張新兵，張聚文，傅鶴林

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410075)

水下隧道涌水量分析與合理安全覆巖厚度的確定＊

張新兵，張聚文，傅鶴林

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)某市某水下隧道施工場(chǎng)地的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用FLAC3D數(shù)值方法對(duì)該隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到隧道涌水量隨時(shí)間變化的趨勢(shì);分析涌水量大小與隧道頂板厚度的關(guān)系，并預(yù)測(cè)了隧道開挖后不支護(hù)情況下的失穩(wěn)時(shí)間。研究表明，綜合考慮水下隧道頂板安全厚度與開挖支護(hù)間隔時(shí)間是水下隧道安全施工的關(guān)鍵，為水下隧道施工組織設(shè)計(jì)與防排水設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

水下隧道;涌水量;數(shù)值模擬;覆蓋層厚度

隨著我國(guó)交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了各種過江跨海隧道。在水下隧道的建設(shè)中，隧道涌水是一種相當(dāng)普遍而又非常復(fù)雜的地質(zhì)問題，尤其以高水區(qū)隧道、富水區(qū)隧道以及過江隧道較為常見。隧道開挖時(shí)，外力擾動(dòng)打破了圍巖應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)以及圍巖水力平衡條件，以致水體所儲(chǔ)存的能量順著節(jié)理裂隙瞬間釋放而產(chǎn)生動(dòng)力破壞。水下隧道涌水的突發(fā)性極易造成人員傷亡，其處治也會(huì)大大地延誤工期［1－3］。因此，合理預(yù)測(cè)水下隧道涌水量及圍巖失穩(wěn)突水時(shí)間是水下隧道安全施工的重要安全指標(biāo)。近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)水下隧道設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，如李廷春等［4－5］等就廈門海底隧道的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用工程類比和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其最小覆蓋層厚度的設(shè)計(jì)做了專門研究。孫鈞［6］就水底隧道的施工及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)如海床基巖工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征與綜合地質(zhì)勘察、水底隧道最小覆蓋層厚度、隧道最小埋置深度等進(jìn)行了探討。王夢(mèng)恕等［7］對(duì)水底隧道最小巖石覆蓋層厚度的確定、襯砌結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化與防排水方案等，提出應(yīng)從圍巖穩(wěn)定性和隧道涌水量的大小綜合考慮最小巖石覆蓋層厚度。Nilsen［8］對(duì)已建的海底隧道最小巖石覆蓋厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析與對(duì)比分析，給出了海底隧道最小巖石覆蓋厚度與基巖深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。Arild［9］介紹了海底隧道的概念以及挪威海底隧道的工程經(jīng)驗(yàn)及其未來(lái)發(fā)展方向，并論述了海底隧道設(shè)計(jì)施工中的一些關(guān)鍵技術(shù)及控制環(huán)節(jié)。Vandbrouk等［10－11］指出海底公路隧道規(guī)劃中的一項(xiàng)重要任務(wù)就是有根據(jù)地估計(jì)防水工程量及其耗費(fèi)，并在大量隧道工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)獲得可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)方程—海底隧道的防水工程量與水力梯度、巖石覆蓋層厚度和襯砌接頭數(shù)量三者之間的函數(shù)關(guān)系式。盡管前述研究取得了大量成果，目前人們對(duì)水下隧道的研究仍處于探索階段。在此，本文在這些研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金 (50878213)、長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目(K0902027－11)，以長(zhǎng)沙某過江隧道為工程背景，利用FLAC3D對(duì)水下隧道的涌水量進(jìn)行分析，得出不同隧道安全頂板厚度時(shí)合理開挖支護(hù)間隔時(shí)間，為水下隧道的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 滲流計(jì)算原理

