岑溪大隧道涌水原因及數值模擬分析

陳永康

(廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530003)

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岑溪大隧道涌水原因及數值模擬分析

陳永康

(廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530003)

文章以廣西岑溪大隧道上行線CK7+570涌水為例，結合現場地質資料，依據地下水運動規律及試驗所得圍巖滲透參數，采用ADINA建立岑溪大隧道三維有限元模型，分析隧道涌水的成因機理及地下水滲流特征，并根據相關文獻測算出涌水流量，與隧道現場測試最大涌水量進行比較，發現模擬測試結果和現場測試結果接近，說明隧道涌水模擬分析非常有效，可為隧道后續開挖及支護提供理論依據。

岑溪大隧道；涌水；機理分析；數值模擬

0 引言

近年來，我國交通事業得到了長足的發展。為了滿足現代運輸及人們出行的方便，修建的隧道也越來越多，目前隧道呈現出越修越長、越修越寬、技術越來越難的趨勢。隧道在修建過程中各種地質災害越來越頻繁，其中隧道涌水是一種相當普遍且極其容易造成嚴重后果的工程災害，對施工人員和設備造成嚴重甚至災難性損害[1]。因此，加強隧道涌水的研究，對保障隧道施工，擬定有效

的防治措施，均有非常重要的意義。

岑溪大隧道是廣西岑水至水汶高速公路的控制性工程，位于廣西岑溪市南部山區內，為上下分離式隧道，上行線長4 288 m，下行線長4 270 m，隧道埋深最大約為645 m。隧址區內有4條發育斷裂，地下水補給條件復雜，地應力高，發生涌水的概率非常大，本文以岑溪大隧道上行線CK7+570涌水為例，分析隧道涌水原因，并采用ADINA有限元軟件分析地下水滲流特征，并與現場涌水量測算進行對比，從而驗證隧道涌水滲流特征，為后續隧道施工預防涌水災害發生提供理論依據。

1 隧道地質條件

1.1 地形地貌

隧道位于廣西東南部的構造侵蝕型低山地貌區，云開大山北麓的東段，峰脊線為西-東北西-南東走向，高程為245～845 m，相對高差600上下，在地表徑流侵蝕及長期構造作用下，地形起伏較大，山高坡陡，“V”型溝谷發育，地表植被茂盛。

1.2 地層巖性

表層以第四系殘坡積層覆蓋為主，局部有風化混合物出露，基巖主要是變質作用下的混合巖(如花崗片麻巖、片麻狀花崗巖、石英巖、片麻巖等)組成，巖性以花崗巖為主，存在局部侵入巖脈。礦物成分主要是長石、石英和云母，中～粗粒狀顆粒，變質結晶后為塊狀、片麻狀。

1.3 地質構造

隧道區域內受不同規模和不同等級的斷層、破碎帶發育，在地質勘查時，發現較大的破碎帶及斷層，分別為岑溪至容縣斷層和大隆到水汶斷層。斷層和破碎構造帶走向多為NW、SN，其中以NW向為主，與隧道軸線斜交。

2 隧道涌水原因分析

2.1 隧道涌水經過

隧道上行線進口端掘進至CK7+560時圍巖出現變化，圍巖破碎，節理、裂隙發育。2012年6月22日凌晨3點掘進至CK7+570時，掌子面出現滲水現象，開始是點滴狀，隨著時間推移變為股狀出水并夾泥，掌子面拱頂圍巖經常掉塊，破碎處圍巖出現小規模滑移。經過現場測試，從6月22日下午開始涌水量為2 550 m3/d，直到8月21后一直穩定在2 000 m3/d左右，見圖1～2。

圖1 隧道涌水示例圖

圖2 掌子面涌水示例圖

2.2 涌水原因分析

根據地質勘查及現場涌水等資料，經過分析，涌水主要由以下4方面造成：

(1)儲存條件

隧道在CK7+570附近埋深80 m左右，地勢較周邊低洼，在長期的地表徑流和地質構造作用下形成了一個大埡口。周邊的巖體經過擠壓機拉伸反復作用，巖體極其破碎，節理裂隙發育，透水能力強，是一個天然的儲水庫。

(2)地下水的補給

涌水區域地表無較大的儲水庫，地表水主要是各溝谷的泉水，地表流徑發育，溪流密度較大，補給主要是來自松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，其中松散孔隙水主要是大氣降雨滲入補給和基巖裂隙水側向補給；基巖裂隙水主要是大氣降雨滲入補給和松散巖孔隙水滲入補給，而發生涌水時正處于豐水期，大氣降水給予地下水源源不斷的補充。

