富水裂隙岩体隧道裂隙形式对渗流场影响研究

赵 毅

富水裂隙岩体隧道裂隙形式对渗流场影响研究

赵 毅

(天津市合兴工程管理咨询有限公司，天津 300202)

采用数值分析的方法，对不同裂隙形式的富水岩体隧道渗流场进行分析。根据隧道特点，用三维离散元软件3DEC建立模型，分析计算了存在竖直方向与存在竖直与水平方向的交叉裂隙岩体隧道渗流场特征，将计算数据进行比较，得到裂隙形式与富水隧道渗流场的关系。分析表明：裂隙岩体隧道开挖暴露面5 m范围内，渗流场最容易受到隧道施工的影响，注浆圈外绝大部分区域水压力为静水压力；存在竖直方向交叉裂隙时比存在竖直与水平方向交叉裂隙时，渗入隧道中的水更多，导致衬砌背后水压力更大；当裂隙水向隧道中心流动时，不同方向的裂隙会导致水的分流。

隧道；交叉裂隙；离散元模拟；渗流场

我国是多山国家，隧道占线路总里程的比例日益增加，而隧道作为地下建筑物，不同水文地质、工程地质条件的裂隙岩体是隧道工程中经常面临的介质[1]。裂隙水是一种地下水，广泛分布在岩体中[2]。在隧道建设过程中，裂隙水经常会引起如塌方、冒顶、涌水以及隧道大变形等问题[3]。为了保护生态环境，近年来治水方案由“以排为主”变为“以堵为主”[4]。不同裂隙形式排水量也有所不同，若采用统一的设计标准，可能会达不到设计要求，若渗透的水量超过排水系统的最大排水量，衬砌外水压力会逐渐上升，从而威胁到隧道的安全使用[5]。本文以存在两种不同裂隙形式的隧道为研究对象，将裂隙等效为连续介质[6]，通过三维离散元软件3DEC建立模型，分析计算了两种不同裂隙形式对隧道渗流场的影响，研究结果有助于隧道设计与工程建设。

1 模型建立

模型尺寸为200 m×190 m×4 m，裂隙分为两种形式：竖直方向交叉裂隙、竖直与水平方向交叉裂隙。

在模拟注浆圈时，由于3DEC软件的限制，并不能很好模拟裂隙中有填充的状态，因此将其转化为注浆后岩体裂隙宽度的变化。选定注浆区域，减小注浆区域岩体裂隙宽度，移除隧道开挖部分，即模拟了隧道注浆开挖，注浆圈厚度定为5 m。

在模拟喷射混凝土时，由于3DEC特性决定其只能模拟水在裂隙中流动，而混凝土为连续介质，因此无法进行水的渗流，此时需要使用一种合理的等效方法。即把喷射混凝土等效为不连续的块体，将喷射混凝土的渗透系数转化为模型中块体间裂隙的渗透系数。通过立方定律以及达西定律可以推导出喷射混凝土的等效渗透系数：

(1)

根据喷射混凝土渗透系数和裂隙间距换算出等效的裂隙宽度，由式(1)可得：

(2)

如喷射混凝土渗透系数为Kp=1×10-8m/s，代入(2)，可得模拟喷射混凝土的裂隙宽度b≈1.946×10-5m[7]。

衬砌为不透水边界，在喷射混凝土内创建一层一体的块体即可，二衬厚度选50 cm。

排水系统主要通过设置盲管进行模拟，即将盲管转化为分布在二衬上的裂隙。纵向盲管距原点2.5 m，模拟纵向盲管时裂隙宽度设置为0.08 m；不再设置环向盲管，通过设置纵向盲管及衬砌背后水压力边界条件来代替。

2 模型参数及监测点布置

2.1竖直方向交叉裂隙岩体隧道模拟

竖直方向交叉裂隙岩体隧道模型见图1。竖直方向交叉裂隙岩体隧道模型参数见表1。

图1 竖直方向交叉裂隙岩体隧道模型

表1 竖直方向交叉裂隙岩体隧道模型参数

数据监测线分布情况见图2，监测线上自隧道开挖面开始，每1 m设置一个监测点，每条线共设置9个监测点。

图2监测线与监测点布置图图3竖直水平交叉裂隙监测线布置图

2.2竖直与水平方向交叉裂隙岩体隧道模拟

隧道上数据监测线分布情况见图3，共设置3条监测线，相邻监测线之间的夹角为90°，监测线上自隧道开挖面开始，每1 m设置一个监测点，每条线共设置9个监测点。

竖直与水平方向交叉裂隙岩体隧道模型见图4。模型中水平方向交叉裂隙宽度为1 mm。

图4 竖直水平方向交叉裂隙岩体隧道模型

3 边界条件的设置

在隧道施工过程中，假定模型整体的外部渗流边界条件不变，即静水压作用下的水力边界条件，模型顶面为自由面因此水压力固定为0，只考虑重力作用，且不考虑地下水补给及从底部流失，因此模型底面水压力固定为1.9 MPa，模型内部水压力自上而下递增，由于隧道开挖会造成内部水压力变化，因此前后两个面不固定水压力。此时，将隧道的渗流场等效为裂隙岩体、注浆圈和喷射混凝土三层等效连续介质加管道流模型，衬砌作为不透水边界。

4 计算结果及分析

4.1竖直方向交叉裂隙岩体隧道

经过分析计算后，得出水压力分布情况见图5，渗流场矢量图见图6，监测线水压力变化见图7。

图5 竖直方向交叉裂隙岩体隧道渗流场水压力等值线云图(单位：Pa)

图6 竖直方向交叉裂隙岩体隧道渗流场矢量图(单位：Pa)

