连拱隧道渗流防护措施的数值模拟研究

宋玉婷， 巢万里

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



连拱隧道渗流防护措施的数值模拟研究

宋玉婷， 巢万里

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

[摘要]孔隙水渗流作用对隧道围岩稳定性影响显著，尤其当隧址所处围岩孔隙水渗流作用较为强烈时，影响更甚。因此，必要的排水措施如泄水洞的布设就具有十分重要的意义。以某隧道为工程背景，借助有限差分软件FLAC3D对地层由多期洪积扇堆积的某隧道进行初始地应力状态、无泄水洞布设以及泄水洞布设3种工况进行数值模拟研究。通过对围岩渗流状态及泄水洞布设前后的围岩应力及稳定状态的数值模拟结果进行的比较分析，确定泄水洞的功效以验证泄水洞的必要性以及泄水洞位置的合理性。通过对渗流、应力场、位移场及塑性区的对比分析，认为泄水洞的布设能有效降低洞周孔隙水压力、围岩应力和洞周位移变形量，以及泄水洞后岩土体位移、应力及工后沉降，泄水洞的合理布设将显著改善降水效果。

[关键词]连拱隧道； 渗流； 数值模拟； 泄水洞

0引言

孔隙水渗流作用是影响围岩自稳能力和隧道稳定性的重要因素[1-3]。掌子面开挖引起围岩孔隙水渗流的重分布，进而影响围岩应力场分布，而应力场的重分布又将对渗流场的分布造成影响，并最终形成多场的耦合作用，对围岩和隧道支护结构造成不良影响[4，5]。在孔隙水充裕的富水围岩地区，隧道稳定性受其影响更甚，防排水及围岩加固措施的不当与不及时均将将使围岩应力增大，稳定性降低，导致隧道突水、突泥甚至掌子面坍塌的灾害发生[6，7]。

隧道渗流场的研究手段主要包括理论分析、模型试验和现场监测，其中模型试验能较方便地模拟现场，对工程进行较好的实际还原，因而在岩土及隧道工程中被普遍认可并被广泛使用。然而，由于渗流场模拟等方面困难，目前并没有一定数量可供参考的文献。以跨琼州海峡海底隧道为背景，谭忠盛等对隧道衬砌在海水渗流环境下的防排水方式及不同防排水方式下的渗流场分布规律进行了模型试验研究，但不足的是试验不够全面，具有一定局限性，无法反应隧道衬砌的全受力状态[8，9]。

黄甫明等对不同衬砌注浆方式及量级条件下的围岩渗流场分布情况进行了研究，得到了孔隙水压力与渗流场随衬砌布设及注浆量级的相互关系及规律[10-12]。

李术才等以胶州湾海底隧道为背景，采用自行研发的设备和传感器，进行了水下隧道的模型试验研究[13，14]。上述研究局限在衬砌外侧或者注浆圈内外范围，将围岩、注浆圈、衬砌作为一个整体考虑的水压分布规律研究，目前未见报导。

泄水洞作为一种隧道排水措施，常用于富水隧道施工中，其在排出围岩孔隙水的同时将改善隧道渗流场和应力场的分布，有助于围岩和衬砌稳定性[15-17]。深入了解掌子面开挖过程中泄水洞的布设数量和方式对隧道渗流场和应力场的影响规律，对于富水及水下隧道的设计和施工具有重要意义。

为研究泄水洞的布设对隧道渗流作用的防护及对围岩稳定性提高的效果，以某隧道为工程背景，运用FLAC3D有限差分法数值模拟软件，对隧道布设与不布设泄水洞两种工况进行分析，比较两种工况下围岩渗流、应力及沉降的不同，分析泄水洞布设的有效性。

1工程概况

某山岭铁路隧道起讫里程为CK615+065～CK633+470，全长18.405 km，属特长隧道。隧道场地地质条件复杂，地层由多期洪积扇堆积而成，与粘土层形成多层承压水。隧址范围内的洪积扇主要赋存两层承压水，下层承压水水位高于上层承压水水位，隧道穿过下层含水层，水位距离为隧道底板为120～160 m；隧道穿过上层含水层，水位距离隧道底板为50～80 m。

