羅緯邦 鄭理峰 鄒佳成

(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830001； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

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·橋梁·隧道·

富水軟巖隧道滲流場(chǎng)分布規(guī)律及涌水量研究

羅緯邦1鄭理峰2鄒佳成3

(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830001； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

利用Flac3D有限差分軟件滲流模塊，基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆孔實(shí)測(cè)滲流參數(shù)和地下水位線，建立三維地質(zhì)滲流數(shù)值模型，研究了隧道圍巖初始狀態(tài)下的地下水滲流場(chǎng)分布規(guī)律、隧道開挖前后滲流場(chǎng)變化規(guī)律以及施工期隧道涌水量，模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)裂隙發(fā)育、富水地層地下工程防排水設(shè)計(jì)具有參考意義。

隧道工程，富水軟巖，滲流場(chǎng)，涌水量

0 引言

在富水軟巖地層中山嶺隧道開挖時(shí)，工程地質(zhì)條件往往很復(fù)雜，時(shí)常出現(xiàn)巖溶、破碎帶等不良地質(zhì)，這種狀況下，地下水問(wèn)題尤其是高水壓?jiǎn)栴}是建設(shè)者無(wú)法回避的重要問(wèn)題之一[1]。目前評(píng)價(jià)隧道地下水環(huán)境與預(yù)測(cè)隧道涌水量的方法主要有解析計(jì)算方法[2]和數(shù)值計(jì)算方法[3]，解析方法對(duì)模型邊界以及地層規(guī)整程度具有苛刻的要求，而數(shù)值模擬可以應(yīng)付更復(fù)雜的滲流邊界，應(yīng)用范圍更加廣闊，所得結(jié)果也更符合工程實(shí)際[4]。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆孔實(shí)測(cè)參數(shù)和地下水位線，利用Flac3D有限差分軟件滲流模塊[5]，建立三維滲流分析模型，提出了隧址區(qū)天然狀態(tài)下地下水滲流場(chǎng)分布規(guī)律、隧道開挖前后滲流場(chǎng)變化規(guī)律以及施工期隧道涌水量，模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)裂隙發(fā)育、富水地層地下工程防排水設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 隧址區(qū)地質(zhì)水文條件

根據(jù)隧洞通過(guò)區(qū)出露的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合含水介質(zhì)的不同，將測(cè)區(qū)地下水分為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。

隧址區(qū)水文地質(zhì)條件見圖1，因受構(gòu)造的影響，加之大理巖性脆、易溶等特點(diǎn)，裂隙節(jié)理較發(fā)育，因地下水滲流作用沿節(jié)理面產(chǎn)生溶蝕效應(yīng)，地質(zhì)調(diào)查探測(cè)到存在8處溶洞，2處為有水溶洞，下游有水溶洞測(cè)得流量為320 m3/d～775 m3/d，受大氣降水影響程度較大，諸多因素給地下水的賦存運(yùn)移創(chuàng)造了良好的條件。

2 數(shù)值建模與計(jì)算方案

2.1 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

隧址區(qū)三維滲流模型圖見圖2，滲流計(jì)算模型采用Flac3D內(nèi)置的fl_iso模型。在隧道施工過(guò)程中，模型整體的外部滲流邊界條件為河流邊界和分水嶺邊界，地層表面是水壓力為0自由面。模型水壓力梯度根據(jù)地質(zhì)鉆孔實(shí)測(cè)水壓力值插值給定，模型內(nèi)部水壓力值自上而下遞增。隧道開挖時(shí)，將開挖臨空面地下水壓力設(shè)置為零，用以模擬隧道開挖后的滲流通道特性。

圍巖物理力學(xué)與滲透系數(shù)以地質(zhì)鉆孔實(shí)測(cè)值為依據(jù)，具體參數(shù)取值見表1。

表1 隧洞圍巖物理力學(xué)與滲透系數(shù)

圍巖類別重度r/kN·m-3彈模E/GPa泊松比v滲透系數(shù)/m·s-1Ⅲ類24.57.30.281.2×10-5Ⅳ類22.03.10.36.5×10-5Ⅴ類21.51.20.351.5×10-4

2.2 計(jì)算方案

數(shù)值計(jì)算方案包括：1)初始滲流場(chǎng)計(jì)算；2)無(wú)襯砌無(wú)注漿隧洞開挖；3)有襯砌無(wú)注漿隧道開挖；4)1 m，2 m，3 m，4 m，5 m注漿深度隧道開挖方案；5)不同圍巖與注漿圈和襯砌滲透系數(shù)之比條件下的隧道開挖方案。

3 滲流場(chǎng)分布規(guī)律分析

3.1 初始狀態(tài)下地下水滲流場(chǎng)

建立三維滲流分析模型，通過(guò)計(jì)算得出施工前隧道圍巖初始滲流場(chǎng)分布情況。隧址區(qū)三維模型初始滲流場(chǎng)剖面見圖3，數(shù)值模型計(jì)算的地下水位線與圖1的地質(zhì)鉆孔實(shí)測(cè)水位線基本一致。圖4為不同類別圍巖(Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類)的滲流場(chǎng)分布圖的典型截面，初始無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)下，圍巖滲流場(chǎng)分布基本符合靜水應(yīng)力場(chǎng)；巖體中最大流速為 4.45×10-6m/s，當(dāng)巖體中滲透系數(shù)較大時(shí)，巖體流速有所增加。

