夏 偉，符文熹，趙 敏

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065 3.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610066)

0 引 言

我國交通、水電、礦山等工程中地下開挖引起的涌突水及伴生的圍巖穩(wěn)定安全問題日益突出，學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)地下洞室涌突水機(jī)理、地下滲流與區(qū)域水力聯(lián)系之間內(nèi)在聯(lián)系、流固耦合等問題十分關(guān)注。一些學(xué)者對(duì)隧道工程與周圍水環(huán)境的相互作用進(jìn)行了深入的分析[1-4]，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3] 對(duì)降落漏斗的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隧道長(zhǎng)期排水會(huì)形成較大規(guī)模的降落漏斗；文獻(xiàn)[4]對(duì)引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞施工過程中的突涌水問題進(jìn)行了研究， 處理措施以排為主，在限量排放的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿封堵、加固。文獻(xiàn)[5]結(jié)合石板山隧道工程，確定了隧道與地下水環(huán)境相互作用過程中的4個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)和5 類評(píng)價(jià)指標(biāo)。近年來，隧道涌水量預(yù)測(cè)新方法也不斷提出，文獻(xiàn)[6]和[7]利用保角映射技術(shù)，推導(dǎo)出有穩(wěn)態(tài)地下水補(bǔ)給的圓形排水隧道涌水量的解析表達(dá)式；文獻(xiàn)[8]在原有預(yù)測(cè)涌水量方法的基礎(chǔ)上，提出了滲流與應(yīng)力耦合環(huán)境下裂隙圍巖隧道涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算的水文地質(zhì)數(shù)值模擬法；文獻(xiàn)[9]提出了一種動(dòng)態(tài)模擬隧道掘進(jìn)過程中引起的暫態(tài)水文地質(zhì)條件的數(shù)值方法。此外，巖體滲透系數(shù)是隧洞近場(chǎng)滲流場(chǎng)分析與工程防滲設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，文獻(xiàn)[10]高壓條件下巖體滲透系數(shù)取值方法進(jìn)行了研究。

常用的隧道滲流計(jì)算有解析法、數(shù)值法和物理模型試驗(yàn)法。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)隧道圍巖中滲透力的解析表達(dá)式，并應(yīng)用解析方法研究隧道半徑和埋深對(duì)滲流的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前對(duì)數(shù)值模擬提出了更高的要求，文獻(xiàn)[12]應(yīng)用巖體非連續(xù)介質(zhì)滲流的研究成果，模擬了新七道梁隧道各種工況地下水的滲流特性以及地表水體的水位變化；文獻(xiàn)[13]利用數(shù)值法研究了隧道開挖滲流與應(yīng)力耦合問題，得到變形和滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。然而，僅用解析法、數(shù)值模擬技術(shù)尚不夠，還需結(jié)合物理模型試驗(yàn)進(jìn)行相互印證才更具說服力。因此，合理設(shè)計(jì)研制物理模型裝置，更加準(zhǔn)確地模擬工程現(xiàn)場(chǎng)，研究隧道開挖過程中地下水滲流和涌水隨時(shí)間的變化以及受水文地質(zhì)條件的影響，已成為當(dāng)前新的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)實(shí)際工程也有重要指導(dǎo)。

隧道圍巖往往是孔隙、裂隙和溶孔組成的多空隙組合介質(zhì)。本文依托新建成都—蘭州鐵路(成蘭鐵路)躍龍門隧道工程，通過配制與現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件一致且滲流能力等效的材料，設(shè)計(jì)并建造物理模型，對(duì)巖體主要裂隙傾角分別為0°和60°兩種傾角共8種工況進(jìn)行了模型試驗(yàn)，觀察和分析了多空隙組合介質(zhì)隧道開挖前后周圍地下水變化及涌水量隨時(shí)間的變化特征。

