摘要：為研究富水巖溶隧道滲流特征，文章基于某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下的滲流特征進(jìn)行研究，得出結(jié)論：在隧道開挖后，隧道圍巖的孔隙水壓力明顯降低，且隨著距開挖面的徑向距離不斷增大，圍巖的孔隙水壓力降低程度逐漸減弱，直至接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減??；在地下水位條件相同時，巖溶管道填充物類型為粗砂時的孔隙水壓力均大于巖溶管道填充物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處時，二者差距更為明顯；隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降，且下降速度逐漸加快；隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度由快到慢依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

關(guān)鍵詞：富水巖溶隧道；巖溶管道；滲流特征；數(shù)值計(jì)算；FLAC 3D

中圖分類號：U456.3 A 38 126 4

0 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與隧道施工工藝的進(jìn)步，在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的大背景下，大量的公路、鐵路線路與城市地鐵均需要建設(shè)大量的隧道。我國隧道的數(shù)量、規(guī)模、工程條件、技術(shù)發(fā)展速度均位居世界前列［1］。我國的地形地貌千差萬別，山區(qū)面積較大，工程地質(zhì)情況極其復(fù)雜。在我國西南地區(qū)，喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特地區(qū)的巖層中含有侵蝕性很強(qiáng)的巖溶水，對該地區(qū)的可溶性巖石產(chǎn)生溶蝕作用，在該地區(qū)修建隧道時，會大大增加突水突泥和襯砌開裂變形甚至破損的風(fēng)險(xiǎn)。若隧道襯砌背后存在巖溶空腔或管道，雨季時地下水位升高，地下水匯聚到隧道襯砌背后的巖溶空腔或管道中，會產(chǎn)生巨大的水壓荷載，對隧道的襯砌結(jié)構(gòu)造成威脅。對于隧道滲流場以及隧道襯砌在水壓力作用下力學(xué)特性的研究已有了較多成果。張兵海等［2］利用鏡像法，考慮水庫水頭邊界及遠(yuǎn)場水頭邊界的影響，推導(dǎo)出滲流場的解析解，同時建立有限元模型進(jìn)行對比驗(yàn)證。馬少坤等［3］建立了有限含水層內(nèi)帶襯砌的隧道滲流模型，基于鏡像法將其轉(zhuǎn)化為無限平面內(nèi)直線多隧道滲流模型，推導(dǎo)出水頭及涌水量的解析公式，通過數(shù)值解對比驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，并研究了含水層厚度、隧道埋深比及注漿圈參數(shù)對水頭分布及隧道涌水量的影響。王剛等［4］推導(dǎo)了具有襯砌支護(hù)的深埋圓形隧洞在施工階段和運(yùn)行階段下的彈塑性解，給出了塑性半徑和襯砌圍巖應(yīng)力的公式，分析了不同因素作用對塑性半徑和襯砌圍巖應(yīng)力的影響。蘭慶男等［5］基于滲流場和應(yīng)力場的雙場耦合理論，從圍巖滲流場分布規(guī)律、襯砌結(jié)構(gòu)排水泄壓能力和力學(xué)性能等方面評價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性，研究了盲管間距對襯砌排水泄壓能力的影響。彎曉林等［6］建立了4種隧道堵排水措施下流固耦合數(shù)值計(jì)算模型，研究圍巖滲流場分布特征、隧道及周邊水壓力分布規(guī)律，通過比較不同堵排水措施下襯砌結(jié)構(gòu)水壓力和排水量，探究各種措施對高水壓環(huán)境的適應(yīng)性。任世林［7］利用Abaqus軟件建立了隧道開挖模型，依次對初始滲流場、毛洞滲流場、注漿后滲流場及施做襯砌后滲流場4種工況進(jìn)行模擬，分析滲流場的演變特征并計(jì)算其滲流量。李偉等［8］基于滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律推導(dǎo)了水壓力計(jì)算公式，分析了噴混凝土層滲透系數(shù)、單層襯砌厚度等因素對水壓力的影響規(guī)律。

鑒于此，本文依托某高速公路隧道實(shí)際工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下的滲流特征進(jìn)行研究，以期為實(shí)際隧道工程施工和后續(xù)研究提供參考。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文以某高速公路隧道實(shí)際工程為例，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下滲流特征進(jìn)行研究。隧址區(qū)的地形起伏較大，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的相對高差為250 m，地層巖性組成較為簡單，自上而下分別為：粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化閃長巖、中風(fēng)化石灰?guī)r、中風(fēng)化頁巖、全風(fēng)化花崗閃長巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、中風(fēng)化花崗閃長巖、膠結(jié)礫巖。隧址區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡單，主要以水平運(yùn)動和差異性升降為主，地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定。隧址區(qū)的地表水主要為該區(qū)域的三大水庫以及沖溝水和魚塘水；地下水主要包括松散巖土類孔隙水和碎屑巖類裂隙水兩種。

1.2 數(shù)值模型建立

本文通過FLAC 3D軟件依據(jù)實(shí)際隧道斷面建立數(shù)值模型，隧道斷面溶洞簡化后如圖1所示。

為減小由邊界效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，計(jì)算模型的尺寸為100 m×3 m×120 m，隧道埋深取50 m。模型中的豎直部分為巖溶管道模型，寬為3 m，長為50 m，建立數(shù)值模型如圖2所示。

