隧道下穿新大力寺水库施工稳定性分析

周冠南 付军恩 杨腾添，2

（1.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300；2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室 陕西西安 710055）

1 引言

岩体滑坡、隧道渗漏和衬砌变形都与水有很大的关系［1-4］，但目前我国对富水地区隧道开挖的研究还不够深入。目前的研究集中于地表雨水渗透对隧道边坡所造成的影响，主要采用的方法有:（1）收集数据进行归纳总结，发现水与岩体滑坡的关系［5］；（2）利用数值模拟分析软件研究渗透水对岩体稳定性的影响［6-7］。杨卓（2013）［8］研究了流固耦合作用的原理以及应力场与渗流场之间的相互作用，依托实际工程探讨了地下水对隧道主体的影响；李双元（2015）［9］通过理论推导和数值模拟，研究了青岛所特有的上软下硬地质条件下隧道穿越饱和砾砂层；采用室内模型试验及有限元数值仿真分析相结合，周超月（2016）［10］对岩溶区的隧道开挖引起的围岩、支护位移及应力情况进行了综合分析和研究；吴胜番（2012）［11］采用数值分析的方法研究了渗入水对衬砌造成的影响。以上学者都对降水对隧道边坡稳定性的影响进行了大量研究，并取得了显著的成果，但针对隧道下穿水库所造成的隧道内部施工力学特性变化的研究较少，需在日后的研究中加以关注。

本文依托新建新大力寺隧道下穿水库，采用有限元软件进行数值模拟，研究了隧道穿越大力寺水库时隧道的稳定性与渗透系数之间的规律，给出了不同岩石扰动造成的围岩渗透系数变化时隧道及围岩的变形、应力及塑性区的变化。

2 工程概况

位于巢湖市境内的在建商合杭铁路新建大力寺隧道，全长3 354.0 m，隧道的最大埋深236.0 m。新建的大理寺隧道在DK448+550～DK448+590区域穿过大力寺水库。洞穴围岩以泥盆系上统五通组（D3w）强～弱风化石英砂岩和石英砾岩为主，岩性柔硬相间，洞穴附近有水库地表漏水的可能性。隧道地表水以大气降水为主，大部分从斜坡排放到边坡。隧道DK446+690～DK446+940段下穿大水量水塘；DK448+510～DK448+710段右侧为大力寺水库，水库占地约86 000 m2。通过降水入渗法计算，隧道最大涌水量为3 061.5 m3／d。隧道入口和出口的DK446+810储层段为浅埋段，埋深5～6 m。

3 数值分析

随着工程类软件的快速发展，数值模拟已成为研究地下工程围岩稳定性的一种重要手段。为了全面研究在三种不同工况下隧道下穿水库段掘进全周期引起的孔隙水压、地表沉降、围岩塑性区以及支护结构位移的变化特性，本文通过数值模拟进行对比分析。

3.1 数值模型与边界条件

在数值模型中，规定Y轴正向为隧道开挖方向，Z轴正向为竖直向上。新大力寺隧道下穿水库数值模型如图1所示。根据现场地质条件，把地层等效为三个均质水平层。为减小边界尺寸对数值试验结果造成的误差，模型左右和底部边界距隧道轴线的间距均取3倍洞径；模型长80.00 m、宽40.00 m、高55.80 m；地表处总压力水头按12.00 m计。岩土层选取四面体实体单元模拟，本构模型为Mohr-Column；衬砌选取板单元模拟，本构模型为弹性结构；锚杆采用植入式梁模拟，本构模型为弹性结构。根据新大力寺隧道下穿水库段的勘探及设计资料，岩土层的物理力学参数和支护结构参数如表1所示。模型的4个立面和底部界面采用法向位移约束，地表为自由边界。在分析水库渗流对隧道掘进的影响时，根据调查数据，总水头和压力水头应分别设在模型边界和隧道衬砌上。地表处应布置水库水对地表产生的等效荷载［12］。

表1 基本分析参数

图1 隧道数值模型及断面示意

3.2 岩层渗透系数的选取

通过查阅相关资料以及借鉴类似地质条件的渗透系数的取值，依次确定粗角砾岩（A）、强风化泥质砂岩（B）和弱风化泥质砂岩（C）的渗透系数取值区间为:1e-9～5e-7、3e-8～6e-4、3e-8～6e-4，见表2。

表2 三种地质状况下岩体的渗透系数值

3.3 模拟结果及分析

3.3.1 孔隙水压

不同地质状况下岩体掘进前后的孔隙水压分布如图2所示。由图2可以看出，初始状态下的最大孔隙水压力分别为 1 173.1 kN／m2、834.5 kN／m2、660.5 kN／m2；开挖后的最大孔隙水压力分别为1 142.4 kN／m2、825.3 kN／m2、657.1 kN／m2。通过对比同种工况下的初始状态下和开挖后的最大孔隙水压力可以发现，最大孔隙水压力均出现在隧道垂直上方，并且与初始状态相比，开挖后最大孔隙水压降低。从开挖前到开挖完成后，孔隙水压力云图在地表的分布形状从凹槽逐渐变成一个漏斗状，这种现象表明渗透系数越大，地表的孔隙水压力就会越小，但隧道施工会使地表受到的影响范围增大。从掘进完成后的隧道截面详图可以看出，随着渗透系数的提高，围岩受到的影响范围也随之扩大。

