型

某輸水工程隧洞開(kāi)挖洞徑為5.46 m，預(yù)制混凝土管片襯砌厚度為0.3 m，管片外側(cè)與圍巖之間回填豆礫石，厚度為0.13 m。三維有限元數(shù)值模型如圖1所示。隧道開(kāi)挖方向?yàn)榉较?，深度方向?yàn)榉较?，?jì)算模型頂部取至地表，隧洞四周?chē)鷰r取50倍開(kāi)挖洞徑[25]，開(kāi)挖方向長(zhǎng)度取600 m，圍巖、豆礫石、管片襯砌均采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，模型共分49 321個(gè)單元，45 720個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中將圍巖、豆礫石和管片襯砌均作為滲水介質(zhì)，圍巖的滲透系數(shù)取7×10?7 m/s，完整混凝土襯砌滲透系數(shù)取2×10?8 m/s，豆礫石在回填灌漿后滲透系數(shù)取值與襯砌保持一致?？紤]到管片襯砌落后開(kāi)挖掌子面進(jìn)行支護(hù)，選取距模型端面200 m位置作為監(jiān)測(cè)斷面，具體位置及TBM開(kāi)挖示意圖如圖2所示。

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

圖2 模型監(jiān)測(cè)斷面位置及TBM開(kāi)挖示意圖

2.2 仿真計(jì)算分析過(guò)程

本文采用以下步驟進(jìn)行TBM隧洞開(kāi)挖支護(hù)、運(yùn)行充水到檢修排水全過(guò)程的滲流場(chǎng)數(shù)值模擬，具體為：

1) 依據(jù)地下水勘測(cè)資料，構(gòu)造初始滲流場(chǎng)；

2) 隧洞TBM開(kāi)挖，TBM每一計(jì)算步(每天)推進(jìn)20 m，開(kāi)挖后隧洞洞壁水壓力驟降為0 MPa；

3) 考慮掌子面距離管片安裝距離較遠(yuǎn)以及豆礫石回填與灌漿延后時(shí)機(jī)效應(yīng)，設(shè)定管片襯砌距離掌子面60 m時(shí)方起到阻水作用，此時(shí)襯砌內(nèi)表面水壓力為0 MPa；

4) 模擬運(yùn)行充水過(guò)程，設(shè)定充水速度為1 m/h，直至內(nèi)水壓力73 m水頭并穩(wěn)定一段時(shí)間(足夠長(zhǎng)以保證孔壓穩(wěn)定)；

5) 模擬檢修期排水放空，設(shè)定排水速度為1 m/h，逐步降低襯砌內(nèi)表面的水壓力，直至0 MPa。

3 隧洞圍巖內(nèi)水壓力分布特征

3.1 施工期

本文在構(gòu)造初始滲流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)深埋水工隧洞滲流場(chǎng)孔壓分布的時(shí)間變化歷程，按照施工期、運(yùn)行期和檢修期的隧洞全過(guò)程周期進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于施工期，從隧洞整體滲流場(chǎng)分布來(lái)看，隧洞開(kāi)挖后，隧洞周邊圍巖包括掌子面前方未開(kāi)挖部分的孔壓降低，在襯砌支護(hù)后，襯砌逐步發(fā)揮阻水作用，隧洞周邊孔壓有所回升，見(jiàn)圖3。在監(jiān)測(cè)斷面位置，從開(kāi)挖后0(初始狀態(tài))，8，13，18和33 d洞周水平方向和鉛直方向的孔壓分布(圖4)可以看出：在管片襯砌支護(hù)未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前(=0~13 d)，洞周孔壓逐漸降低，襯砌支護(hù)后隧洞周邊各特征點(diǎn)的孔壓逐漸升高。在水平方向，離隧洞距離越遠(yuǎn)，孔隙水壓力降低幅度越小，在距離隧洞5倍洞徑范圍內(nèi)，孔壓變化劇烈，滲流場(chǎng)穩(wěn)定后，在距離隧洞25倍洞徑范圍內(nèi)，孔壓降低幅度約90%；在鉛直方向，襯砌支護(hù)后，隨著距頂拱鉛直距離逐漸增大，洞頂孔壓先急劇增大再逐漸減小至0 MPa，滲流場(chǎng)穩(wěn)定后，襯砌頂拱外浸潤(rùn)面高度從初始狀態(tài)的193.62 m變化為179.70 m。

