某隧道斷層區段流固耦合分析及涌水處治措施研究

王 超

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，成都 610500)

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某隧道斷層區段流固耦合分析及涌水處治措施研究

王 超

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，成都 610500)

針對澤雅隧道穿越F10斷層破碎帶區圍巖破碎、涌水量大等問題，為保證隧道的正常施工，確保后期運營安全，采用ABAQUS數值分析軟件建立是否考慮流固耦合的模型，分析不同工況下襯砌的力學特性，計算顯示滲流的存在導致隧道襯砌最大總應力增加52.15%，襯砌最大彎矩增加75.4%。鑒于涌水對隧道力學特性影響較大，進而結合隧道實際情況進行涌水處治措施比選，選取泄水孔結合徑向注漿的處治措施，并運用數值分析手段對注漿圈厚度和注漿材料滲透系數進行優化，計算結果顯示注漿層厚度為5～7 m時，注漿材料滲透系數為圍巖的30～50倍時施工效果較好。該分析結果有效指導了施工，可為類似工程提供參考。

隧道涌水；數值分析；處治措施；注漿參數

斷層破碎帶是隧道建設中面臨的一大難題，長期以來一直干擾著隧道的正常施工。斷層破碎帶內裂隙集中發育、巖體破碎嚴重，不僅其本身賦存大量地下水，還易形成地表水滲流的通道，導致施工中出現涌水、突泥等災害[1-5]。目前已有諸多學者對穿越斷層破碎帶隧道建設進行了有益探索。

圍巖和支護結構力學特性研究方面：劉志春等[6]采用監控量測方法對烏鞘嶺隧道穿越F4斷層破碎帶段進行研究，對復雜應力條件下軟巖隧道初支沉降及應力、二襯接觸壓力及混凝土應力進行實測，并采用曲線擬合的方法對位移、壓力和應力等量測項目最終值進行預測；黎盼[7]以隧道穿越區斷層破碎帶圍巖為研究對象，結合統計分析、模型試驗、數值模擬等手段，對自重應力場作用下穿越不同產狀斷層、采用不同開挖方法的隧道周邊圍巖的應力應變場及支護結構的力學特性進行了探討；高虎軍[8]依托青坪隧道工程，在考慮外水壓力的基礎上，研究了應力場和滲流場雙場耦合情況下圍巖和襯砌的變形及力學特性，并與不考慮流固耦合情況進行對比，揭示了外水壓力對隧道的影響。斷層破碎帶隧道施工水處治技術方面：鄒育麟等[9]以某近接水庫公路隧道工程為依托，采用FLAC軟件對全封堵、水通過環向排水管及盲管滲流進隧道、襯砌墻角設置泄水孔3種排水方式進行比較，以襯砌背后水壓力和排水量為評價指標，對注漿圈厚度和滲透系數進行了探討。

澤雅特長隧道洞身穿越斷層破碎帶14處，隧址區雨水充沛，部分斷層與地表水連通，地質條件復雜，設計參數經驗少，各破碎帶參數差異大，簡單借鑒其他工程具有一定的盲目性[10]，為選出快速安全通過斷層破碎帶的方法，首先應計算破碎帶區域水對隧道襯砌變形及應力的影響，進而采取合理的水處治措施，并分析驗證處治措施的可行性，最終保證工程的順利實施。

1 工程概況

金溫鐵路澤雅隧道全長12.03 km，設計為單洞雙線隧道。除進出口段為淺埋外，其余段埋深均大于100 m，局部地段埋深大于400 m。洞身穿越區域共有斷層14處，斷層破碎帶及其影響帶內圍巖受構造運動影響，巖體破碎。其中斷層F10段巖體破碎嚴重，地表水發育，溝谷呈V字形發育，植被茂密，溪谷較多，水量較豐富，區域地下水主要為構造裂隙水，主要貯存于斷層破碎帶的碎裂巖體孔隙和擠壓破碎的巖組中，現場測試隧道單位出水量為98 m3/h，補給來源主要為大氣降水，如圖1所示。隧道正洞圍巖級別為IV級，采用一般復合式襯砌支護形式，采用C35混凝土。