3.3.2 地表沉降

在具有良好地质条件的岩体中进行隧道工程建设都可能导致施工段上方地表变形，地表上方存在水库的情况更是如此。图3给出了分别在三种地质状况下施工完成后的整体竖向位移云图。从中可以直观地看出，由于岩体渗透系数的提高，水库水下渗的深度也随之增加，且隧道正上方的地表沉降也随之增加。三种地质状况下最大沉降量为5.0 mm、6.4 mm、9.5 mm。

图2 孔隙水压分布云图（单位：kN／m2）

图3 竖向位移云图（单位：mm）

3.3.3 塑性区分析

围岩塑性区的分布可直接表征地下结构的安全和稳定性。3种地质状况下的围岩塑性区分布见图4。可以看出，围岩塑性区多分布在拱顶、拱腰和拱底，三种地质状况下的最大塑性区均在拱顶位置，且整个塑性区随着渗透系数的增加而扩大。

图4 塑性区分布图

3.3.4 变形特征

在隧道建设阶段，围岩与支护结构的变形可直接反映围岩的稳定性和施工的安全，图5a、5b为三种地质状况下拱顶和拱底处的竖向位移曲线。通过对比分析不难看出，拱顶和拱底处竖向位移值在地质状况Ⅲ和地质状况Ⅰ中分别取得最大值和最小值，由此可知，隧道在下穿水库时岩体渗透性能会对岩体的开挖产生一定的影响。由于开挖卸荷导致围岩应力重分布，因此，在不同种地质状况中第一个全断面掘进阶段，拱顶、拱底均产生较大竖向位移，在接下来的施工过程中，拱顶和拱底处的竖向位移会过渡到一个稳定值。隧道正上方的地表土层也会由于水库渗水和开挖卸载的双重作用下产生略微的滑动，这与现场实测结果是相符的。

图5 拱顶和拱底竖向位移对比曲线

隧道在三种地质条件下施工结束后，所得到的地表沉降曲线见图6。通过对比图6中的沉降曲线可以明显看到，在隧道施工阶段，水的渗流对最终的地表沉降量有着极为重要的作用；从水平方向看，越接近隧道中轴线，地表沉降量就会越大；不同施工条件下，在隧道的正上方地表沉降值最大，最大沉降量为-1.19 mm、-1.50 mm、-2.12 mm。

3.4 大断面客专隧道下穿水库破坏机理

图6 地表沉降对比曲线

根据上述数值模拟分析的结果，穿越水库下的大断面客运隧道的开挖将引起周围岩体的扰动。随着隧道的掘进，地表以及地下赋存水的运动迁移受到一定程度的影响。水渗流以及孔隙水压力两方面的因素出现改变，隧道上方的地面将首先变得不稳定，并且随着挖掘的继续，后续施工带来了更多的影响因素，这些因素相互交叉作用使围岩的力学行为发生难以预料的变化，极大地增大了隧道的不稳定性。因此，下穿水库的浅埋隧道围岩变形破坏机理是由于隧道施工扰动造成的，并且在水库水入渗的作用下造成地表变形和破坏，严重时可能发生坍塌。因此，在浅埋大断面隧道下穿大型水库的围岩稳定性分析中，应考虑隧道开挖引起的水库水入渗与围岩的关系。

4 结论

针对水库水覆盖和地表无水两种条件下，着重对隧道施工的安全性进行了数值分析，可得到如下结论:

（1）隧道下穿水库的围岩稳定性与岩体的渗透系数的大小紧密相关。随着渗透系数的增加，库底岩层被浸深度也随之增加，因此，大部分岩体的基质吸力也逐渐减小，导致围岩不稳定。

（2）由于隧道开挖破坏了原有的水土平衡，导致隧道正上方库底岩层暂时饱和，并逐渐向隧道四周岩体延续。

（3）在考虑地表水库水渗透的情况下，隧道的施工会导致孔隙水压产生很大程度的改变。这种变化在短期内施作的衬砌区域尤其突出，其带来的后果往往是渗水、漏水等不利现象。随着隧道开挖进程的推进，更大范围的零压力面相继出露，各区域内的水头以及渗流情况都发生了很大改观。

（4）隧道内的持续施工，导致水库水的渗流不断发生改变，以至于影响到隧道周边并进入了塑性区。拱顶处的塑性区较拱腰处区域更大，塑性区在隧道洞室周边的分布范围整体上随着渗透性的提高而减小。