地下工程突涌水及圍巖滲流場研究分析

江曉洲，張 強，柴軍瑞，許增光

(西安理工大學，陜西 西安 710048)

地下工程突涌水及圍巖滲流場研究分析

江曉洲，張 強，柴軍瑞，許增光

(西安理工大學，陜西 西安 710048)

隧道是地下工程常見的一種結構型式，突涌水在隧道開挖過程中是常常遇到的地質災害之一。針對在隧道施工中遇到的突涌水問題進行了數值模擬分析，研究了施工擾動和不同水位對于隧道突涌水和圍巖滲流場的影響。

地下工程；隧道；突涌水；滲流場

0 前 言

近年來，我國在水利水電領域修建了大量的隧道工程[1]，隧道作為地下通道的工程建筑物，在調水輸水中具有獨特的巨大優勢[2-3]，在地下工程的建設中，安全問題一直是工程人員考慮的重要問題之一[4-5]。我國工程建設重點正向西部轉移，由于西部復雜的地質條件，地下工程施工中極易發生突涌水事故。一旦發生突涌水，不僅危及施工及技術人員的生命安全，而且延誤工期，增加工程投資[6-8]。

引漢濟渭調水工程是解決陜西省關中地區水資源短缺重點支撐工程，秦嶺隧道在該工程中起了非常關鍵的作用，其中，椒溪河隧道是秦嶺隧道的一部分，長6 592 m，綜合坡比10.44%，下穿椒溪河而過。椒溪河隧道圍巖地質條件很差，裂隙發育，巖體較破碎、節理裂隙貫通性強，地下水水量較豐富。在這種地質條件下很容易發生突涌水。

在隧道的開挖中，施工對圍巖產生擾動作用將會影響圍巖的力學性質。滲流場和應力場將會發生變化，而且兩場相互影響加大了兩者的變化，我們把這種作用稱為水巖耦合作用[9-10]。本文在考慮隧道中滲流場與應力場的耦合作用的前提下，應用有限元軟件FLAC3D，研究隧道開挖前后在不同水位情況下，涌水量和圍巖滲流場的變化規律。

1 計算模型及說明

把在椒溪河隧道開挖中發生的第3次涌水作為典型案例進行分析研究。椒溪河隧道標準斷面為馬蹄形，如圖1所示。椒溪河隧道屬于細長結構物，可采用平面應變模型進行建模計算[11]。建模時考慮隧道開挖半徑的影響范圍，寬度取50 m，長度取120 m，則數值解析區域的長寬范圍為120 m×50 m。整個計算模型分上、中、下3層，上層對應的是圍巖地層中的強風化大理巖夾石英片巖地層，中層對應的是微風化大理巖夾石英片巖地層，下層對應的是弱風化大理巖夾石英片巖地層。

圖1 椒溪河隧道主洞斷面

2 椒溪河隧道滲流場及涌水量數值計算

在整個計算過程中，首先打開力學計算模塊，關閉滲流計算模塊；然后，進行交換計算，關閉力學計算模塊，打開滲流計算模塊。要進行隧道開挖滲流場分布的研究，必須要知道隧道圍巖初始滲流場的分布規律。為了得到圍巖初始滲流場分布規律，采用的方法如下。

對于河道水位以下河道邊界上的所有節點，把河道的水深轉換成靜水壓力直接施加到對應水深的節點上；由于河道水位是一定的，所以河道水位以下的河道邊界節點的靜水壓力也就是固定的，因此，可以通過固定河道水位以下河道邊界上的所有節點的靜水壓力，以此作為整個模型的透水邊界條件，而模型其他邊界則設為FLAC3D中的默認邊界(不透水邊界，邊界節點孔壓可自由變化)。在對模型進行重力場計算完成后，然后通過打開滲流模塊，進行滲流計算。待模型計算穩定后，就可以得到圍巖初始滲流場。通過設兩種不同的河道水位高程，分別為580，585 m，來研究在不同河道水位高程的情況下，隧道圍巖開挖前后滲流場分布規律及隧道涌水量的變化規律。