图7 竖直与方向交叉裂隙岩体隧道监测线处水压力

通过图5、图6和图7可以看出隧道二次衬砌背后与喷射混凝土交界处水压力值很小，开挖暴露面5 m范围内，渗流场最容易受到隧道施工的影响，注浆圈外绝大部分区域水压力为静水压力。喷射混凝土区域流速比较大为0.06～0.095 m/s左右，隧道中流速最大的地方为拱脚处，流速为0.095 m/s，裂隙岩体中渗入隧道中的水量大约为5.6 m3/d。随着与隧道开挖暴露面距离的增加，注浆区域内水压力值逐渐增大，水压力变化值逐渐减小。水压力值在注浆区域变化比较大，注浆区域外变化很小。

4.2竖直与水平方向交叉裂隙岩体隧道

经过分析计算，当存在竖直方向与水平方向交叉裂隙岩体进行隧道施工时，衬砌背后水压力分布情况如图8，渗流场矢量图如图9，监测线水压力变化如图10。

图8竖直与水平方向交叉裂隙渗流场水压力等值线云图(单位：Pa)图9竖直与水平方向交叉裂隙岩体隧道渗流场矢量图(单位：Pa)

图10 竖直与水平方向交叉裂隙岩体隧道监测线处水压力

通过图8、图9和图10可以发现，此种工况下喷混凝土处水渗流的速度比较大，渗水速度为0.055～0.065 m/s。不过由于向隧道渗水的裂隙迹长较小，因此渗水量并不大，为3.8 m3/d

4.3两种工况进行对比

通过对两种工况的渗流场水压力分布情况、渗流场矢量分布情况、监测线处水压力变化值及所提取的数据进行分析比较，并将两种工况下监测线1、4、7的水压力平衡值进行对比，分布情况如图11。

图11两种工况监测线1、4、7水压力图12平行裂隙间水压力变化示意图

经过对比可知，开挖暴露面5 m范围内，渗流场最容易受到隧道施工的影响，注浆圈外绝大部分区域水压力为静水压力。竖直方向存在交叉裂隙时比竖直与水平方向存在交叉裂隙时，水压力值更大，渗入隧道中的水更多，但是喷混凝土区域渗流速度比较小。当裂隙中的水向着隧道中心流动，此时如果有垂直于水流方向或者与水流方向存在夹角的裂隙时，水流会发生分流，流速减小，水压力减小。当存在一条裂隙垂直于两竖直方向的裂隙时，连通这两条竖直裂隙的水平裂隙中点处水压力值最小，越接近竖直裂隙处的水压力值越大，示意图见图12。

5 结论

(1)隧道施工对渗流场产生的主要影响范围还是在开挖暴露面外5 m左右的区域，注浆圈1 m外绝大部分区域水压力呈现静水压力分布。

(2)竖直方向存在交叉裂隙时比竖直与水平方向存在交叉裂隙时，水压力值更大，渗入隧道中的水更多，但是喷混凝土区域渗流速度比较小。因此，若岩体中存在大量竖直方向交叉裂隙时，需加强堵水或者增加排水系统最大排水量，从而避免衬砌背后水压力值过大。

(3)当裂隙中的水向着隧道中心流动，如果有垂直于水流方向或者与水流方向存在夹角的裂隙时，水流会发生分流，流速减小，水压力减小。当存在一条裂隙垂直于两竖直方向的裂隙时，连通这两条竖直裂隙的水平裂隙中点处水压力值最小，越接近竖直裂隙处的水压力值越大。

[1] 孙玉杰,邬爱清,张宜虎,等.地应力对采动裂隙岩体渗流特性影响的研究[J].长江科学院院报,2009(9):35-38+43.

[2]周志芳,王锦国.裂隙介质水动力学[M].北京：中国水利水电出版社,2004.

[3]王昭椿,高燕希,李亮辉.隧道裂隙水渗流特性分析与工程应用[J].中外公路,2008(4):207-211.

[4]高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[5]杨波,徐树斌,严松宏.围岩水压力影响因素分析[J].甘肃科技,2010(3):76-77+112.

[6]隋斌.裂隙岩体渗流的无网格方法研究[D].济南：山东大学,2005.

[7]艾旭峰.裂隙岩体隧道渗流场特征研究[D].石家庄：石家庄铁道大学,2015.

Effectoffractureformonseepagefieldinwater-richfracturedrockmassoftunnel

ZHAO Yi

(TianjinHexingEngineeringManagementConsultingCo.,Ltd.,Tianjin300202,China)

In this paper,the seepage field of water-rich rock in different fracture forms is analyzed by means of numerical analysis.According to the characteristics of tunnel,the model is built with the three-dimensional discrete element software 3DEC.Then Seepage Field in vertical cross fractured rock mass tunnel and vertical horizontal direction cross fractured rock mass tunnel are analyzed and calculated.Based on the data obtained,the relationship between the fracture form and the seepage field of the water-rich tunnel is given.Analysis shows that the seepage field is most susceptible to the impact of tunnel construction in 5 meters of excavation exposed surface.Water pressure is hydrostatic pressure in those area which is outside the grouting ring.The amount of water flowing into the tunnel with vertical cross fissures is more than the amount of water flowing into the tunnel with vertical horizontal cross fissures.This makes the water pressure even bigger behind the lining.Different direction of the cracks will lead to water diversion when the water flow toward the center of the tunnel.

tunnel; cross fracture; discrete element simulation; seepage field

2017-04-10

国家自然科学基金(51378321)；河北省自然科学基金(E2014210131)

赵 毅(1990—)，男，河北石家庄人，硕士，工程师。

1674-7046(2017)03-0010-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.003

U452.1+1

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