經(jīng)典滲流力學(xué)一般假定流體流動(dòng)的多孔介質(zhì)(比如巖石、土壤等)是完全剛性的(即在孔隙流體壓力變化過程中，固體骨架不產(chǎn)生任何彈性或者塑性變形)。但實(shí)際的多孔介質(zhì)，不論是天然地質(zhì)材料還是人造多孔固體，大多為可變形體。在實(shí)際的滲流過程中，存在多孔介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)之間的相互耦合作用，如滲水路堤固結(jié)作用等。FLAC3D通過以下幾個(gè)方程控制空隙介質(zhì)中的流體流動(dòng)。

(1)平衡方程

對(duì)于小變形，流體質(zhì)點(diǎn)平衡方程為:

式中:qi為滲流速度(m/s);qv為被測(cè)體積的流體源強(qiáng)度(1/s);ζ為單位體積孔隙介質(zhì)的流體體積變化量。而:

式中:M為biot模量(N/m2);p為孔隙壓力;α為biot系數(shù);ε為體積應(yīng)變;T為溫度;β為考慮流體和顆粒熱膨脹系數(shù)(1/℃)。

(2)運(yùn)動(dòng)方程

流體的運(yùn)動(dòng)用Darcy定律來(lái)描述。對(duì)于均質(zhì)、各向同性固體和流體密度是常數(shù)的情況，方程形式如下:

式中:k為介質(zhì)的滲透系數(shù)(m2/pa·s);ρf為流體密度(kg/m3);gi，(i=1，3)為重力加速度的3個(gè)分量(m/s2)。

(3)本構(gòu)方程

體積應(yīng)變的改變引起流體孔隙壓力的變化，反過來(lái)，孔隙壓力的變化也會(huì)導(dǎo)致體積應(yīng)變的發(fā)生?？紫督橘|(zhì)本構(gòu)方程的增量形式為:

式中:Δ為應(yīng)力增量;為給定函數(shù);εij為總應(yīng)變。

式中符號(hào)意義同上。

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況和計(jì)算需要，建立隧道三維計(jì)算模型如圖1所示，其中h分別取3，6，10，15，20，25，30 和35 m，水深取17 m。

(4)相容方程

應(yīng)變率和速度梯度之間的關(guān)系為:

式中:vi為介質(zhì)中某點(diǎn)的速度。

(5)連續(xù)性方程

將流體質(zhì)量平衡方程(1)代入孔隙流體本構(gòu)方程(4)就可以得到流體的連續(xù)性方程:

圖1 隧道計(jì)算模型Fig.1 Computation model of tunnel

1.3 材料參數(shù)

參考有關(guān)地質(zhì)物探資料及相關(guān)規(guī)范，各巖土層及材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1～2所示。

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Computation parameters of surrounding rock

表2 網(wǎng)噴初支shell結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)表Table 2 Computation parameters of primary lining of tunnel

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 涌水量變化趨勢(shì)的對(duì)比分析

覆巖厚度h分別為15，20 m時(shí)，將隧道網(wǎng)噴初期支護(hù)(厚度22 cm)與無(wú)支護(hù)情況下隧道涌水量變化趨勢(shì)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。結(jié)果表明，及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)噴初期支護(hù)后較大地增加了圍巖突水失穩(wěn)時(shí)間，且涌水量波動(dòng)相對(duì)較小;與無(wú)支護(hù)情況相比，最終涌水量大小基本接近，涌水量總體變化趨勢(shì)基本一致。可見無(wú)支護(hù)情況下涌水量預(yù)測(cè)基本能反映巖土體滲水變化趨勢(shì)，而且在工程實(shí)踐中，水下隧道風(fēng)險(xiǎn)主要在于隧道開挖后到隧道圍巖突水失穩(wěn)間隔時(shí)間的長(zhǎng)短，其時(shí)間間隔又是合理安排隧道預(yù)注漿加固和預(yù)支護(hù)時(shí)間的基礎(chǔ)。因此，計(jì)算涌水量時(shí)，可直接計(jì)算隧道無(wú)支護(hù)情況下圍巖失穩(wěn)時(shí)的臨界涌水量。