/d：(a) 4；(b) 13

圖3 施工期隧洞縱剖面的孔壓分布云圖

Fig. 3 Pore water pressure cloud charts of tunnel profile during construction period

(a) 水平方向；(b) 鉛直方向/d：1—0；2—8；3—13；4—18；5—33。

圖4 施工期隧洞水平和鉛直方向的孔壓分布

Fig. 4 Pore water pressure distribution along tunnel horizontal and vertical direction during construction period

3.2 運(yùn)行期

對(duì)于運(yùn)行期，在內(nèi)水壓力作用下，襯砌發(fā)生朝向洞外的變形，各管片襯砌間縱縫的張開(kāi)，導(dǎo)致襯砌的滲透系數(shù)增大。然而，當(dāng)充水過(guò)程比較緩慢或者管片間止水部分失效時(shí)，作用在襯砌上的內(nèi)水壓力將大幅減小，對(duì)襯砌滲透系數(shù)的影響程度可忽略不計(jì)。因而，本節(jié)擬定2種計(jì)算工況：方案YX-1，考慮管片襯砌變形對(duì)滲透系數(shù)的耦合作用，襯砌滲透系數(shù)隨著充水過(guò)程逐漸增大；方案YX-2，不考慮充水過(guò)程對(duì)襯砌滲透系數(shù)的影響，襯砌的滲透系數(shù)取8×10?8 m/s并保持不變。假定隧洞充水速度為1 m/h，最大內(nèi)水壓力為0.73 MPa。2種計(jì)算方案對(duì)應(yīng)的襯砌滲透系數(shù)取值如圖5所示。

1—方案YX-1；2—方案YX-2。

圖5 運(yùn)行期不同方案下襯砌滲透系數(shù)變化

Fig. 5 Variation of lining permeability under different conditions during operation period

1) 方案YX-1。隧洞充水運(yùn)行后，洞周滲流場(chǎng)在水平方向和鉛直方向上分布情況基本與施工期一致。在考慮襯砌滲透系數(shù)隨充水過(guò)程逐漸增大時(shí)，隧洞周邊孔壓隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，原因在于：在剛開(kāi)始充水的一段時(shí)間內(nèi)，襯砌的滲透系數(shù)隨著內(nèi)水壓力的增大而增大，襯砌的阻水作用降低，且此階段隧洞內(nèi)的水壓力數(shù)值尚小，襯砌外滲透水壓力向內(nèi)消散；當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.3 MPa時(shí)，襯砌滲透系數(shù)較大，內(nèi)外表面水壓差較小，此時(shí)內(nèi)水壓力的繼續(xù)增大導(dǎo)致襯砌外孔隙水壓力逐漸增大，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

2) 方案YX-2。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)保持不變時(shí)，隧洞洞周特征點(diǎn)孔壓隨時(shí)間變化情況如圖7所示。此時(shí)在充水過(guò)程中，由于管片襯砌的滲透系數(shù)不變，襯砌內(nèi)外表面水壓差保持不變，隨著襯砌內(nèi)表面的水壓力升高，襯砌外的水壓力也逐漸增大，在隧洞水平方向和鉛直方向上的孔隙水壓力隨時(shí)間均勻增大，滲流場(chǎng)自由面逐漸抬高。

