水下隧道涌水量分析与合理安全覆岩厚度的确定＊

张新兵，张聚文，傅鹤林

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙 410075)

水下隧道涌水量分析与合理安全覆岩厚度的确定＊

张新兵，张聚文，傅鹤林

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙 410075)

针对某市某水下隧道施工场地的水文地质、工程地质特点，采用FLAC3D数值方法对该隧道进行数值模拟，得到隧道涌水量随时间变化的趋势;分析涌水量大小与隧道顶板厚度的关系，并预测了隧道开挖后不支护情况下的失稳时间。研究表明，综合考虑水下隧道顶板安全厚度与开挖支护间隔时间是水下隧道安全施工的关键，为水下隧道施工组织设计与防排水设计提供参考依据。

水下隧道;涌水量;数值模拟;覆盖层厚度

随着我国交通建设的蓬勃发展，出现了各种过江跨海隧道。在水下隧道的建设中，隧道涌水是一种相当普遍而又非常复杂的地质问题，尤其以高水区隧道、富水区隧道以及过江隧道较为常见。隧道开挖时，外力扰动打破了围岩应力的初始平衡状态以及围岩水力平衡条件，以致水体所储存的能量顺着节理裂隙瞬间释放而产生动力破坏。水下隧道涌水的突发性极易造成人员伤亡，其处治也会大大地延误工期［1－3］。因此，合理预测水下隧道涌水量及围岩失稳突水时间是水下隧道安全施工的重要安全指标。近年来，一些学者对水下隧道设计进行了研究，如李廷春等［4－5］等就厦门海底隧道的设计过程中应用工程类比和数值计算方法对其最小覆盖层厚度的设计做了专门研究。孙钧［6］就水底隧道的施工及设计关键技术如海床基岩工程地质、水文地质特征与综合地质勘察、水底隧道最小覆盖层厚度、隧道最小埋置深度等进行了探讨。王梦恕等［7］对水底隧道最小岩石覆盖层厚度的确定、衬砌结构断面优化与防排水方案等，提出应从围岩稳定性和隧道涌水量的大小综合考虑最小岩石覆盖层厚度。Nilsen［8］对已建的海底隧道最小岩石覆盖厚度进行了统计分析与对比分析，给出了海底隧道最小岩石覆盖厚度与基岩深度的对应关系图。Arild［9］介绍了海底隧道的概念以及挪威海底隧道的工程经验及其未来发展方向，并论述了海底隧道设计施工中的一些关键技术及控制环节。Vandbrouk等［10－11］指出海底公路隧道规划中的一项重要任务就是有根据地估计防水工程量及其耗费，并在大量隧道工程实测数据的基础上，通过理论推导获得可用于指导工程实践的经验方程—海底隧道的防水工程量与水力梯度、岩石覆盖层厚度和衬砌接头数量三者之间的函数关系式。尽管前述研究取得了大量成果，目前人们对水下隧道的研究仍处于探索阶段。在此，本文在这些研究的基础上，结合国家自然科学基金 (50878213)、长沙市科技计划项目(K0902027－11)，以长沙某过江隧道为工程背景，利用FLAC3D对水下隧道的涌水量进行分析，得出不同隧道安全顶板厚度时合理开挖支护间隔时间，为水下隧道的设计与施工提供参考。

1 数值模拟

1.1 渗流计算原理

经典渗流力学一般假定流体流动的多孔介质(比如岩石、土壤等)是完全刚性的(即在孔隙流体压力变化过程中，固体骨架不产生任何弹性或者塑性变形)。但实际的多孔介质，不论是天然地质材料还是人造多孔固体，大多为可变形体。在实际的渗流过程中，存在多孔介质内应力场与渗流场之间的相互耦合作用，如渗水路堤固结作用等。FLAC3D通过以下几个方程控制空隙介质中的流体流动。

(1)平衡方程

对于小变形，流体质点平衡方程为:

式中:qi为渗流速度(m/s);qv为被测体积的流体源强度(1/s);ζ为单位体积孔隙介质的流体体积变化量。而:

式中:M为biot模量(N/m2);p为孔隙压力;α为biot系数;ε为体积应变;T为温度;β为考虑流体和颗粒热膨胀系数(1/℃)。

(2)运动方程

流体的运动用Darcy定律来描述。对于均质、各向同性固体和流体密度是常数的情况，方程形式如下:

式中:k为介质的渗透系数(m2/pa·s);ρf为流体密度(kg/m3);gi，(i=1，3)为重力加速度的3个分量(m/s2)。

(3)本构方程

体积应变的改变引起流体孔隙压力的变化，反过来，孔隙压力的变化也会导致体积应变的发生。孔隙介质本构方程的增量形式为:

式中:Δ为应力增量;为给定函数;εij为总应变。

式中符号意义同上。

1.2 计算模型

根据现场实际地质情况和计算需要，建立隧道三维计算模型如图1所示，其中h分别取3，6，10，15，20，25，30 和35 m，水深取17 m。

(4)相容方程

应变率和速度梯度之间的关系为:

式中:vi为介质中某点的速度。

(5)连续性方程

将流体质量平衡方程(1)代入孔隙流体本构方程(4)就可以得到流体的连续性方程:

图1 隧道计算模型Fig.1 Computation model of tunnel

1.3 材料参数

参考有关地质物探资料及相关规范，各岩土层及材料的物理力学参数如表1～2所示。

表1 岩土体的物理力学参数Table 1 Computation parameters of surrounding rock

表2 网喷初支shell结构单元力学参数表Table 2 Computation parameters of primary lining of tunnel

2 计算结果

2.1 涌水量变化趋势的对比分析

覆岩厚度h分别为15，20 m时，将隧道网喷初期支护(厚度22 cm)与无支护情况下隧道涌水量变化趋势曲线进行对比，如图2所示。结果表明，及时进行网喷初期支护后较大地增加了围岩突水失稳时间，且涌水量波动相对较小;与无支护情况相比，最终涌水量大小基本接近，涌水量总体变化趋势基本一致。可见无支护情况下涌水量预测基本能反映岩土体渗水变化趋势，而且在工程实践中，水下隧道风险主要在于隧道开挖后到隧道围岩突水失稳间隔时间的长短，其时间间隔又是合理安排隧道预注浆加固和预支护时间的基础。因此，计算涌水量时，可直接计算隧道无支护情况下围岩失稳时的临界涌水量。

图2 2种工况下涌水量变化趋势曲线对比Fig.2 Curves of water inflow

2.2 涌水量分析

覆岩厚度h分别为15，20 m时，开挖过程中涌水量变化曲线如图2所示，失稳前空隙水压力与涌水量矢量图如图3所示。计算结果表明，隧道开挖后出现了明显降水漏斗，隧道周围的空隙水压力降低，空隙水压力相对同一层面的正常空隙水压力约有40%的折减。

图3 孔隙水压力与涌水量矢量图Fig.3 Pore water pressure of tunnel and arrow plot of seepage field(Pa，m/s)

2.3 失稳时间、涌水量与覆岩厚度的关系

隧道未受开挖扰动之前，孔隙水压力为静水压力梯度分布。隧道开挖后四周围岩表面为临空面，节点空隙水压力为零。在河水深度17 m的情况下，围岩覆盖厚度h与涌水量Q和失稳时间t的关系，分别如表3、图4所示。其中，涌水量Q均指每延米隧道每秒涌水量。由表3和图4可知，3 m覆岩厚度时，不足1 h围岩出现失稳;5～15 m时计算涌水量递增趋势较缓慢，但失稳时间得到大幅增加;覆岩厚度为15～20 m左右时失稳时间和涌水量先后达到一个峰值;25 m后两者又开始缓慢递增。由分析可得:覆岩厚度10～15 m时，隧道断面涌水量相对较小，围岩失稳时间较长。由于水下隧道覆岩厚度每增加1 m，水下隧道工程费用将增加约13.5万美元。因此，综合考虑经济、安全的因素，最小安全顶板厚度为10～15 m。

表3 失稳时间、覆岩厚度与涌水量Q的关系Table 3 Relations between failure time，coping thickness and water inflow

图4 失稳时间、涌水量与覆岩厚度关系曲线Fig.4 Relation curve of failure time，coping thickness and water inflow

3 结论

(1)及时挂网喷锚支护能有效延缓围岩失稳时间，但单纯的喷锚支护防渗堵水效果并不明显，还需采取其他的防排水措施，如帷幕注浆等。

(2)空隙水水渗流过程中空隙水压力降低，隧道周围的空隙水压力相对同一层面的正常空隙水压力约有40%的折减。

(3)覆岩厚度的选择，需综合考虑涌水量大小和围岩失稳时间。

(4)围岩失稳时间可作为水下隧道施工组织与防排水设计的参考依据。

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Analysis on water inflow in underwater tunnel and determination of reasonable security coping thickness

ZHANG Xin-bin，ZHANG Ju-wen，FU He-lin

(Hunan Zhongda Design Institute Co.，Ltd，Changsha 410075，China)

Specific to the hydrogeology and engineering geology of the construction site of a certain underwater tunnel in a city，FLAC3Dnumerical method is employed for the numerical simulation，which shown that water inflow in the tunnel changes with time.Besides，it has analyzed the relationship between water yield and coping thickness as well as forecasted the time of being unsupported after the tunnel is excavated.Researches indicate that the key of constructing underwater tunnels safely is taking a comprehensive consideration about the security coping thickness and the time interval between excavation and support.The result provides a reference for its construction organization design and waterproof and drainage design.

underwater tunnel;water inflow;numerical simulation;coping thickness

U455

A

1672－7029(2011)06－0054－05

2011－11－15

国家自然科学基金资助项目(50878213);长沙市科技计划项目(K0902027－11)

张新兵(1963－)，男，湖南石门人，高级工程师，从事工程设计与科研工作

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