根据现场地表出露第三系地层形成的边坡，在无水状态或渗水状态下整体可以自稳，长期暴露局部出现剥落或坍塌。在隧道开挖过程中，在岩土结构未破坏且在无水状态下，掌子面应可以整体自稳，局部胶结较差的可能出现剥落或坍塌；由于隧道通过该段地下水位较高，在掌子面在渗水条件是否自稳，首先考虑施工扰动是否破坏了岩土体结构，同时由于排水可能导致土体内部细颗粒成分的流失，造成岩土体结构破坏；其次评估地下水的流动产生渗透力对掌子面稳定性的影响。有必要在隧道开挖支护前首先对高承压水进行排水泄压，为此对泄水洞排水泄压效果进行探讨。主要研究内容：恰当选择本构模型与各项参数，对泄水洞设置与否三种工况(即场地初始状态、有隧道无泄水洞、有隧道有泄水洞)进行数值模拟，并比较分析两种不同工况下的渗流、应力及沉降情况。确定泄水洞的功效以验证泄水洞的必要性以及泄水洞位置的合理性。

2模型建立及参数选择

2.1FLAC3D在渗流计算中的数值表述

FLAC3D提供了岩土体的流体运动法则和无渗流场的流动零模型，可以对岩土体中孔隙水的瞬时流动作用进行模拟。不同的岩土体材料可以有不同的流动模型和法则，模拟过程可以独立进行亦可以根据岩土体本构关系对孔隙水渗流效应的约束结合进行。允许将任何力学与热学模型进行耦合计算的同时允许热膨胀的发生。基于以上有点，本次数值模拟研究采用FLAC3D有限差分法软件进行，将取得较好的计算结果。

2.2工况定义及模型建立

根据隧道地质勘探资料，CK628+800～K631+800段为粘质黄土、粗圆砾土与粉质粘土，基岩为灰岩，围岩级别V级。分别穿越上下层高承压水，可能存在发生突水风险，为最不利断面。隧道开挖方式采用传统的矿山法施工，其开挖方法为台阶法。工况见表1。

表1 工况定义Table1 Casedefinition分类工况状态工况一不设置泄水洞工况二设置泄水洞

原隧道设计典型断面如图1所示，泄水洞位置在仿真计算中暂拟为该中部，为达到较高精度，模型

图1　隧道典型断面Figure 1　Typical section of the tunnel

尺寸宽×高为255×271 m，划分为9 146个网格单元，建立FLAC3D数值模型如图2所示。

图2　隧道计算模型Figure 2　Numerical model for multiple-arch tunnel

2.3模型参数选择

参考隧道有关地质物探资料及相关现行规范的基础上，取得各材料物理力学计算参数如表2～表4所示。其中，岩土体材料皆为干密度，注浆加固A为工况掌子面注浆孔数28个时加固体物理力学参数，注浆加固B为工况掌子面注浆孔数96个时。

表2 岩土层的物理力学参数Table2 Physical-mechanicalparametersofrocklayers材料密度/(kg·m-3)弹性模量E/GPa泊松比v上层含水层23404.50.26下层含水层24805.00.25粘聚力/kPa内摩擦角/(°)渗透系数/(m·s-1)45355.90×10-650364.86×10-6

表3 边墙砂浆锚杆Cable结构单元力学参数Table3 Cablestructuralunitmechanicsparametersofmortarbolt密度/(kg·m-3)弹性模量/Pa水泥浆粘结力/(N·m-1)水泥浆摩擦角/(°)水泥浆刚度/Pa水泥浆外圈周长/m截面积/m2抗压强度/N抗拉强度/N78504.50×10101.15×107353.70×1080.770.03141.00×1062.50×106

表4 钢拱架和网喷初支shell结构单元力学参数表Table4 Shellstructuralunitmechanicsparametersofsteelarchandinitialreinforcement密度/(kg·m-3)弹性模量/Pa泊松比厚度/m250010.50.250.2