3.3 檢修期

在檢修排水過(guò)程中，隧洞內(nèi)水壓力逐漸減小，在外水壓力作用下管片襯砌向內(nèi)變形，可能出現(xiàn)各管片間縱縫收縮，此時(shí)襯砌的滲透系數(shù)隨著內(nèi)水壓力的減小而逐漸減小。選取JX-1和JX-2 2種計(jì)算方案，其中襯砌滲透系數(shù)分別隨排水過(guò)程逐漸減小和保持不變。假定隧洞排水速度為1 m/h，初始內(nèi)水壓力為0.73 MPa，2種計(jì)算方案對(duì)應(yīng)的襯砌滲透系數(shù)如圖8所示。

1) 方案JX-1。在檢修期排水階段，考慮襯砌滲透系數(shù)逐漸減小，在開(kāi)始排水的一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)水壓力逐漸減小，襯砌外壓透過(guò)襯砌的滲流路徑逐漸消散，且此階段逐漸減小的襯砌滲透系數(shù)仍處于一個(gè)較大值，內(nèi)外表面水壓差較小，因而襯砌外的孔隙水壓力持續(xù)下降；當(dāng)內(nèi)水壓力小于0.4 MPa時(shí)，襯砌的滲透系數(shù)繼續(xù)減小，阻水作用越來(lái)越顯著，致使襯砌外水壓力逐漸升高。在此工況下，隧洞周邊孔隙水壓力呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，洞周水平方向和鉛直方向特征點(diǎn)孔壓隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖9。

(a) 水平方向；(b) 鉛直方向F/h：1—0；2—10；3—30；4—50；5—73。

圖6 運(yùn)行期隧洞水平和鉛直方向的孔壓分布(方案YX-1)

Fig. 6 Pore water pressure distribution along tunnel horizontal and vertical direction during operation period under condition YX-1

(a) 水平方向；(b) 鉛直方向F/h：1—0；2—10；3—30；4—50；5—73。

圖7 運(yùn)行期隧洞水平和鉛直方向的孔壓分布(方案YX-2)

Fig. 7 Pore water pressure distribution along tunnel horizontal and vertical direction during operation period under condition YX-2

1—方案JX-1；2—方案JX-2。

圖8 檢修期不同方案下襯砌滲透系數(shù)變化

Fig. 8 Variation of the lining permeability under different conditions during maintenance period

2) 方案JX-2。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)保持不變時(shí)，隧洞滲流場(chǎng)孔壓隨時(shí)間變化情況如圖10所示。在排水過(guò)程中，受襯砌滲透系數(shù)不變影響，襯砌內(nèi)外表面水壓差保持不變；隨著內(nèi)水壓力逐漸減小，在隧洞水平方向和鉛直方向上各特征點(diǎn)的孔隙水壓力隨時(shí)間均勻減小，滲流場(chǎng)自由面逐漸降低。

(a) 水平方向；(b) 鉛直方向d/h：1—0；2—20；3—40；4—60；5—73。

圖9 檢修期隧洞水平和鉛直方向的孔壓分布(方案JX-1)

Fig. 9 Pore water pressure distribution along tunnel horizontal and vertical direction during maintenance period under condition JX-1

(a) 水平方向；(b) 鉛直方向d/h：1—0；2—20；3—40；4—60；5—73。

圖10 檢修期隧洞水平和鉛直方向的孔壓分布(方案JX-2)

Fig. 10 Pore water pressure distribution along tunnel horizontal and vertical direction during maintenance period under condition JX-2

4 隧洞全過(guò)程時(shí)間效應(yīng)

當(dāng)施工期隧洞開(kāi)挖速度為20 m/d時(shí)，10 d后掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面，管片襯砌延后3 d支護(hù)完成(豆礫石回填及灌漿完畢)，運(yùn)行期和檢修期考慮充排水過(guò)程中管片襯砌的滲透系數(shù)隨時(shí)間變化，充/排水速度均設(shè)定為1 m/h，選取監(jiān)測(cè)斷面位置隧洞右側(cè)邊墻水平坐標(biāo)為2.6，5.0，20.0和53.3 m的4個(gè)特征點(diǎn)，繪制其全過(guò)程周期內(nèi)孔隙水壓力隨時(shí)間動(dòng)態(tài)演化過(guò)程(圖11)，分析隧洞開(kāi)挖期、運(yùn)行期和檢修期全過(guò)程周期的滲流場(chǎng)變化情況。

