隧道下穿新大力寺水庫施工穩定性分析

周冠南 付軍恩 楊騰添，2

（1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300；2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室 陜西西安 710055）

1 引言

巖體滑坡、隧道滲漏和襯砌變形都與水有很大的關系［1-4］，但目前我國對富水地區隧道開挖的研究還不夠深入。目前的研究集中于地表雨水滲透對隧道邊坡所造成的影響，主要采用的方法有:（1）收集數據進行歸納總結，發現水與巖體滑坡的關系［5］；（2）利用數值模擬分析軟件研究滲透水對巖體穩定性的影響［6-7］。楊卓（2013）［8］研究了流固耦合作用的原理以及應力場與滲流場之間的相互作用，依托實際工程探討了地下水對隧道主體的影響；李雙元（2015）［9］通過理論推導和數值模擬，研究了青島所特有的上軟下硬地質條件下隧道穿越飽和礫砂層；采用室內模型試驗及有限元數值仿真分析相結合，周超月（2016）［10］對巖溶區的隧道開挖引起的圍巖、支護位移及應力情況進行了綜合分析和研究；吳勝番（2012）［11］采用數值分析的方法研究了滲入水對襯砌造成的影響。以上學者都對降水對隧道邊坡穩定性的影響進行了大量研究，并取得了顯著的成果，但針對隧道下穿水庫所造成的隧道內部施工力學特性變化的研究較少，需在日后的研究中加以關注。

本文依托新建新大力寺隧道下穿水庫，采用有限元軟件進行數值模擬，研究了隧道穿越大力寺水庫時隧道的穩定性與滲透系數之間的規律，給出了不同巖石擾動造成的圍巖滲透系數變化時隧道及圍巖的變形、應力及塑性區的變化。

2 工程概況

位于巢湖市境內的在建商合杭鐵路新建大力寺隧道，全長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區域穿過大力寺水庫。洞穴圍巖以泥盆系上統五通組（D3w）強～弱風化石英砂巖和石英礫巖為主，巖性柔硬相間，洞穴附近有水庫地表漏水的可能性。隧道地表水以大氣降水為主，大部分從斜坡排放到邊坡。隧道DK446+690～DK446+940段下穿大水量水塘；DK448+510～DK448+710段右側為大力寺水庫，水庫占地約86 000 m2。通過降水入滲法計算，隧道最大涌水量為3 061.5 m3／d。隧道入口和出口的DK446+810儲層段為淺埋段，埋深5～6 m。

3 數值分析

隨著工程類軟件的快速發展，數值模擬已成為研究地下工程圍巖穩定性的一種重要手段。為了全面研究在三種不同工況下隧道下穿水庫段掘進全周期引起的孔隙水壓、地表沉降、圍巖塑性區以及支護結構位移的變化特性，本文通過數值模擬進行對比分析。

3.1 數值模型與邊界條件

在數值模型中，規定Y軸正向為隧道開挖方向，Z軸正向為豎直向上。新大力寺隧道下穿水庫數值模型如圖1所示。根據現場地質條件，把地層等效為三個均質水平層。為減小邊界尺寸對數值試驗結果造成的誤差，模型左右和底部邊界距隧道軸線的間距均取3倍洞徑；模型長80.00 m、寬40.00 m、高55.80 m；地表處總壓力水頭按12.00 m計。巖土層選取四面體實體單元模擬，本構模型為Mohr-Column；襯砌選取板單元模擬，本構模型為彈性結構；錨桿采用植入式梁模擬，本構模型為彈性結構。根據新大力寺隧道下穿水庫段的勘探及設計資料，巖土層的物理力學參數和支護結構參數如表1所示。模型的4個立面和底部界面采用法向位移約束，地表為自由邊界。在分析水庫滲流對隧道掘進的影響時，根據調查數據，總水頭和壓力水頭應分別設在模型邊界和隧道襯砌上。地表處應布置水庫水對地表產生的等效荷載［12］。

表1 基本分析參數

圖1 隧道數值模型及斷面示意

3.2 巖層滲透系數的選取

通過查閱相關資料以及借鑒類似地質條件的滲透系數的取值，依次確定粗角礫巖（A）、強風化泥質砂巖（B）和弱風化泥質砂巖（C）的滲透系數取值區間為:1e-9～5e-7、3e-8～6e-4、3e-8～6e-4，見表2。

表2 三種地質狀況下巖體的滲透系數值

3.3 模擬結果及分析

3.3.1 孔隙水壓

不同地質狀況下巖體掘進前后的孔隙水壓分布如圖2所示。由圖2可以看出，初始狀態下的最大孔隙水壓力分別為 1 173.1 kN／m2、834.5 kN／m2、660.5 kN／m2；開挖后的最大孔隙水壓力分別為1 142.4 kN／m2、825.3 kN／m2、657.1 kN／m2。通過對比同種工況下的初始狀態下和開挖后的最大孔隙水壓力可以發現，最大孔隙水壓力均出現在隧道垂直上方，并且與初始狀態相比，開挖后最大孔隙水壓降低。從開挖前到開挖完成后，孔隙水壓力云圖在地表的分布形狀從凹槽逐漸變成一個漏斗狀，這種現象表明滲透系數越大，地表的孔隙水壓力就會越小，但隧道施工會使地表受到的影響范圍增大。從掘進完成后的隧道截面詳圖可以看出，隨著滲透系數的提高，圍巖受到的影響范圍也隨之擴大。

