隋 來 才

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

深埋隧道突水多場信息演化規(guī)律分析

隋 來 才

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

以耿家山隧道為工程依托，通過數(shù)值模擬的方法演化深埋隧道突水前兆多場信息的變化規(guī)律，采取了針對性的隧道突水的防范措施，從而保障了隧道的順利施工和人員的安全。

深埋隧道，突水，多場信息，數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定的發(fā)展，國家在交通基礎(chǔ)設(shè)施方面的投資力度進(jìn)一步加大，大量隧道頻繁地出現(xiàn)在公路、鐵路等工程建設(shè)中。然而隧道在施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)突水的問題，這不僅會延誤施工進(jìn)度，造成不必要的財產(chǎn)損失，突水情況嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致隧道塌方，威脅施工人員的生命安全。因此，為了保障隧道的順利施工和人員的安全，研究隧道突水是十分必要的。國內(nèi)外許多學(xué)者對隧道突水做了大量的研究，并得到了相應(yīng)的科研成果。Stallman(1965)[1]利用數(shù)值方法演化了承壓水的變化過程，得出了承壓水隨滲透系數(shù)變化的規(guī)律；Barton(1985)[2]對多場耦合作用下隧道突水過程進(jìn)行了研究，得出了隧道突水過程中圍巖應(yīng)力和位移的變化規(guī)律；近年來，我國學(xué)者致力于隧道突水的研究，并取得了較為顯著的成果。仵彥卿(1999)[3]提出了多場耦合作用下地下水的等效連續(xù)介質(zhì)模型和裂隙網(wǎng)格介質(zhì)模型；黃濤、楊立中(1999)[4]在考慮多場耦合作用下分析了圍巖裂隙度對隧道突水量的影響規(guī)律，并建立數(shù)學(xué)模型對隧道的突水量進(jìn)行了預(yù)測；王建秀(2001)[5]演化了隧道施工階段巖溶蓄水構(gòu)造對突水的影響過程，并提出了巖溶地區(qū)隧道施工的防水措施；劉高(2002)[6]研究了圍巖破碎帶和斷層構(gòu)造對巖溶地區(qū)深埋隧道涌突水的影響規(guī)律；劉斌(2010)[7]對隧道含水構(gòu)造的水量進(jìn)行了研究，從理論上系統(tǒng)地分析了含水地質(zhì)構(gòu)造對隧道突水的影響。

1 工程背景

耿家莊隧道位于霍州市白龍鎮(zhèn)陳家莊村，設(shè)計為左右線分離式，兩洞中軸線間距30 m。左線洞體全長967.0 m，進(jìn)口段里程樁號為ZK14+898，洞口底板設(shè)計高程為682.879 m。

出口段里程樁號為ZK15+865，洞口底板設(shè)計高程為692.210 m；洞體最大埋深102.140 m，位于ZK15+546。右線洞體全長920.0 m，進(jìn)口段里程樁號為K14+911，洞口底板設(shè)計高程為683.131 m；出口段里程樁號為K15+831，洞口底板設(shè)計高程為691.983 m；洞體最大埋深101.098 m，位于K15+556；隧道總體走向呈東西向?yàn)?1°。

隧址區(qū)地層巖性結(jié)構(gòu)較為簡單，主要為二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)砂巖、泥巖互層；二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)砂巖、泥巖互層；各層厚度約3.0 m～6.5 m，巖層較破碎，巖芯一般呈短柱狀或餅狀，底部砂巖較完整，呈長柱狀。上覆第四系褐黃色硬塑粉質(zhì)粘土及稍密粉土。隧道洞身圍巖多為二疊系山西組強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化砂巖及泥巖，地層巖性較破碎，施工時極易造成小規(guī)模塌方。整體而言，隧道工程地質(zhì)構(gòu)造較為單一，不存在斷層，但圍巖巖層破碎；工程地質(zhì)條件一般。

隧址區(qū)地下水類型主要有松散層孔隙水及奧陶系巖溶裂隙水。上層滯水富水性良好，且與隧道有水力聯(lián)系，需考慮其對隧道的影響。根據(jù)區(qū)域資料，奧灰水水位標(biāo)高660 m左右，而兩隧道最低設(shè)計標(biāo)高為977.42 m，水位遠(yuǎn)低于隧道設(shè)計標(biāo)高，故巖溶水不會對該兩隧道產(chǎn)生影響。

2 隧道突水過程多場信息演化規(guī)律分析

2.1 計算模型的建立

根據(jù)耿家莊隧道的地質(zhì)情況建立計算模型，模型的尺寸為200 m(長)×100 m(寬)×100 m(高)，隧道為分離式深埋隧道，如圖1所示，隧道各地層的力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)如表1所示，取隧道的底板標(biāo)高為685 m，隧道直徑為9 m，襯砌200 mm，隧道頂部中間位置存在兩處充滿水的空腔，地表水在土體的滲透作用下匯集到含水空腔內(nèi)，對腔體的四周和底面施加面壓力代替空腔內(nèi)水壓力的作用，同時在空腔單元節(jié)點(diǎn)上施加節(jié)點(diǎn)水頭在計算過程中模擬水的滲流作用。邊界條件取限制數(shù)值模型ux，uy兩個方向的位移和砂巖層底部uz方向的位移，含水空腔底面的節(jié)點(diǎn)水頭為18 m，采用摩爾庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行流固耦合計算，來模擬隧道施工過程中關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力、位移、滲流場的變化。開挖方式為全斷面開挖，開挖步距為10 m，共20步，累計開挖長度為200 m，根據(jù)開挖步驟鈍化已經(jīng)開挖的土體，以研究隨著隧道的開挖滲流穩(wěn)態(tài)的變化規(guī)律。