邊界條件設(shè)置為：四周及底面約束法向位移，初始的地下水位線設(shè)在地表，為透水邊界；四周邊界設(shè)為不透水邊界，底面為固定孔隙水壓力邊界。初始地應(yīng)力場僅為重力場，豎直方向上按巖土自重考慮，隧道開挖前按照靜水壓力計(jì)算孔壓。

1.3 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

巖土的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖彈塑性模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型釆用線彈性模型。結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3370.1-2018），選取的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2 巖溶管道不同類型填充物不同水位下的滲流特征

2.1 數(shù)值計(jì)算方案

為研究不同巖溶管道填充物類型不同地下水位條件下隧道滲流場的情況，本節(jié)設(shè)置了12種不同的計(jì)算工況，如表2所示。

2.2 開挖后滲流場變化的基本特征

為研究隧道開挖后的滲流場變化特征，以工況3和工況4（即地下水位線在地表、充填物類型為淤泥質(zhì)黏土和粗砂的兩種情況）為例，在斷面設(shè)置如圖3所示的5條測線，提取測線上的各點(diǎn)孔隙水壓力值。測線位置如圖3所示。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分別繪制出5條測線位置對應(yīng)的孔隙水壓力變化情況，如下頁圖4所示。

由圖4可知，在隧道開挖前，不同測線位置的初始水壓均沿著垂直方向發(fā)生線性變化。這表明在隧道開挖前，隧道的滲流場處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，地下水和圍巖未被擾動。圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大而不斷增大，在模型底部位置，孔隙水壓力達(dá)到最大值。在隧道開挖后，隧道圍巖中的孔隙水壓力明顯降低，原因?yàn)樗淼篱_挖形成了一個新的自由透水面。如圖4（a） ～ （b）所示，在圍巖拱頂和拱肩位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著圍巖離地表的垂直距離增大先增大再減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)開挖面的位置時，圍巖的孔隙水壓力值為0；如圖4（c）所示，在圍巖拱腰位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大先增大，然后逐漸保持不變，此時圍巖的孔隙水壓力值小于初始水壓；如圖4（d） ～ （e）所示，在圍巖拱腳和仰拱位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大而逐漸增大，在遠(yuǎn)離開挖面的位置，圍巖的孔隙水壓力值逐漸接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。

2.3不同巖溶洞填充物不同水位下滲流特征

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取隧道部分位置的孔隙水壓力值，得到隧道在不同巖溶管道填充物類型不同地下水位時關(guān)鍵位置的孔隙水壓力變化如圖5所示。

由圖5可知，從整體上看，不同的巖溶管道充填物條件下，其隧道關(guān)鍵位置在不同的地下水位高度條件下孔隙水壓力的分布規(guī)律基本相同。隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小。在地下水位條件相同時，巖溶管道充填物類型為粗砂時的孔隙水壓力均大于巖溶管道充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處二者差距更為明顯。如圖5（a）所示，在拱頂位置，充填物為粗砂時的圍巖的孔隙水壓力約為充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的2.5倍；如圖5（b）所示，在拱肩位置，充填物為粗砂時的圍巖的孔隙水壓力約為充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的1.5倍。分析其原因主要為：粗砂和淤泥質(zhì)黏土二者的滲透系數(shù)存在較大的差別，粗砂的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于淤泥質(zhì)黏土，在隧道開挖過程中，粗砂的導(dǎo)水速度更快，因此距離填充物為粗砂的巖溶管道越近時，對應(yīng)位置的孔隙水壓力越大。如圖5（c）～（e）所示，在拱肩、拱腳和仰拱位置處，巖溶管道充填物分別為粗砂、淤泥質(zhì)黏土?xí)r，對應(yīng)的隧道圍巖關(guān)鍵位置的孔隙水壓力差距較小，原因是這些位置距離巖溶管道較遠(yuǎn)，受到巖溶管道充填物的影響較小。

分別統(tǒng)計(jì)巖溶管道充填物為粗砂和充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的不同地下水位高度情況下隧道關(guān)鍵部位的圍巖孔隙水壓力下降情況，如圖6所示。

由圖6可知，無論填充物為粗砂還是淤泥質(zhì)黏土，隧道圍巖的孔隙水壓力在不同地下水位條件下表現(xiàn)出來的下降規(guī)律大致相同。隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降。

以填充物為淤泥質(zhì)黏土的情況為例，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度有一定區(qū)別，由大到小依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

3 結(jié)語

本文依托某高速公路隧道實(shí)際工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下滲流特征進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）在隧道開挖前，隧道的滲流場處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，地下水和圍巖未被擾動。隨著離地表垂直距離的增大，孔隙水壓力值也在不斷增大，在模型底部位置，孔隙水壓力達(dá)到最大值。

（2）在隧道開挖后，隧道圍巖中的孔隙水壓力明顯降低，隨著離開挖面距離的不斷增大，孔隙水壓力降低程度逐漸減弱，在遠(yuǎn)離開挖面的位置，巖體的孔隙水壓力值逐漸接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。

（3）隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小。在地下水位條件相同時，巖溶管道充填物類型為粗砂時的孔隙水壓力均大于巖溶管道充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處二者差距更為明顯。

（4）隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降。隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度由大到小依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-01-10