2.4数值模拟实现过程

为对比分析泄水洞在渗流隧道中的作用，分别进行布设与不布设泄水洞的数值模拟，步骤如下：

① 不设置泄水洞。

初始平衡状态→开挖隧道断面岩芯→开挖面喷射混凝土进行初期支护(含临时仰拱)。

② 设置泄水洞。

初始平衡状态→开挖泄水洞→泄水洞开挖面支护→开挖隧道断面→隧道开挖面喷射混凝土进行初期支护(含临时仰拱)。

数值模拟计算中仅考虑初支，二衬主要作为强度安全储备在计算中不予反映。

2.5边界条件及初始应力状态

本模型中模型边界条件分为位移边界条件、渗流边界条件和透水边界条件。根据工程概况和模型定义，边界条件分别设置如下：

位移边界条件：模型上底面为自由面，下底面约束纵向沉降，左右两个方向约束X方向位移、前后两个方向约束Y方向位移。

渗流边界条件：FLAC3D提供模型的不透水边界，即模型各边界是不透水的，边界空压自由变化。

透水边界条件：透水条件和饱和度由边界空压决定，且空压的绝对值必须大于流体抗拉强度。

按上述原则建立某连拱隧道渗流数值模拟模型，畜平衡后初始应力条件和孔隙水压力场见图3。

(a) 应力场(b) 孔隙水压力场

3数值计算结果分析

3.1渗流分析

本模型单个台阶开挖与支护所花时间为10 h，定义一个工作循环为60 h，即渗流场为一个工作循环即60 h后的计算结果，如图4所示。图4中(a)可以看出开挖后空隙水压力场变化明显，围绕开挖部分形成了漏斗状得低孔隙水压力区域，开挖面附近水压力等势面密集。在中透水的泥灰岩中，开挖后仅60 h内渗流场即产生了较大变化，可见如不采取止水措施，将会引起隧道突水涌水，开挖施工将无法进行。比较两种工况条件下，隧道开挖后，洞周均一致出现漏斗状低孔隙水压力区域，工况一与工况二的洞周最大孔隙水压力分别为1.6 MPa，1.5 MPa，工况二的洞周最大孔隙水压力小于工况一，且设置泄水洞时隧道的开挖面附近水压力等势面较未设置泄水洞有较大程度的改善，可见泄水洞降压效果初步显现。

(a) 工况一断面图(未设置泄水洞)(b) 工况一大样图(未设置泄水洞)

(c) 工况二断面图(设置泄水洞)(d) 工况二大样图(设置泄水洞)

图4各工况中泄水洞降压效果已显现，但具体分析渗流趋势和降压效果还需考虑围岩渗流矢量场。图5各工况下隧道围岩渗流矢量图中显示，两种工况隧道围岩渗流矢量场分布基本一致，具体渗流速度值有所不同。工况二(设置泄水洞)的渗流速度大小相对未设置泄水洞情况弱微减少。

(a) 工况一渗流矢量图(未设置泄水洞)

(b) 工况一渗流云图(未设置泄水洞)

(c) 工况二渗流矢量图(设置泄水洞)

(d) 工况二渗流云图 (设置泄水洞)

图6为各工况下隧道断面涌水量历史记录，2种工况隧道断面涌水量变化趋势基本一致，最大涌水量值有所不同。工况一的每延米断面最大涌水量为2.576×10-3m3/s，工况二为2.214×10-3m3/s，工况二(设置泄水洞)的最大涌水量相对未设置泄水洞情况减少近14%。由此可见，泄水洞的降压效果较明显。

(a) 涌水量历史记录(未设置泄水洞)(b) 涌水量历史记录(设置泄水洞)

综合上述分析可知：隧道穿越承压水层时预先设置泄水洞后，降压效果较明显。

3.2应力场分析

图7可以看出，隧道开挖后两种工况的洞周压应力分布大致相同，均分布在隧道侧壁，拱顶上方出现低应力卸荷泡区。但工况一中侧壁最大压应力为15.6 MPa，工况二为18.5 MPa。可见设置泄水洞存在二次围岩扰动效应，使得削弱围岩压应力集中方面的效果不明显。

(a) 工况一(未设置泄水洞)(b) 工况二(设置泄水洞)

图8中开挖后2种工况的洞周拉应力分布规律基本一致，均集中分布在拱肩和墙角，并且与洞周压应力场一样，在拱顶上方出现低应力卸荷泡区。但工况二较工况一应力场分布更趋于均匀，且工况二的最小主应力最大值较工况一弱减小。可见泄水洞的降压效果对削弱围岩拉应力集中有一定作用，但效果不明显。

(a) 工况一(未设置泄水洞)(b) 工况二(设置泄水洞)

综合图7与图8的分析结果：设置泄水洞能一定程度改善围岩应力分布状态，主拉应力的拱顶与拱脚部位和主压应力的侧壁是高压水地层隧道施工应重点关注的部位，必须加强隧道关键部位的监控，掌握围岩变化情况，保证施工安全。

3.3位移场分析

隧道掘进时，对围岩的开挖扰动，致使洞周围岩松动而出现洞周位移，其中又以拱顶沉降和仰拱隆起的竖向位移，为工程施工中所重点关注。图9中各种工况条件下，皆出现较大的竖向位移，具体数值可归纳如表5所示。

(a) 工况一(未设置泄水洞)(b) 工况二(设置泄水洞)