(3)連通條件

涌水區CK7+560～CK7+980段由于受到地質構造作用下，圍巖主要呈破碎狀結構，節理、裂隙極其發育，粘性土充填，在斷層的影響下巖體裂隙張大、連通性發育，成為了地下水及地表水涌水的連通渠道。

(4)施工影響

地下水的循環早在歷史的長久作用下已經穩定，而隨著隧道開挖，改變了原有的應力場，并將原來地下水滲流場改變，地下水流動、遷移發生變化，隧道的開挖成為地下水遷移的新廊道，所有的地下水都向這條新廊道中匯集。隧道爆破施工又擾動周邊圍巖，使得圍巖變形，裂隙張大，加速地下水滲流。

3 數值模擬分析

3.1 模型的建立

地下水的無壓滲流是三維自由面滲流問題，因此可以忽略地表水的蒸發量或滲入[2]，根據地質資料及隧道實際開挖斷面，利用ADINA建立岑溪大隧道三維有限元模型。

模型區域范圍取CK7+560～CK7+680，共120 m(X方向)，隧道埋深度為60～80m。根據現場所測最初最大涌水量，利用隧道涌水量預測的大島洋志公式進行計算：

(1)

式中：q0——單位長度隧道的最大涌水量，m3/d；

K——圍巖滲透系數，m/d；

H——含水層初始頂面到隧道底面高度，m；

r0——隧道洞室半徑，m；

d——隧道洞室直徑，m；

m——轉換系數。

其中q0取2 550m3/d，π取3.14，轉換系數m取0.86，隧道橫斷面用等價圓半徑r0取5.25m，d取10.5m，K為25m/d，將這些數據代入式(1)，可以算出含水層厚度為68.63m，根據地勘及水位觀測資料知地下水位于地表以下5m，從而隧道中線距離地下水位面65～75m。因此，模型頂面為地下水位線，模型底面取隧道底面以下15m，共85m(Z方向)；橫向為隧道中線沿兩側各延伸100m(Y方向)，見圖3。

圖3 隧道剖面示意圖

隧道模型由三個單元組組成：第一組是圍巖；第二組是隧道開挖洞身；第三組是隧道襯砌。模型共有539 894個節點，65 120個單元，640個體，采用8節點六面體的方式進行網格劃分，見圖4。

圖4 隧道網格劃分示意圖

3.2 計算邊界條件和參數

目前有限元計算滲流時采用的邊界條件有兩類：(1)流量邊界條件；(2)水頭邊界條件[3][4]。本次計算模型底面為不透水邊界，屬第二類邊界條件；根據隧道縱斷面圖及地下水位線，模型最大水頭為1 000kPa，屬第一類邊界條件。

模型中所涉及到的巖土計算參數主要包括圍巖等級、巖性、重度、滲透系數、變形模量、泊松比、內摩擦機、粘聚力。根據地質勘查及試驗資料確定各參數，見表1。

表1 數值計算參數表

3.3 數值結果分析

(1)水頭分析

圖5 隧道開挖前總水頭云圖

圖6 隧道開挖一半水頭云圖

圖7 隧道全開挖水頭云圖

隧道沒有開挖時，水頭沒有發生變化，最大水頭是1 000kPa，見圖5；隧道上臺階開挖時水頭變化情況，最大水頭是980kPa(見圖6)，比沒有開挖的時減少了20kPa；隧道下臺階開挖后的水頭變化情況，最大水頭是970kPa(見圖7)，比上臺階開挖的時候又降低了10kPa，較隧道沒開挖時降低了30kPa。說明隧道從開挖到上臺階開挖水頭變化較下臺階開挖大，符合水壓力消散原理，剛開挖水壓力較大，水頭變化明顯，隨著水壓的消散，水頭變化降低。

(2)自由液面分析

圖8 隧道開挖12 m的自由水面云圖

圖9 隧道全開挖的自由水面云圖

圖8、圖9分別為隧道開挖到12m和完全開挖后的自由液面變化。由圖8可知，剛開挖時，自由液面變化不大，主要在模型頂面、底面積隧道周邊(特別是隧道拱頂上方)一定范圍，而距隧道較遠的兩側變化不大。由圖9可知，等隧道完全開挖后，地下水不斷從隧道流失，自由液面變化較明顯，特別是隧道拱頂及拱腰處，降低明顯，說明隧道拱頂、拱腰處水位下降范圍較大，是涌水的主要來源；隧道底部的自由液面也有一點變化，但范圍非常小，說明隧道開挖時，隧道底部涌水有限，量不大。因此對該涌水治理重點是對拱頂及拱腰處。

