富水公路隧道滲流場數值模擬及應用

秦世華

（山西省運城高速公路有限責任公司，山西 運城 044000）

0 引言

隨著我國公路隧道的建設數量與規模不斷地增加,隧道運營中越來越多地出現了洞內滲漏水現象[1]。隧道工程中的水害是由于水與圍巖相互作用而導致的，隧道開挖卸載后形成的應力場改變了原巖應力場與滲流場的分布，從而引起隧道周邊地下水位和水壓的變化，繼而引起巖體結構的改變。水的滲透力改變了巖體的滲透性，增加了巖體的孔隙度和連通性，影響了巖體的穩定性，對隧道工程而言，最不利的是水降低了巖土體的強度[2]。

目前，針對巖土體的滲流規律、力學性質及流—固耦合問題國內學者開展了一系列的研究工作。陳偉[3]采用三維數值方法模擬降雨入滲對偏壓隧道的影響。比較了在有無排水兩種工況下，隧道上覆蓋層長時間遭受雨水沖刷，圍巖和支護結構的受力和變形情況。鄒金鋒[4]求得了具有襯砌的圓形隧道在考慮水—力耦合時的彈塑性非線性解析。魏綱[5]等采用有限元軟件對盾構出洞口時的涌水涌砂災害的影響因素做了深入分析。孫志杰[6]等對某高速公路富水黃土隧道開挖過程的水—力耦合效應進行了研究。對常水位作用下支護結構滲透系數對滲流場及圍巖位移的影響進行了分析。

對于富水隧道而言，襯砌水壓力的大小與地下水水頭、圍巖滲透性以及圍巖內的應力狀態有關，這就是滲流場與應力場耦合作用的問題[7]，從理論上來講考慮滲流場與應力場的耦合作用是最接近工程實際的分析方法，但目前滲流場與應力場耦合作用研究成果在壩基工程領域較多，多用于對涌水量的研究，針對隧道工程的排水問題，相關研究不多。

基于此，本文以中條山隧道富水區段為研究對象，把隧道開挖過程與滲流場邊界的變化緊密聯系起來，建立二維滲流—應力耦合數值模型，對不同圍巖級別下采取止水措施前后的隧道周邊圍巖中水頭分布以及排水量變化進行對比分析，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況及計算模型

依托工程中條山特長公路隧道，全長9 671 m，最大埋深681 m，屬深埋特長公路隧道。隧道穿越地層有變質巖、頁巖、砂巖、灰巖、侵入巖以及第三系和第四系松散堆積層，巖性復雜，構造發育，地下水賦存條件較好。隧道通過基巖山區的裂隙水、巖溶水，洪積扇裙區承壓孔隙水及階地區孔隙水。其中洪積扇裙區膠結、半膠結礫巖及砂卵石層穩定性差，承壓水頭高，含水豐富，在泉水調查中有4處泉水出露于此段地層，該段地下水富水程度相對較強，對隧道的施工影響較大。

富水Ⅲ級圍巖段超前注漿加固圈厚3.0 m，拱墻及仰拱鋪設柔性防水板，縱向每10 m一道環向排水盲管和墻腳通長縱向排水盲管。富水Ⅳ級圍巖段采用帷幕注漿堵水，注漿范圍開挖線外5 m，止漿盤厚度為5 m。拱墻及仰拱鋪設柔性防水板，縱向每6 m一道環向排水盲管和墻腳通長縱向排水盲管。在隧道圍巖裂縫滲漏水集中處鋪設φ50 mm軟式彈簧透水圓管，原則上在滲漏水較集中處鋪設，縱向間距按Ⅲ、Ⅳ級圍巖10 m、5 m設置，具體可根據施工中實際滲漏水情況適當調整。

計算模型選取兩側邊界至隧道中心線距離為75 m，底部邊界至隧道距離約為55 m，上部取至地面。邊界條件：模型兩側及底部不透水，初支、加固圈和圍巖緊密接觸，聯合作用，地表以下5 m取靜水頭110 m，隧道內表面取水頭為零。

根據施工圖紙和現場實際施工情況，噴混凝土抗滲等級在S3左右，圍巖注漿加固圈抗滲等級較噴射混凝土低，參考文獻[8]取注漿圈和噴混凝土綜合滲透系數如表1所示。

表1 圍巖及支護材料滲透系數表

2 隧道開挖滲流—應力耦合分析

2.1 Ⅲ級圍巖計算結果

Ⅲ級圍巖條件下地下水水頭等值線如圖1所示。

圖1 不同工況地下水水頭等值線（Ⅲ級圍巖）

由于隧道的開挖，改變了地下水初始滲流場的排泄途徑，圍巖內的滲流場也發生了相應的變化，從圖1中可以看出，隧道開挖后，無注漿圈工況下排水量較大，達到6.3 m3/d，且水頭等高線在圍巖中分布較均勻。

隧道施作注漿圈后，隧道附近一定范圍內圍巖的綜合滲透系數被改變，對滲流場有一定影響，隧道周圍的滲流場再次發生改變，排水量顯著減小，只有1.2 m3/d。

2.2 Ⅳ級圍巖計算結果

Ⅳ級圍巖條件下地下水水頭等值線如圖2所示。

圖2 不同工況地下水水頭等值線（Ⅳ級圍巖）

從圖2中可以看出，隧道開挖后，無注漿圈工況下排水量較大，達到4.8 m3/d，且水頭等高線在圍巖中分布較均勻。

隧道施作注漿圈后，隧道附近一定范圍內圍巖的綜合滲透系數被改變，對滲流場有一定影響，隧道周圍的滲流場再次發生改變，排水量顯著減小，只有1.3 m3/d。

綜上所述，隧道施作注漿圈時，改變了隧道附近一定范圍內圍巖的綜合滲透系數，減小了隧道內的排水量。

3 結論

應用有限元軟件分別針對兩種圍巖級別下有無注漿加固圈4種工況，對某高速公路隧道富水區段開挖過程的水—力耦合效應進行了分析。結果表明：注漿圈的施作改變了水頭等高線在圍巖中的分布情況，無注漿圈時，水頭等高線在圍巖中分布較均勻，有注漿圈時，水頭等高線絕大多數都密集分布于注漿圈區域內。注漿圈的施作，改變了隧道附近一定范圍內圍巖的綜合滲透系數，減小了隧道內的排水量。但排水量并不隨注漿圈厚度的增大而有明顯減小。數值分析可以很好地反映注漿圈對圍巖的止水作用，可為同類工程問題的解決提供依據。