表5 各工况条件下断面竖向位移值Table5 Settlementsofthe2differentconditions位置沉降数值/mm误差/%工况一工况二工况二拱顶55.4121.19-62仰拱22.3111.47-49

根据表5中2种工况的比较情况，可以看出：泄水洞降压能有效减少隧道开挖断面的变形量。

图10中各种工况条件侧壁相对位移具体数值同样可归纳如表6所示。

(a) 工况一(未设置泄水洞)(b) 工况二(设置泄水洞)

Figure 10Relative horizontal displacements of the 2 different conditions

从表6可以看出：同样验证了泄水洞降压能显著减少洞周位移变形量。

综上分析，设置泄水洞与否的位移场变化有明显差别。未设置泄水洞时洞周产生位移变形较大，设置泄水洞能显著减少洞周位移变形量。

表6 各工况条件下断面水平相对位移(洞周收敛)Table6 Relativehorizontaldisplacementsofthe2differentconditions位置沉降数值/mm误差/%工况一工况二工况二左侧壁95.3320.27-79右侧壁95.5819.50-80

3.4塑性区场分析

图11各工况塑性区分布图显示，工况一与工况二的洞周大范围围岩均出现过历史剪切屈服，拱顶、拱肩、拱脚与仰拱还出现过历史张拉屈服，且隧道间的岩柱出现剪切屈服破坏。工况二应力屈服状态的围岩范围相对有所扩展。可见，设置泄水洞后对围岩的二次扰动影响围岩的稳定性。2种工况条件下不采取有效的堵水加固措施，隧道洞周围岩容易失稳。

(a) 工况一(未设置泄水洞)(b) 工况二(设置泄水洞)

4结论

运用FLAC3D对隧道穿越高承压水地段的开挖施工过程进行数值模拟，针对未设置泄水洞、设置泄水洞两种工况条件下，对比分析各工况的开挖扰动力学响应与流固耦合效应，得到如下结论：

① 围岩渗流场分布状态复杂，具有间断、各向异性的特点，尤其是在隧道开挖围岩原平衡被打破之后，渗流场需要经历重分布并最终平衡的过程。计算中认为未经开挖的围岩孔隙水压力呈水平层状分布，并沿深度增加。

② 隧道开挖后，区内地下水渗流状态发生改变，地下水向隧道内排泄。渗流场数值模拟结果显示，随着松动圈岩体渗透系数的减小，渗入隧道的水量减小，区内地下水位降幅和孔隙水压力降幅变缓。

③ 掌子面开挖后，原水压力平衡被打破，围岩渗流状态被改变，孔隙水流向隧道洞室，数值模拟结果显示，渗流状态与入洞水量的大小与渗流系数有关，即衬砌支护与防排水措施对渗流破坏的防治具有重要意义。

④ 隧道开挖引起洞周较大范围围岩屈服破坏，洞周围岩发生掌子面坍塌和涌水突泥等风险的可能性较大，需进行堵水加固处理。

⑤ 设置泄水洞后岩土体位移、应力及工后沉降结果较明显改善，说明将泄水洞设置位置是合适的，降水效果明显；设置泄水洞能有效降低洞周孔隙水压力、围岩应力和洞周位移变形量，结合钢拱架与围岩注浆加固处理，可以满足工程要求。

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Numerical Simulation on Seepage Safeguard Procedures for Multiple-arch Tunnel

SONG Yuting， CHAO Wanli

(Hunan Communications Research Intitute， Changsha， Hunan 410015， China)

[Abstract]Pore water seepage effect has a significant influence on tunnel rock stability，especially in heavy pore water conditions.It is of great importance for measures such as drainage holes in such conditions.Based on Zhong Tiaoshan multiple-arch tunnel and numeral simulation software FLAC3Dof finite difference method，this paper conducts a numeral simulation research of different working conditions both with and without the drainage holes on tunnel stability.Necessity and effects of drainage holes are certified by rock stress and stability status analysis.According to analysis of seepage field，stress field and displacement field and plastic zones，result shows that drainage hole can reduce pore water pressure，rock stresses and settlements significantly，namely precipitation effect can be improved by drainage holes.

[Key words]multiple-arch tunnel； seepage； numerical simulation； drainage holes

[收稿日期]2016-04-15

[基金项目]湖南省科学技术厅科技计划项目(2013SK5080)；湖南省交通科技项目(201430)

[作者简介]宋玉婷(1983-)，女，湖南长沙人，工程师，主要从事路桥专业设计研究。

[中图分类号]U 453.6+1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0111-06