2.1 椒溪河隧道滲流場分析

隧道開挖前，隧道圍巖孔隙水壓力的分布情況如圖2所示。

圖2 隧道開挖前孔隙水壓力分布

通過圖2可以看出，從模型的上部到下部，孔隙水壓力成層狀分布，從上到下孔隙水壓力逐漸增大。

在模擬隧道開挖后，設置隧道開挖邊界為透水邊界，并在開挖邊界上固定孔隙水壓力為零。在這樣的滲流邊界情況，對隧道開挖后滲流場的分布進行計算模擬。隧道開挖后，隧道圍巖孔隙水壓力的分布情況如圖3所示。

圖3 隧道開挖后孔壓分布

從圖3可以看出，隧道開挖后，圍巖孔隙水壓力開始下降，地下水向洞內臨空面滲透。從圖3還可以看出，隧道開挖邊界周圍的孔隙水壓力明顯的小于其他圍巖的孔隙水壓力。通過圖2～3可知，在不同河道水位的作用下，隧道開挖前后的孔隙水壓力的分布規律是相近的。但是，由于河道水位的不同，造成了模型節點在不同河道水位的作用下，相同節點的孔隙壓力值會有不同的變化。

2.2 隧道涌水量分析

對于隧道內涌水量的計算，可以使用FLAC3D軟件中gp_flow變量來求得。通過計算可得，隧道在不同水位高度下隧道內的涌水量大小。隧道涌水量大小計算成果見表1。

表1 不同河道水位下隧道涌水量

通過表1可知，水位高程585 m的涌水量比水位高程580 m高2.422 m3/h，說明隨著水位高度的增加，涌水量也增加了。

3 結 語

在隧道的施工中，不可避免的將產生對圍巖的擾動作用，這種擾動作用將會影響圍巖應力場和滲流場的分布，經過水巖耦合作用，開挖后隧道附近圍巖的滲流場分布與開挖前將會有很大的不同，正如本文模擬的情況，開挖前后圍巖孔隙水壓力發生了很大的變化。由于圍巖滲流場的改變，繼而會影響其他力學性質的改變，圍巖中裂隙、巖體破碎、斷層等不良地質將擴大和劣化，隧道與椒溪河之間形成了過水通道，最后導致了突涌水的發生。另外，河道水的水位高低對隧道圍巖滲流場和涌水量也有較大的影響，河道水位越高，隧道孔隙水壓力越大，涌水量隨著水位的增高而增大。

[1] 李術才, 石少帥, 李利平. 三峽庫區典型巖溶隧道突涌水災害防治與應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(9): 1887-1996.

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[4] 梁臣藝. 礦山測量與礦山安全[J]. 中國錳業, 2014, 32(4): 55-57.

[5] 韋志興, 劉文安, 黎永杰. 露天與地下巷道交匯處安全開采研究[J]. 中國錳業, 2014, 32(1): 17-19.

[6] 江時雨, 陳建宏, 李濤. 水下隧道涌水災害風險評價與預測[J]. 力學進展, 2013, 23(12): 101-106.

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[11] 田坤, 黃炳仁, 王瑞. 考慮滲流效應下的常吉高速公路隧道數值模擬[J]. 水利與建筑工程學報, 2007, 5(4): 26-31.

An Analysis of Gushing Water and Seepage Field of Surrounding Rockin Underground Engineering

JIANG Xiaozhou, ZHANG Qiang, CHAI Junrui, XU Zengguang

(Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shanxi710048,China)

Tunnel is a type of underground engineering, and gushing water in tunnel excavation is often encountered in the course of geological disaster. In tunnel construction of the numerical simulation analysis of the problem of gushing water, we have studied the construction disturbance and water level for different tunnel gushing water and rock mass seepage field of influence.

Underground engineering; Tunnel; Gushing water; Seepage field

2017-03-03

江曉洲(1989-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：水工結構工程，手機：18792479467，E-mail：1015369596@qq.com.

U451

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.043