在隧洞掌子面開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面之前，開(kāi)挖臨空面排水邊界導(dǎo)致特征點(diǎn)孔壓逐步下降，掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖前1 d(距離20 m)距離時(shí)，孔壓降低幅度達(dá)到23%左右；到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面位置時(shí)，孔壓迅速下降，由于襯砌延后3 d完成支護(hù)，此時(shí)受開(kāi)挖排水邊界和已支護(hù)襯砌阻水作用的影響，隧洞周邊孔壓先緩慢下降后回升；掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面3 d(襯砌支護(hù))后，襯砌外孔壓迅速增大，在襯砌支護(hù)5 d后隧洞各特征點(diǎn)的孔壓變化率小于1%，孔壓趨于穩(wěn)定。在運(yùn)行期充水過(guò)程中，管片襯砌滲透系數(shù)逐漸增大導(dǎo)致其阻水作用減弱，襯砌內(nèi)外表面水壓差逐漸減小，因而受襯砌滲透性能和內(nèi)外水壓力控制，隧洞周邊特征點(diǎn)孔壓先減小后增大到某一數(shù)值后保持穩(wěn)定。在檢修期放空排水過(guò)程中，內(nèi)水壓力減小導(dǎo)致外壓向內(nèi)消散，且管片襯砌滲透系數(shù)逐漸減小使得襯砌阻水作用愈加明顯，洞周孔壓先逐漸減小后逐步回升至一穩(wěn)定數(shù)值。同時(shí)，可以看出，在全過(guò)程周期中，隧洞外圍的1等4個(gè)特征點(diǎn)的孔壓演化規(guī)律基本一致。

圖11 隧洞施工期、運(yùn)行期和檢修期全過(guò)程周期滲流場(chǎng)變化圖

5 結(jié)論

1) 在TBM隧洞動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程中，隧洞周邊孔壓呈現(xiàn)出隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特征，即開(kāi)挖后隧洞周邊孔壓隨著開(kāi)挖的推進(jìn)逐漸降低，并在掌子面足夠遠(yuǎn)時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)管片襯砌支護(hù)完成后，隧洞外圍孔壓逐漸回升。

2) 在運(yùn)行期充水和檢修期放空排水過(guò)程中，管片襯砌滲透系數(shù)隨內(nèi)水壓力的變化而變化，當(dāng)滲透系數(shù)增大時(shí)，襯砌阻水作用減小，內(nèi)外表面水壓差減??；隧洞周邊孔壓受襯砌滲透性能和內(nèi)外水壓力控制，表現(xiàn)為先逐漸減小后逐步回升到某一數(shù)值后保持穩(wěn)定。

3) TBM隧洞開(kāi)挖、襯砌支護(hù)、充水運(yùn)行以及檢修排水全過(guò)程周期中的滲流場(chǎng)演化規(guī)律具有明顯的動(dòng)態(tài)變化特征，不同于傳統(tǒng)研究中針對(duì)某一獨(dú)立時(shí)期的滲流分析成果，具有較好的銜接性和連續(xù)性。

[1] 張鏡劍, 傅冰駿. 隧道掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)應(yīng)用的進(jìn)展[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 26(2): 226?238. ZHANG Jingjian, FU Bingjun. Advances in tunnel boring machine application in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 226?238.

[2] FU Bingjun, GRASSO P, XU Shulin. Construction of underground hydraulic structures and TBM technology in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(9): 1521?1526.

[3] 趙大洲, 景來(lái)紅, 楊維九. 南水北調(diào)西線工程深埋長(zhǎng)隧洞管片襯砌結(jié)構(gòu)受力分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(20): 3679?3684. ZHAO Dazhou, JING Laihong, YANG Weijiu. Numerical analysis of segment linings in deep and long tunnels of west route of south-tu-north water transfer project[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(20): 3679?3684.