3.3.2 地表沉降

在具有良好地質條件的巖體中進行隧道工程建設都可能導致施工段上方地表變形，地表上方存在水庫的情況更是如此。圖3給出了分別在三種地質狀況下施工完成后的整體豎向位移云圖。從中可以直觀地看出，由于巖體滲透系數的提高，水庫水下滲的深度也隨之增加，且隧道正上方的地表沉降也隨之增加。三種地質狀況下最大沉降量為5.0 mm、6.4 mm、9.5 mm。

圖2 孔隙水壓分布云圖（單位：kN／m2）

圖3 豎向位移云圖（單位：mm）

3.3.3 塑性區分析

圍巖塑性區的分布可直接表征地下結構的安全和穩定性。3種地質狀況下的圍巖塑性區分布見圖4。可以看出，圍巖塑性區多分布在拱頂、拱腰和拱底，三種地質狀況下的最大塑性區均在拱頂位置，且整個塑性區隨著滲透系數的增加而擴大。

圖4 塑性區分布圖

3.3.4 變形特征

在隧道建設階段，圍巖與支護結構的變形可直接反映圍巖的穩定性和施工的安全，圖5a、5b為三種地質狀況下拱頂和拱底處的豎向位移曲線。通過對比分析不難看出，拱頂和拱底處豎向位移值在地質狀況Ⅲ和地質狀況Ⅰ中分別取得最大值和最小值，由此可知，隧道在下穿水庫時巖體滲透性能會對巖體的開挖產生一定的影響。由于開挖卸荷導致圍巖應力重分布，因此，在不同種地質狀況中第一個全斷面掘進階段，拱頂、拱底均產生較大豎向位移，在接下來的施工過程中，拱頂和拱底處的豎向位移會過渡到一個穩定值。隧道正上方的地表土層也會由于水庫滲水和開挖卸載的雙重作用下產生略微的滑動，這與現場實測結果是相符的。

圖5 拱頂和拱底豎向位移對比曲線

隧道在三種地質條件下施工結束后，所得到的地表沉降曲線見圖6。通過對比圖6中的沉降曲線可以明顯看到，在隧道施工階段，水的滲流對最終的地表沉降量有著極為重要的作用；從水平方向看，越接近隧道中軸線，地表沉降量就會越大；不同施工條件下，在隧道的正上方地表沉降值最大，最大沉降量為-1.19 mm、-1.50 mm、-2.12 mm。

3.4 大斷面客專隧道下穿水庫破壞機理

圖6 地表沉降對比曲線

根據上述數值模擬分析的結果，穿越水庫下的大斷面客運隧道的開挖將引起周圍巖體的擾動。隨著隧道的掘進，地表以及地下賦存水的運動遷移受到一定程度的影響。水滲流以及孔隙水壓力兩方面的因素出現改變，隧道上方的地面將首先變得不穩定，并且隨著挖掘的繼續，后續施工帶來了更多的影響因素，這些因素相互交叉作用使圍巖的力學行為發生難以預料的變化，極大地增大了隧道的不穩定性。因此，下穿水庫的淺埋隧道圍巖變形破壞機理是由于隧道施工擾動造成的，并且在水庫水入滲的作用下造成地表變形和破壞，嚴重時可能發生坍塌。因此，在淺埋大斷面隧道下穿大型水庫的圍巖穩定性分析中，應考慮隧道開挖引起的水庫水入滲與圍巖的關系。

4 結論

針對水庫水覆蓋和地表無水兩種條件下，著重對隧道施工的安全性進行了數值分析，可得到如下結論:

（1）隧道下穿水庫的圍巖穩定性與巖體的滲透系數的大小緊密相關。隨著滲透系數的增加，庫底巖層被浸深度也隨之增加，因此，大部分巖體的基質吸力也逐漸減小，導致圍巖不穩定。

（2）由于隧道開挖破壞了原有的水土平衡，導致隧道正上方庫底巖層暫時飽和，并逐漸向隧道四周巖體延續。

（3）在考慮地表水庫水滲透的情況下，隧道的施工會導致孔隙水壓產生很大程度的改變。這種變化在短期內施作的襯砌區域尤其突出，其帶來的后果往往是滲水、漏水等不利現象。隨著隧道開挖進程的推進，更大范圍的零壓力面相繼出露，各區域內的水頭以及滲流情況都發生了很大改觀。

（4）隧道內的持續施工，導致水庫水的滲流不斷發生改變，以至于影響到隧道周邊并進入了塑性區。拱頂處的塑性區較拱腰處區域更大，塑性區在隧道洞室周邊的分布范圍整體上隨著滲透性的提高而減小。