躍龍門隧道途經(jīng)安縣、茂縣穿越龍門山，是一座深埋長(zhǎng)隧道，雙隧道線路，左線長(zhǎng)19 974.3 m、右線長(zhǎng)20 044.0 m，最大埋深1 445 m，埋深超過500 m的長(zhǎng)度達(dá)15.5 km。隧址區(qū)直接遭受了2008年“5·12汶川特大地震”的強(qiáng)烈地震慣性力擾動(dòng)。地質(zhì)勘察和施工期間隧道地質(zhì)表明，斷裂裂隙發(fā)育，巖層層面受地震動(dòng)力作用錯(cuò)動(dòng)明顯，可溶巖地段的溶蝕特征顯著。顯然，隧道圍巖水文地質(zhì)可看作是平板窄縫流和圓孔滲流組合。隧道洞口段K94斷面圍巖的滲透能力較大，滲透系數(shù)大致0.15 m/d(即1.736×10-4cm/s)，開挖期間伴隨強(qiáng)降雨入滲作用，出現(xiàn)有較嚴(yán)重的涌突水。K94斷面處隧道埋深250 m，巖性為石灰?guī)r，巖溶特征顯著，且?guī)r層傾角約60°，地下水位距洞頂高程約100 m。本文選取K94斷面進(jìn)行隧道物理模擬滲流試驗(yàn)。

1 材料的選取及試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料的選取

建立的物理模型以滲透相似為控制條件，即現(xiàn)場(chǎng)巖體的滲透系數(shù)與模型的滲透系數(shù)一致。典型斷面K94多空隙組合圍巖介質(zhì)的滲透系數(shù)為k0=1.736×10-4cm/s。室內(nèi)試驗(yàn)常用的材料有水泥、石膏，這些材料的滲透系數(shù)較小，在模擬裂隙巖體時(shí)不易處理。而普通燒結(jié)實(shí)心黏土磚卻有應(yīng)用廣泛、取材方便、價(jià)格便宜、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具多孔多裂隙的特點(diǎn)，所以選用普通燒結(jié)磚來模擬巖石基質(zhì)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[14]，自制試驗(yàn)裝置測(cè)得普通磚的滲透系數(shù)量級(jí)為10-6cm/s，為能用普通磚鉆孔填砂來模擬原位巖體，通過磚身鉆孔后來模擬圍巖中的溶隙，使填充磚的滲透系數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)巖體的滲透系數(shù)一致。磚的堆疊則可模擬層狀巖體，裂隙傾角可模擬巖層傾角，如圖1所示。

圖1 模型整體及局部構(gòu)造圖Fig.1 Global and local structure of the model

1.2 模型設(shè)計(jì)

模型幾何比例取1∶300，以隧道軸線為中心，左右各300 m，合計(jì)600 m，對(duì)應(yīng)模型尺寸200 cm；隧道為雙向隧道，單條隧道直徑為15 m。本試驗(yàn)因?yàn)槭茄芯克淼篱_挖涌水問題，所以將兩條隧道合并為一條直徑為30 m的隧道進(jìn)行考慮，對(duì)應(yīng)模型直徑為10 cm；沿隧道軸線方向上取45 m，對(duì)應(yīng)模型尺寸15 cm；高度以隧道下端為界，向下取200 m，向上埋深為250 m，共計(jì)450 m，對(duì)應(yīng)模型尺寸150 cm，隧道下端距離模型底部67 cm。亦即，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=200 cm×15 cm×150 cm，隧道直徑10 cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w示意圖如圖1所示[15]。

模型兩側(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)×寬×高=20 cm×15 cm×150 cm的水槽，可模擬周邊庫水、地下暗河等。水槽內(nèi)側(cè)與模型接觸面在隧道底部高程以下的部分，每隔一定高度(15 cm左右)埋設(shè)通水硬質(zhì)水管，方便水在模型和水槽之間自由流通。這樣既可以使左右水位保持相等(處于對(duì)稱滲流狀態(tài))，也可以使左右水位高程不等(處于向一方滲流狀態(tài))。隧道底部高程以上的部分每隔10 cm埋設(shè)進(jìn)水管。水管靠近模型內(nèi)側(cè)端口要用紗網(wǎng)和濾紙包裹，防止進(jìn)水和出水過程中砂進(jìn)入水槽或者堵塞進(jìn)水管。

水槽底端外側(cè)預(yù)先埋設(shè)一根透明水管，長(zhǎng)度大于模型高度，沿透明管方向固定軟尺一條，方便觀測(cè)控制水槽內(nèi)的水位高程并讀數(shù)。水槽外側(cè)隧道高程以上要與內(nèi)側(cè)進(jìn)水口高程一致的對(duì)應(yīng)位置預(yù)留5個(gè)溢出孔，埋置較長(zhǎng)出水管，從而達(dá)到控制水槽內(nèi)水位高程的目的。