圖1 F10斷層縱斷面示意

2 數值研究

2.1 模型建立及參數選取

選取地質情況最差的F10段隧道進行分析，模型橫向及豎向長度均取100 m，符合計算要求精度，如圖2所示；該處埋深350 m，將模型上部的巖土體及水體換算為等效荷載施加在模型頂面，地下水位線在地表下20 m，模型頂部施加等效的水壓。圍巖采用實體單元(CPE4P)，襯砌采用梁單元(B21)，圍巖與襯砌采用tie方式連接。計算中假定圍巖為均質、各向同性的等效連續滲透性介質，水面以下巖體完全飽和，開挖前孔隙水處于靜止狀態，開挖后孔隙水處于穩定滲流狀態，巖體中孔隙水流動服從Darcy定理。

圖2 有限元模型(單位：m)

邊界條件：模型左右兩側約束水平位移，底面約束豎向和水平位移，頂面為自由面；考慮流固耦合時，底部和兩側為不透水面，上表面設置固定水頭邊界條件，模型始終飽和。不考慮初支對滲流的影響，隧道掌子面設置為零壓力水頭邊界。施加重力及上部巖土體的等效荷載。模擬參數依據勘察報告、試驗以及相關文獻選取如表1所示。

表1 相關材料參數

模擬步驟為：①設置掌子面流體邊界條件；②隧道開挖，圍巖應力釋放40%；③施加支護及襯砌，圍巖應力全部釋放。

2.2 計算工況擬定

流固耦合是流固兩域部分或全部重疊在一起時，如巖土中的滲流問題，計算中考慮液體的滲流作用，其計算結果更能反映水對隧道的影響。計算工況擬定如下。

工況1：不考慮流固耦合，不施加水壓力、滲流邊界；

工況2：考慮流固耦合，施加水壓力、滲流邊界。

3 計算結果分析

3.1 襯砌總應力分析

圖3列出了2種工況下的襯砌應力分布情況。

圖3 2種工況下襯砌應力分布(單位：MPa)

由圖3可知，襯砌主要承受壓應力。工況1情況下，拱腳部位襯砌總應力較小，最大總應力值出現在兩側邊墻處，其值為21.84 MPa，最小總應力值出現在拱腳部位，其值為11.73 MPa；仰拱部位總應力分布形式較為復雜，主要表現為中間小兩邊大的駝峰形式。工況2情況下，拱頂、拱腳襯砌總應力較小，邊墻及仰拱部位較大，最大應力值出現在仰拱中心處，其值為33.23 MPa，最小總應力值出現在拱腳部位，其值為10.78 MPa。由于滲流作用的影響，工況2時最大總應力增加11.39 MPa，增幅達52.15%；襯砌最大總應力出現位置有所變化，工況1時襯砌最大總應力出現在邊墻處，工況2時襯砌最大總應力出現在仰拱中心處。

3.2 襯砌彎矩分析

圖4列出了2種工況下隧道襯砌彎矩的分布。

圖4 2種工況下襯砌彎矩分布(單位：kN·m)

由圖4可知(圖中正值表示襯砌內側受拉，負值表示襯砌外側受拉)：工況1情況下，襯砌拱頂、拱腰、邊墻部位彎矩值較小，拱腳和仰拱部位彎矩值較大，拱頂、拱腰、邊墻部位襯砌外側承受較小的值的拉力；最大負彎矩值出現在拱腳部位，其值為461.5 kN·m，最大正彎矩出現在仰拱的兩側，其值為362.9 kN·m；仰拱部位襯砌彎矩總體表現為內側受拉，兩側拉力值大于中間部位。工況2情況下，襯砌拱頂、拱腰、邊墻部位彎矩值較小，拱腳和仰拱部位彎矩值較大，拱頂、拱腰、邊墻部位襯砌外側承受較小的值的拉力；最大負彎矩值出現在拱腳部位，其值為809.5 kN·m，最大正彎矩出現在仰拱中心部位，其值為566.2 kN·m。由于滲流作用的影響，工況2襯砌彎矩最大值增加了348 kN·m，增幅達75.4%。