(3)流速分析

為更好模擬分析流速的變化，在模擬分析時將隧道附近區域單獨作為流速分析。

圖10 隧道開挖一半流速矢量圖

圖11 隧道全開挖流速矢量圖

由圖10～11可知，地下水滲流主要是隧道拱頂、拱腰流向已經開挖區域，且離掌子面越近，水流速度越快，離掌子面越遠其流速越小。主要是因為地下水在自重力及水壓力作用下，由于掌子面為臨空區，地下水的流通通道沒有阻力障礙，流至掌子面時壓力突然被釋放，地下水的速度就明顯增加。由圖10可知隧道上臺階開挖時，掌子面滲水流速為0.003～0.008 6m/s。如圖11所示，隧道下臺階開挖后，掌子面滲水流速為0.001 5～0.006 5m/s。這說明隨著隧道掘進，地下水不斷流失，水壓力降低，致使水的流速慢慢變小。從隧道開挖至完成的時間內，地下水的平均流速為0.005m/s。根據涌水量Q=A*V[5]，其中A為滲水實際過水斷面面積，根據勘察資料可知隧道涌水段裂隙率為5%，洞室大小為12.6×10.5m2，算出隧道涌水量為2 857.68m3/d，而隧道現場測試開始最大涌水量約為2 550m3/d，說明兩者數值相近。

通過模擬總水頭、自由液面、流速的分析，運用水壓力公式P=ρgh計算隧道開挖前后地下水下降了3m，為了保障隧道附近居民的正常生活及周邊生態環境，需要對涌水進行堵水處治。

4 結語

(1)本文根據隧址區域地形地貌及現場勘探，分析岑溪大隧道上行線CK7+570處發生涌水原因。

(2)運用ADINA有限元軟件對隧道涌水進行數值模擬分析，得出隧道涌水主要發生在拱頂、拱腰處，這與實際相符。并算出涌水后地下水位下降3m，這為隧道涌水處治方案應以“堵”提供理論依據。

(3)在隧道現場測試開始最大涌水量約為2 550m3/d，數值模擬分析推算出最大涌水量為2 857.68m3/d，兩者數值接近，肯定了數值模擬分析方法，為后續隧道掘進中計算涌水量大小提供參考，為隧道施工中采取預防措施提供依據。

[1]吳明玉，寧殿晶，謝秩瓊.隧道涌水的原因分析及治理措施[J]，山西建筑，2010，36(12)：33-37.

[2]王 媛，王 飛，倪小東.基于非穩定滲流隨機有限元的隧洞涌水量預測[J].巖石力學與工程學報，2009，10(28)：1183-1188.

[3]陳吉森.連拱隧道地下水滲流場及防排水技術研究[D].南京：河海大學，2006.

[4]李守巨，劉迎曦.巖體裂隙中滲流場有限元隨機模擬分析[J].巖土力學，2009，7(30)：25-30.

[5]李鵬飛，張頂立，周 燁.隧道涌水量的預測方法及影響因素研究[J].北京交通大學學報，2010，4(34)：12-15.

Cenxi Large Tunnel Gushing Causes and Numerical Simulation Analysis

CHEN Yong-kang

(Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning，Guangxi，530003)

With the gushing of Guangxi Cenxi Large Tunnel up-line CK7+570 segment as the example，combined with field geological data，and based on the movement rules of groundwater as well as the surrounding rock permeability parameters obtained from the test，this article established the dimen-sional finite element model of Cenxi Large Tunnel by using ADINA，analyzed the occurrence mechanism of tunnel water gushing as well as the seepage characteristics of groundwater，calculate the gushing flow according to related literature，compared with the largest gushing amount in field tunnel test，and it found that the simulation test results are close to the field test results，indicating that the tunnel gushing simulation analysis is very effective，which can provide the theoretical basis for subsequent tunnel exca-vation and supporting.

Cenxi large tunnel；Gushing；Mechanism analysis；Numerical simulation

陳永康(1975—)，男，碩士，高級工程師，主要從事公路、橋梁工程教學、設計與施工技術服務工作。

U453.6+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.008

1673-4874(2015)01-0033-05

2014-12-10