2 模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

通過自行建造的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了2種傾角8種工況的模型試驗(yàn)，具體工況見表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test condition

2.1 傾角60°時(shí)常水頭試驗(yàn)

因K94斷面優(yōu)勢(shì)裂隙(為巖層層面)傾角約為60°，故將經(jīng)過鉆孔處理的磚與水平方向夾角60°進(jìn)行鋪填，如圖1所示。

在填充的過程中，按照預(yù)先設(shè)計(jì)在67 cm和72 cm高程處從靠近隧道到兩側(cè)按由密到疏埋設(shè)兩排透明測(cè)壓管，以便觀察在同一時(shí)刻、同一高程處各點(diǎn)的水位情況。將待安裝的玻璃板鉆孔，直徑為6 mm，以使測(cè)壓管穿過。然后安裝上玻璃板，并用準(zhǔn)備好的玻璃膠密封玻璃和磚墻之間的縫隙，在外側(cè)澆筑混凝土加強(qiáng)密封。在靠近玻璃一側(cè)的空隙內(nèi)填充與層面具有相同擊實(shí)程度的砂。將測(cè)壓管用透明玻璃膠固定在玻璃上，并在管的旁邊布設(shè)軟尺，以方便讀數(shù)。然后制作好的軟塞用止水帶纏繞后塞入隧道，模擬隧道開挖前的狀態(tài)。

試驗(yàn)中，在隧道內(nèi)部被塞住的情況下，模型內(nèi)水位上升并逐漸保持穩(wěn)定，軟塞取出相當(dāng)于隧道開始被開挖。水從隧道涌出，隧道周圍水位隨之降低，兩邊水位維持常水頭，通過裂隙和孔隙滲流向隧道周圍補(bǔ)給。因?yàn)榈叵滤痪喽错?00 m，根據(jù)幾何相似，距隧道頂端33 cm，即水頭為110 cm。向兩側(cè)水槽緩慢注水，使模型中各測(cè)壓管內(nèi)水位均達(dá)到110 cm。

保持兩側(cè)進(jìn)水水頭不變。用一只水桶置于電子秤上去皮，準(zhǔn)備收集涌水。按下秒表計(jì)時(shí)的同時(shí)，打開隧道出口塞子，測(cè)讀出30、60、120、180、300、480、690、900、1 200、1 500、1 800、2 400、3 000 s時(shí)刻電子秤的讀數(shù)(精度為0.01 kg)。在記錄累積涌水量的同時(shí)，還要測(cè)讀相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)各測(cè)壓管的水位高程(精度為0.01 m)。

為了研究水位高程對(duì)隧道開挖涌水的影響，還進(jìn)行了水位高程為100、110和120 cm時(shí)的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。不同常水頭工況下隧道累積涌水量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。由試驗(yàn)曲線可知，隧道開挖出現(xiàn)涌水，累計(jì)水量都會(huì)隨時(shí)間而增長(zhǎng)，但整體曲線的斜率逐漸減小，開始時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)水量很大，然后呈減緩趨勢(shì)，累計(jì)水量曲線逐漸趨于漸近線。

圖2 不同常水頭工況下累計(jì)涌水量隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Change curve under the condition of different constant head cumulative inflow with time

在常水頭工況下，隨著水頭的增大，涌水的總量也在增加，如100 cm常水頭補(bǔ)給時(shí)，在3 000 s時(shí)刻的涌水累計(jì)量為22.91 kg(即22.91×10-3m3)；在120 cm常水頭補(bǔ)給時(shí)的涌水累計(jì)量為38.55 kg(即38.55×10-3m3)。而且，隨著水頭的增大，涌水達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也較晚。從圖2可看出，水頭為100 cm的累計(jì)曲線較水頭為120 cm的曲線平緩，最終達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也較早。