[4] 佘成學(xué), 張龍. 管片襯砌承擔(dān)高內(nèi)水壓力的可行性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(7): 1442?1447. SHE Chengxue, ZHANG Long. Feasibility analysis of prefabricated concrete segment lining in tunnel under high inner water pressure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(7): 1442?1447.

[5] 周建軍, 楊振興. 深埋長(zhǎng)隧道TBM施工關(guān)鍵問(wèn)題探討[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(S2): 299?305. ZHOU Jianjun, YANG Zhenxing. Discussion on key issues of TBM construction for long and deep tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(S2): 299?305.

[6] YOO C, ASCE A M. Interaction between tunneling and groundwater-numerical investigation using three dimensional stress-pore pressure coupled analysis[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(2): 240?250.

[7] SHIN J H, ADDENBROOKE T I, POTTS D M. A numerical study of the effect of groundwater movement on long-term tunnel behavior[J]. Géotechnique, 2002, 52(6): 391?403.

[8] SHIN H, YOUN D, CHAE S, et al. Effective control of pore water pressures on tunnel linings using pin-hole drain method[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2009, 24(5): 555?561.

[9] 陳衛(wèi)忠, 伍國(guó)軍, 戴永浩, 等. 錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞穩(wěn)定性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(8): 1184?1190. CHEN Weizhong, WU Guojun, DAI Yonghao, et al. Stability analysis of diversion tunnel for Jinping Hydropower Station[J]. Chinese Journal of Geotechnic al Engineering, 2008, 30(8): 1184?1190.

[10] 杜小凱, 任青文, 陳偉. 有壓引水隧洞內(nèi)水外滲作用研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版), 2008, 40(5): 63?68. DU Xiaokai, REN Qingwen, CHEN Wei. Study on the effect of seepage from underground hydraulic tunnel under high internal water pressure[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2008, 40(5): 63?68.

[11] KASPER T, MESCHKE G N. A 3D finite element simulation model for TBM tunnelling in soft ground[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2004, 28(14): 1441?1460.

[12] 原華, 張慶賀, 胡向東, 等. 大直徑越江盾構(gòu)隧道各向異性滲流應(yīng)力耦合分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(10): 2130?2137. YUAN Hua, ZHANG Qinghe, HU Xiangdong, et al. Analysis of coupled anisotropic seepage and stress of large diameter river-crossing shield tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10): 2130?2137.

[13] 賈善坡, 陳衛(wèi)忠, 于洪丹, 等. 滲流-應(yīng)力耦合作用下深埋黏土巖隧道盾構(gòu)施工特性及其動(dòng)態(tài)行為研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(S1): 2681?2691. JIA Shanpo, CHEN Weizhong, YU Hongdan, et al. Study of construction characteristics and dynamic behavior of deep clay stone during shield tunneling under seepage-stress coupling effect[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(S1): 2681?2691.

[14] RUTQVIST J, B?RGESSON L, CHIJIMATSU M, et al. Modeling of damage, permeability changes and pressure responses during excavation of the TSX tunnel in granitic rock at URL, Canada[J]. Environmental Geology, 2009, 57(6): 1263?1274.

[15] 陳衛(wèi)忠, 楊建平, 楊家?guī)X, 等. 裂隙巖體應(yīng)力滲流耦合模型在壓力隧洞工程中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(12): 2384?2391. CHEN Weizhong, YANG Jianping, YANG Jialing, et al. Hydromechanical coupled model of jointed rock mass and its application to pressure tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(12): 2384?2391.

[16] 劉仲秋, 章青. 考慮滲流–應(yīng)力耦合效應(yīng)的深埋引水隧洞襯砌損傷演化分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(10): 2147?2153. LIU Zhongqiu, ZHANG Qing. Damage evolution analysis of permeable lining of deep diversion tunnel based on seepage-stress coupling theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 2147?2153.