圖2 2種工況下涌水量變化趨勢(shì)曲線對(duì)比Fig.2 Curves of water inflow

2.2 涌水量分析

覆巖厚度h分別為15，20 m時(shí)，開挖過程中涌水量變化曲線如圖2所示，失穩(wěn)前空隙水壓力與涌水量矢量圖如圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明，隧道開挖后出現(xiàn)了明顯降水漏斗，隧道周圍的空隙水壓力降低，空隙水壓力相對(duì)同一層面的正?？障端畨毫s有40%的折減。

圖3 孔隙水壓力與涌水量矢量圖Fig.3 Pore water pressure of tunnel and arrow plot of seepage field(Pa，m/s)

2.3 失穩(wěn)時(shí)間、涌水量與覆巖厚度的關(guān)系

隧道未受開挖擾動(dòng)之前，孔隙水壓力為靜水壓力梯度分布。隧道開挖后四周圍巖表面為臨空面，節(jié)點(diǎn)空隙水壓力為零。在河水深度17 m的情況下，圍巖覆蓋厚度h與涌水量Q和失穩(wěn)時(shí)間t的關(guān)系，分別如表3、圖4所示。其中，涌水量Q均指每延米隧道每秒涌水量。由表3和圖4可知，3 m覆巖厚度時(shí)，不足1 h圍巖出現(xiàn)失穩(wěn);5～15 m時(shí)計(jì)算涌水量遞增趨勢(shì)較緩慢，但失穩(wěn)時(shí)間得到大幅增加;覆巖厚度為15～20 m左右時(shí)失穩(wěn)時(shí)間和涌水量先后達(dá)到一個(gè)峰值;25 m后兩者又開始緩慢遞增。由分析可得:覆巖厚度10～15 m時(shí)，隧道斷面涌水量相對(duì)較小，圍巖失穩(wěn)時(shí)間較長(zhǎng)。由于水下隧道覆巖厚度每增加1 m，水下隧道工程費(fèi)用將增加約13.5萬(wàn)美元。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全的因素，最小安全頂板厚度為10～15 m。

表3 失穩(wěn)時(shí)間、覆巖厚度與涌水量Q的關(guān)系Table 3 Relations between failure time，coping thickness and water inflow

圖4 失穩(wěn)時(shí)間、涌水量與覆巖厚度關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of failure time，coping thickness and water inflow

3 結(jié)論

(1)及時(shí)掛網(wǎng)噴錨支護(hù)能有效延緩圍巖失穩(wěn)時(shí)間，但單純的噴錨支護(hù)防滲堵水效果并不明顯，還需采取其他的防排水措施，如帷幕注漿等。

(2)空隙水水滲流過程中空隙水壓力降低，隧道周圍的空隙水壓力相對(duì)同一層面的正?？障端畨毫s有40%的折減。

(3)覆巖厚度的選擇，需綜合考慮涌水量大小和圍巖失穩(wěn)時(shí)間。

(4)圍巖失穩(wěn)時(shí)間可作為水下隧道施工組織與防排水設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

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Analysis on water inflow in underwater tunnel and determination of reasonable security coping thickness

ZHANG Xin-bin，ZHANG Ju-wen，F(xiàn)U He-lin

(Hunan Zhongda Design Institute Co.，Ltd，Changsha 410075，China)

Specific to the hydrogeology and engineering geology of the construction site of a certain underwater tunnel in a city，F(xiàn)LAC3Dnumerical method is employed for the numerical simulation，which shown that water inflow in the tunnel changes with time.Besides，it has analyzed the relationship between water yield and coping thickness as well as forecasted the time of being unsupported after the tunnel is excavated.Researches indicate that the key of constructing underwater tunnels safely is taking a comprehensive consideration about the security coping thickness and the time interval between excavation and support.The result provides a reference for its construction organization design and waterproof and drainage design.

underwater tunnel;water inflow;numerical simulation;coping thickness

U455

A

1672－7029(2011)06－0054－05

2011－11－15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878213);長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目(K0902027－11)

張新兵(1963－)，男，湖南石門人，高級(jí)工程師，從事工程設(shè)計(jì)與科研工作

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