當(dāng)補(bǔ)給水頭為110 cm時(shí)，涌水在前1 min內(nèi)曲線陡峭，在1 800～3 000 s左右的范圍內(nèi)曲線開始趨于平緩。試驗(yàn)遵循了幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似。根據(jù)模型試驗(yàn)相似原理，時(shí)間相似常數(shù)c=幾何常數(shù)l/運(yùn)動(dòng)常數(shù)v≈10-2，考慮試驗(yàn)誤差影響，僅取量級(jí)估算。由1 800/t=10-2換算得t≈2.08 d，由3 000/t=10-2換算得t≈3.47 d，即在隧道開挖的過程中出現(xiàn)的涌水累計(jì)量會(huì)在2～3.5 d達(dá)到穩(wěn)定，速度趨于衡定。這一試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)2～4 d吻合。

圖3(a)、(b)和(c)分別是常水頭100、110和120 cm時(shí)不同時(shí)刻各點(diǎn)的水位連線圖。從圖可看出，對(duì)于同一工況，在拔出塞子前，模型內(nèi)水位高程近似直線狀態(tài)并保持穩(wěn)定。當(dāng)塞子被拔出后，伴隨隧道涌水，隧道周邊的水開始源源不斷向隧道補(bǔ)給，周圍水位下降且越靠近隧道軸線的測(cè)壓管水位下降越快。將同一高程上的各測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)刻的水位高程用平滑曲線連接起來，呈現(xiàn)兩側(cè)靠近補(bǔ)給水頭，中間明顯下凹的降落漏斗形式。這說明隧道開挖造成地下水水位降低，離隧道越近受到的影響越嚴(yán)重。在常水頭為110 cm時(shí)，根據(jù)模型比例，模型中影響范圍約為隧道軸線左右80 cm，對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離應(yīng)為240 m，與數(shù)值計(jì)算反饋結(jié)果接近。實(shí)際隧道開挖對(duì)區(qū)域水力聯(lián)系影響范圍最大約為240 m左右，影響范圍并不算大。

試驗(yàn)開始時(shí)，左端進(jìn)水口中的水向右滲流，滲流方向與主要裂隙呈鈍角，與垂直于主要裂隙的次級(jí)裂隙呈銳角，涌水速度較小，水位下降緩慢；當(dāng)滲流方向向左，情況與向右時(shí)相反，涌水速度較大，水位下降較快。所以開始時(shí)漏斗形狀向左傾斜，在滲流穩(wěn)定后，降落漏斗近似對(duì)稱分布。

根據(jù)圖(a)、(b)和(c)對(duì)比可以看出，隨著水頭的增加，隧道頂部降落的水位越高，降落漏洞更加明顯，影響范圍也在逐漸擴(kuò)大。

2.2 傾角60°時(shí)梯度試驗(yàn)

當(dāng)一側(cè)水位降低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生滲透梯度。繼續(xù)模擬隧道受一些因素影響造成一側(cè)水位下降，形成水力梯度的滲流情況。模型一側(cè)水位保持120 cm不變，將另一側(cè)水頭降至110 cm，則形成了一個(gè)梯度為0.05的滲流。與常水頭工況的試驗(yàn)操作類似，稱量各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的涌水量，并觀察記錄各時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)水位高程。試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 累計(jì)涌水量隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 The change curve of Cumulative water inflow with time

從圖4的涌水曲線可以看出，對(duì)于當(dāng)隧道兩側(cè)存在水力梯度(水頭差)時(shí)，其累計(jì)涌水量的變化趨勢(shì)與常水頭工況類似。涌水曲線在第1 min內(nèi)陡峭，涌水速率很快。當(dāng)左側(cè)水頭110 cm，右側(cè)水頭120 cm時(shí)，即梯度0.05且滲流方向向左，曲線斜率在1 800 s后基本保持不變，即涌水達(dá)到了滲透平衡；但在梯度0.05且向右滲流時(shí)，曲線斜率在2 400 s后才基本不變。所以向左滲流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較向右滲流要早。從圖中還可觀察到，在同一時(shí)刻，向左滲流時(shí)的累計(jì)涌水量大于向右滲流時(shí)的累計(jì)涌水量。3 000 s時(shí)，向左滲流的累計(jì)涌水量為33.90 kg(即33.90×10-3m3)，向右滲流的累計(jì)涌水量為31.31 kg(即31.31×10-3m3)。這是因?yàn)橄蜃鬂B流時(shí)，滲流方向與主要裂隙成銳角，與次要裂隙方向成鈍角，涌水速度快，累計(jì)涌水量較大。而向右滲流的情況恰恰相反。表明主要裂隙方向?qū)τ克绊戄^大，沿著主要裂隙方向滲流速度較快，涌水量也較大。