[17] 劉印, 張冬梅, 黃宏偉. 盾構(gòu)隧道局部長(zhǎng)期滲水對(duì)隧道變形及地表沉降的影響分析[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(1): 290?298. LIU Yin, ZHANG Dongmei, HUANG Hongwei. Influence of long-term partial drainage of shield tunnel on tunnel deformation and surface settlement[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(1): 290?298.

[18] 張冬梅, 黃宏偉, 楊峻. 襯砌局部滲流對(duì)軟土隧道地表長(zhǎng)期沉降的影響研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2005, 27(12): 1430?1436. ZHANG Dongmei, HUANG Hongwei, YANG Jun. Influence of partial drainage of linings on long-term surface settlement over tunnels in soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(12): 1430?1436.

[19] 周濟(jì)民, 何川, 張?jiān)? 鐵路隧道管片襯砌承受高水壓分界值研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(10): 1583?1589. ZHOU Jimin, HE Chuan, ZHANG Zeng. Boundary value of high hydraulic pressure upon segment lining in railway tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(10): 1583?1589.

[20] MAIR R J. Tunnelling and geotechnics: new horizons[J]. Géotechnique, 2008, 58(9): 695?736.

[21] 紀(jì)佑軍, 劉建軍, 程林松. 考慮流—固耦合的隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(4): 1229?1233. JI Youjun, LIU Jianjun, CHENG Linsong. Numerical simulation of tunnel excavation considering fluid solid coupling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(4): 1229?1233.

[22] 吳夢(mèng)喜. 飽和?非飽和土中滲流Richards方程有限元算法[J]. 水利學(xué)報(bào), 2009, 40(10): 1274?1279. WU Mengxi. Finite-element algorithm for Richards’ equation for saturated-unsaturated seepage flow[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(10): 1274?1279.

[23] ZHOU Yafeng, SU Kai, WU Hegao. Hydro-mechanical interaction analysis of high pressure hydraulic tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 47: 28?34.

[24] DL/T 5195—2004, 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. DL/T 5195—2004, Specification for design of hydraulic tunnel[S].

[25] 周亞峰, 蘇凱, 伍鶴皋. 水工隧洞鋼筋混凝土襯砌外水壓力取值方法研究[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(S2): 198?203. ZHOU Yafeng, SU Kai, WU Hegao. Study of external water pressure estimation method for reinforced concrete lining of hydraulic tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(S2): 198?203.

(編輯 楊幼平)

Dynamic evolution mechanism of seepage in deep-buried TBM tunnel

ZHOU Yafeng1, 2, SU Kai1, WU Hegao1

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University, Wuhan 430072, China;2.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, China)

Given the dynamic tunnelling characteristics of TBM tunnel, the construction process of tunnel excavation, segments support and pea gravel grouting was simulated under the dynamic hydraulic boundary condition along with time. Considering that the permeability of segment lining changes with the high internal and external water pressure during the water filling and drainage process, an equivalent permeability based on the cubic law and the opening between lining segments was introduced to reflect the influence of structural deformation on the seepage property of segment lining. Thus an equivalent coupled model was proposed and developed by the secondary development in the finite element software ABAQUS. The simulation analysis of deep-buried TBM tunnel during the whole process of the tunnelling, segment lining support, water filling operation and drainage maintenance period were carried out. The results show that during the dynamic tunnelling process, the pore water pressure around the tunnel decreases with the excavation of the tunnel face firstly, and then increases gradually after the segment lining support. Furthermore, the pore water pressure changes dramatically in the scope of 5 times tunnel diameters, and the range of excavation impact is about 25 times tunnel diameters. After considering the variation of the segment lining permeability along with the water filling and drainage process, the seepage field shows obvious dynamic varying characteristic and the pore water pressure presents the pattern of increasing first and then decreasing.

TBM tunnel; seepage; pore water pressure; time effect; secondary development

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.035

TV672.1

A

1672?7207(2016)12?4231?09

2015?12?25；

2016?04?09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579194)(Projects(51579194) supported by the National Natural Science Foundation of China)

蘇凱，博士，副教授，從事地下工程與壓力管道的研究；E-mail：suker8044@163.com