3.2 隧道開挖前后滲流場(chǎng)變化規(guī)律

通過(guò)未注漿開挖滲流場(chǎng)水壓力圖(如圖5所示)可以看出，因隧道隧洞，開挖臨空面成為排水通道，地下水壓力等值線由初始滲流場(chǎng)的平行直線組變成凹陷的非平行曲線組，開挖對(duì)隧道下方滲流場(chǎng)影響較小，對(duì)隧道上方滲流場(chǎng)影響較大。

通過(guò)典型斷面水壓力分布圖表明，距離隧道中心越近地下水壓力變化趨勢(shì)越明顯，隧道開挖對(duì)圍巖初始滲流場(chǎng)的影響范圍為150 m以內(nèi)，約20倍隧洞直徑。

3.3 不同計(jì)算方案條件下隧道涌水量分析

不同計(jì)算方案條件下隧道涌水量見圖6，拱頂不同圍巖深度孔隙水壓力分布見表2，計(jì)算結(jié)果表明：注漿措施應(yīng)對(duì)隧道涌水非常有效，不僅減小了涌水量，而且有效降低襯砌外水壓力，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；無(wú)注漿條件下，襯砌背后承受的水壓力約0.7 MPa，隨著注漿深度增加，襯砌后側(cè)的水壓力明顯下降，注漿深度2 m和注漿深度4 m，水壓力值相差約20%。

表2 拱頂不同圍巖深度孔隙水壓力分布

圖7是隧道涌水量與注漿圈及襯砌滲透性的關(guān)系曲線，固定注漿圈厚度時(shí)，隨著注漿圈滲透系數(shù)的降低，隧道涌水量減小，當(dāng)注漿圈滲透性達(dá)到一定程度時(shí)，例如，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)降低到圍巖的5%，減小隧道涌水量的效果不再明顯，因此，通過(guò)注漿調(diào)整圍巖滲透系數(shù)有一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理區(qū)間。另外，若不采用注漿堵水方案，僅依靠調(diào)整襯砌透水性達(dá)到堵水作用是不經(jīng)濟(jì)的，即使襯砌滲透系數(shù)降低到非常小(圍巖滲透系數(shù)的1.25%)，涌水量并不能大幅減小，而將注漿堵水和襯砌堵水結(jié)合起來(lái)明顯更經(jīng)濟(jì)合理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Flac3D有限差分軟件滲流模塊，基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆孔實(shí)測(cè)滲流參數(shù)和地下水位線，建立三維地質(zhì)滲流數(shù)值模型，研究了隧道圍巖初始狀態(tài)下的地下水滲流場(chǎng)分布規(guī)律、隧道開挖前后滲流場(chǎng)變化規(guī)律以及施工期隧道涌水量。計(jì)算結(jié)果表明：

1)因隧道隧洞，開挖臨空面成為排水通道，地下水壓力等值線由初始滲流場(chǎng)的平行直線組變成凹陷的非平行曲線組，距離隧道中心越近地下水壓力變化趨勢(shì)越明顯，影響范圍約20倍洞徑；

2)注漿措施應(yīng)對(duì)隧道涌水非常有效，不僅減小了涌水量，而且有效降低襯砌外水壓力，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

3)若不采用注漿堵水，僅依靠調(diào)整襯砌透水性堵水是可行的，即使襯砌滲透系數(shù)降低到非常小，隧道涌水量并不能大幅減小，將注漿堵水和襯砌堵水結(jié)合起來(lái)明顯更經(jīng)濟(jì)合理。

[1] 陳英姿.大坳隧道隧址區(qū)滲流場(chǎng)與隧道涌水量數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)[D].成都：成都理工大學(xué),2014.

[2] 吳樹清.隧道圍巖高滲流帶涌水量預(yù)測(cè)及處置原則[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2013.

[3] 李鵬飛,張頂立,周 燁.隧道涌水量的預(yù)測(cè)方法及影響因素研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(4):11-15.

[4] 王建秀，朱合華，葉為民.隧道涌水量的預(yù)測(cè)及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(7):1150-1153.

[5] Itasca Consulting Group，Inc.Fast Lanrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions[R].2011：2-6.

Research on the distribution law of seepage field and water inflow of water-rich soft rock tunnel

Luo Weibang1Zheng Lifeng2Zou Jiacheng3

(1.XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower，Urumqi830001，China； 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China; 3.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083，China)

The paper adopts the finite difference software seepage model of Flac3D, establishes the three-dimension geological seepage numeric model based on the measured seepage parameter and underground water line of the site geological drilling, researches the distribution law of the underground water seepage field under the initial status of the tunnel surrounding rock, and indicates the change law for the seepage law before and after the tunnel excavation and the water inflow during the construction, so as to provide some reference for the waterproof and drainage design of the underground projects with cracks and rich stratums by the simulation calculation results.

tunnel project, water-rich soft rock, seepage field, water inflow

1009-6825(2017)15-0143-03

2017-03-18

羅緯邦(1965- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師

U456.32

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