圖5(a), (b) 給出了梯度為0.05時(shí)向左滲流和向右滲流的水位連線圖。從圖5中可以看出，當(dāng)梯度存在時(shí)，初始時(shí)刻水位的連線近似傾斜的直線。以滲流方向向左為例，隨著隧道開挖，隧道高程以上的地下水向洞內(nèi)補(bǔ)給，形成不對(duì)稱降落漏斗，左側(cè)補(bǔ)給能力弱，水位下降較慢，右側(cè)補(bǔ)給能力強(qiáng)，曲線下降快。

圖5 兩種梯度工況不同時(shí)刻水位連線圖Fig.5 Connection diagram of water level at different time of two gradient conditions

滲流方向與主要裂隙成鈍角，與次要裂隙成銳角，導(dǎo)致隧道左側(cè)水位下降緩慢。向左滲流穩(wěn)定時(shí)的水位比向右滲流穩(wěn)定時(shí)的水位低，這與前文所說向左滲流累計(jì)涌水量比向右滲流的累計(jì)涌水量大相對(duì)應(yīng)。同樣表明了主要裂隙方向?qū)τ克休^大的影響。

2.3 傾角0°時(shí)常水頭試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究主要裂隙傾角對(duì)開挖涌水的影響，將經(jīng)過鉆孔處理的磚水平鋪填，模擬水平裂隙和垂直裂隙的情況，如圖6所示。試驗(yàn)過程與傾角60°時(shí)相同，進(jìn)行水位高程為100 cm、110 cm和120 cm的模型試驗(yàn)，不同水頭在同一高程處各點(diǎn)的水位連線圖如圖7所示。

圖6 模型水平填充圖Fig.6 Model level filling diagram

圖7 不同常水頭工況不同水位連線圖Fig.7 Connection diagram of water level at different time in different constant water head

此方案磚水平鋪填，是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從圖7(a)、(b)和(c)中可以看出，形成的降落漏斗較為對(duì)稱。通過傾角60°和傾角0°的水位連線圖比較可以看出，主要裂隙傾角對(duì)降落漏斗的形狀有較大的影響。而且隨著水頭增加，隧道的影響范圍和最大降深也在增加。

3 結(jié) 論

由于巖體裂隙和巖溶通道的存在，隧道開挖時(shí)會(huì)發(fā)生涌水。涌水問題會(huì)對(duì)工程安全和地下水環(huán)境造成不利的影響。本文開展了2種傾角8種工況的物理模型試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

(1)主要裂隙方向會(huì)對(duì)滲流產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)傾角與水流方向夾角較小時(shí)涌水現(xiàn)象較為突出。

(2)隧道開挖過程中，隧道周圍的地下水會(huì)通過滲流的方式由隧道涌出，開始時(shí)涌水速率很快，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)涌水速率減緩，最后趨于一定值。根據(jù)時(shí)間相似獲得涌水累計(jì)量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間約為2～4d，這與原觀調(diào)查結(jié)果一致。

(3)對(duì)同一種傾角，隨著兩側(cè)補(bǔ)給水頭的增加，涌水總量會(huì)增加，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。

(4)各測(cè)壓管的水位均有不同程度的下降。離隧道軸線越近的位置，水位下降越快，穩(wěn)定時(shí)刻的水位也越低。連接相同高程測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)刻的水位，形成的曲線均呈現(xiàn)降落漏斗的形狀。而且主要裂隙方向會(huì)對(duì)降落漏洞的形狀有較大的影響。

(5)根據(jù)降落漏斗的形狀及大小確定地下水位下降的深度和影響范圍。水位下降最大深度接近隧道頂部，模型中影響范圍約為隧道軸線左右80 cm，對(duì)應(yīng)實(shí)際距離為240 m。模型影響范圍與數(shù)值計(jì)算隧道開挖影響范圍較為接近。

(6)降落漏斗越低，對(duì)隧道上部植物生長(zhǎng)影響越大，因此可根據(jù)不同時(shí)刻降落漏洞的位置確定襯砌適宜的襯砌時(shí)間。

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