3.3 圍巖塑性區分布

圖5列出了兩種工況下隧道開挖后圍巖塑性區的分布。

圖5 2種工況下圍巖塑性區分布

由圖5可知，隧道開挖在仰拱部位形成了較大的塑性區。工況1情況下圍巖塑性區主要分布在拱頂、拱腰、邊墻和仰拱部位，拱腳部位圍巖基本無塑性應變，仰拱處塑性應變沿隧道輪廓徑向擴散最遠，最遠距離達3.5 m，最大塑性應變出現在邊墻處。工況2情況下圍巖塑性區主要分布在拱頂、拱腰、邊墻和仰拱部位，拱腳部位圍巖基本無塑性應變，仰拱處塑性應變沿隧道輪廓徑向擴散最遠，最遠距離達6 m，最大塑性應變出現在仰拱處。

2種工況下各部位圍巖塑性區最遠擴散距離對比如表2所示。由表2可知：滲流場對圍巖塑性區分布影響最大的區域為仰拱部位；工況2圍巖塑性區范圍增大至原來的1.71倍，增幅達71%。

表2 不同工況塑性區擴散距離 m

綜上數值計算結果可知：由于圍巖中水的存在，直接導致襯砌總應力值增大52.15%，彎矩值增大75.4%。隧道襯砌在較大的壓應力和彎矩同時作用下，極易造成部分襯砌混凝土的壓碎，影響支護結構的承載力，造成襯砌出現裂紋、裂縫等病害，而裂紋裂縫又會成為水流通道，加劇隧道結構的破壞。且塑性區的加大也會造成圍巖流變區域加大，造成圍巖承載力下降，進一步加劇襯砌的變形，影響施工和運營安全。

4 涌水處治

由前述考慮水作用的流固耦合對比計算結果可知，滲流的存在造成襯砌內力及圍巖塑性區變化明顯，普通的襯砌設計已不足以滿足隧道安全運營的標準，且襯砌施作時沿隧道輪廓線的大量涌水會影響施工進程，造成混凝土的坍落度增加，影響襯砌強度。故很有必要對隧道涌水進行處治。目前主要的處治方法有堵水和泄水2種處理措施。針對F10斷層破碎帶圍巖實際情況，從多方面進行涌水處治措施比選[11-15]。方案比選見表3。

表3 方案比選

澤雅隧道DK165+052段，穿越F10斷層破碎帶，日出水量達2 352 m3，該涌水量屬大股狀涌水，超前預注漿難度高。經綜合比選，選擇泄水加徑向注漿處理措施，即開挖之前，先在掌子面底部打泄水孔進行泄水，再進行環向注漿。

4.1 注漿參數選取

4.1.1 注漿圈厚度選取

選取澤雅隧道穿越F10斷面，進行以下工況的流固耦合數值分析，各計算工況見表4。各工況計算時，注漿圈滲透系數保持不變，均為5×10-3cm/s，注漿范圍為360°，即全范圍注漿[16]。

4.1.2 計算結果分析

圖6列出了注漿加固圈厚度K為0(不注漿)、3、5、7 m時的孔隙水壓力場分布。

圖6 各工況孔隙水壓力場分布(單位：Pa)

由圖6可知：當K=0 m(不注漿)時，孔隙水壓力呈漏斗狀分布。相比于K=0 m情況，K=3 m時，隧道的開挖對滲流場的影響區域明顯減小，隧道開挖輪廓線附近孔隙水壓力場等值線呈現近似水平狀態，僅有襯砌排水孔部位水壓較小。隨著注漿圈厚度的增加，隧道開挖輪廓線周圍孔隙壓力繼續減小，當K=5 m時，隧道拱腰附近孔隙水壓力接近排水孔附近，僅拱頂和仰拱處孔隙水壓力較大。當K=7 m時，整個隧道輪廓線附近水壓力均減小至排水孔附近圍巖孔隙水壓力水平。當K>7 m后，隨著注漿圈厚度增加，隧道附近孔隙水壓力基本不再變化，僅壓力下降區域有所擴大。綜上可知，合理注漿圈厚度K=5～7 m。

4.2 注漿圈滲透系數選取

4.2.1 計算工況

選取的各計算工況見表5。不同工況注漿圈厚度保持不變，均為7 m，注漿范圍為360°。用字母p表示圍巖與注漿圈滲透系數之比。

表5 不同注漿圈滲透系數時計算工況

4.2.2 計算結果分析

圖7 不同圍巖與注漿圈滲透系數比值情況下

圖7列出了不同比值p情況下的孔隙水壓力分布。由圖7可知，隨著p值的增大，注漿圈阻水效果顯著提高。當p=1時，圍巖孔隙水壓力呈漏斗狀分布，臨近隧道處圍巖水壓較小，但水壓等高線變化較大，隧道開挖對臨近水系統擾動較大。當p=10時，等高線趨于水平，僅僅在隧道部位稍有下降。當p=30時，圍巖水壓等高線呈接近水平狀態。當p=50以后，注漿圈滲透系數的改變不再對圍巖水壓等高線有影響，且隧道開挖輪廓線附近水壓接近零。可見圍巖和注漿圈滲透系數的合理比值為30～50。

4.3 施工效果檢驗

采用上述計算結果對澤雅隧道涌水進行處治，處治前隧道大量涌水如圖8(a)所示；在掌子面底部進行打孔和徑向注漿后，初支無滲水出現如圖8(b)所示，僅有掌子面底部有水涌出，將從兩側排水溝排除后，不影響正常施工。處治效果較好。

圖8 涌水處治效果對比

5 結論

針對澤雅隧道穿越F10段施工中遇到的涌水問題，選取一典型斷面進行不考慮流固耦合和考慮流固耦合2種工況的隧道結構的力學特性進行對比分析，并進行了處治措施比選及優化，該計算結果有效的指導了施工。主要結論如下。

(1)考慮流固耦合情況后，襯砌總應力最大值增幅為52.15%，最大彎矩增幅為75.4%；考慮流固耦合后圍巖塑性區范圍擴大明顯，其中仰拱處圍巖塑性區徑向最大值由3.5 m增至6 m，增幅達71.4%。滲流的存在對襯砌安全性影響較大。

(2)采取泄水加徑向注漿處治措施時，該隧道徑向合理注漿圈厚度為5～7 m，圍巖與注漿圈滲透系數的合理比值為30～50，在此基礎上增加注漿圈厚度、提高注漿圈的抗滲系數，對隧道開挖輪廓線附近水壓改變效果不明顯。

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Fluid Solid Coupling Analysis and Water Treatment Measures of a Tunnel in Fault Section

WANG Chao

(The Fifth Engineering Co.， Ltd.， China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group， Chengdu 610500， China)

The numerical model is established with ABAQUS numerical analysis software to analyze the mechanical characteristics of the tunnel lining and determine whether the fluid solid coupling is required， with a view to the rock breaking and heavy water gushing where Zeya tunnel passes through F10 a fault section. The seepage causes the tunnel lining stress to increase totally by 52.15% and an increase of 75.4% lining moment. Based on the great impact of water surge on tunnel mechanical property and the actual situation of tunnel surge water， the drainage hole with ring radial grouting is applied and ring grouting thickness and grouting material permeability coefficient are optimized by means of numerical analysis. The results show that the grouting layer thickness of 5～7 m and grouting material permeability coefficient of 30 ～ 50 times of surrounding will have a better construction result. The analysis results can be used to guide construction and provide reference for similar projects．

Tunnel gushing; Numerical analysis; Treatment measures; Grouting parameters

2016-04-26；

2016-05-07

王 超(1983—)，男，工程師，2007年畢業于石家莊鐵道學院土木工程專業，工學學士，E-mail：517459684@qq.com。

1004-2954(2016)12-0109-05

U459.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.024