為演化該分離式深埋隧道突水過程多場信息的變化規(guī)律，在隧道與含水空腔臨近的土體周圍設(shè)置防突層關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測應(yīng)力、位移、滲流的多場信息，從而得到突水過程的演化規(guī)律，關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

表1 數(shù)值模型巖石力學(xué)參數(shù)

巖性密度kN/m3彈性模量kN/m2泊松比μ粘聚力ckN/m2摩擦角?/(°)應(yīng)力參數(shù)K0滲透系數(shù)Km/sec泥巖0.22210000.2212280.640.0176砂巖0.27600000.2616360.750.0084

2.2 突水過程多場信息演化

2.2.1 滲流速度演化規(guī)律

從圖3，圖4中可以看出，滲流速度在含水空腔底部達(dá)到最大，且距離含水空腔越遠(yuǎn)滲流速度越小，z向滲流速度在兩個含水空腔之間達(dá)到最大。從圖5中可以看出，隧道未開挖時最大滲流速度為6.2×10-2m/s，z向滲流速度為2.35×10-2m/s；在隧道開挖至50 m時，含水空腔底部的最大滲流速度降低到5.53×10-2m/s，z向滲流速度也降低到2.01×10-2m/s；當(dāng)開挖至100 m時，即含水空腔正下方時，最大滲流速度繼續(xù)下降到3.73×10-2m/s，z向滲流速度降低到1.4×10-2m/s；當(dāng)開挖至150 m時，此時掌子面已經(jīng)遠(yuǎn)離含水空腔，底部最大滲流速度降低到3.4×10-2m/s，z向滲流速度降低到1.21×10-2m/s。當(dāng)開挖至200 m時，底部最大滲流速度降低到3.3×10-2m/s，z向滲流速度降低到1.5×10-2m/s。從圖5中可以看出，滲流速度總體趨勢為隨著開挖步而持續(xù)降低，當(dāng)開挖接近含水空腔附件位置時，滲流速度降低速率變快，隨著隧道掌子面逐漸遠(yuǎn)離含水空腔，滲流速度減小幅度變緩達(dá)到一個穩(wěn)定值。

2.2.2 孔隙水壓力演化規(guī)律

從圖6中可以看出，土體中孔隙水壓力呈階梯式分布，隨著地面標(biāo)高的降低，孔隙水壓力逐漸降低。從圖7中可以看出，在隧道未開挖時，隧道防突層關(guān)鍵點(diǎn)6周圍土體的初始孔隙水壓力約為17.42 kN/m2；在隧道開挖至50 m時，關(guān)鍵點(diǎn)6周圍土體孔隙水壓力降低至16.85 kN/m2；在隧道開挖至100 m時，孔隙水壓力小幅增大至16.87 kN/m2；當(dāng)開挖至150 m時，孔隙水壓力回落至16.85 kN/m2；當(dāng)開挖至200 m時，孔隙水壓力依舊穩(wěn)定在16.85 kN/m2。從整體上看，在隧道開挖過程中，孔隙水壓力開始小幅下降，隨著開挖的推進(jìn)逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2.3 應(yīng)力場演化規(guī)律

從圖8中可以看出，土體中z向應(yīng)力大體呈階梯式分布，隨著地面標(biāo)高的降低，z向應(yīng)力逐漸增大。從圖9中可以看出，在隧道未開挖時，隧道防突層關(guān)鍵點(diǎn)6周圍土體的最大z向應(yīng)力約為1 097.8 kN/m2；在隧道開挖至50 m時，z向應(yīng)力增大至1 235.8 kN/m2；在隧道開挖至100 m時，z向應(yīng)力繼續(xù)增大至2 115 kN/m2且增大的速率變快；當(dāng)開挖至150 m時，z向應(yīng)力繼續(xù)增大至2 580.6 kN/m2但增大的速率逐漸放緩；當(dāng)開挖至200 m時，z向應(yīng)力增大至2 610 kN/m2，此時圍巖應(yīng)力基本達(dá)到了自穩(wěn)狀態(tài)。整體上看，z向應(yīng)力隨著開挖步的增大而增大，開挖至含水腔下方時，應(yīng)力增率迅速變大，邊墻部位可能出現(xiàn)由于襯砌應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)而出現(xiàn)突水或涌水現(xiàn)象。

2.2.4 位移場演化規(guī)律

從圖10～圖12中可以看出，在隧道開挖至50 m時，z向位移為1.89 mm；在隧道開挖至100 m時，z向位移增大至3.96 mm；當(dāng)開挖至150 m時，z向位移繼續(xù)增大至8.3 mm且增大的速率明顯加快；當(dāng)開挖至200 m時，z向應(yīng)力增大至9.86 mm且增大的速率放緩。從圖13可以看出，z向位移隨著開挖步的增大而增大，開始時增大速率較小，當(dāng)開挖通過含水腔下方時，位移增率迅速變大，之后趨于平緩逐漸達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文以耿家莊隧道為依托工程，通過MIDAS GTS巖土工程數(shù)值模擬軟件對隧道防突層區(qū)域滲流場、應(yīng)力場、位移場信息隨隧道開挖的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了隧道突水前兆信息演化規(guī)律，各場信息變化規(guī)律如下所述：

1)滲流速度總體趨勢為隨著開挖步而持續(xù)降低，當(dāng)開挖接近含水空腔附件位置時，滲流速度降低速率變快，隨著隧道掌子面逐漸遠(yuǎn)離含水空腔，滲流速度減小幅度變緩達(dá)到一個穩(wěn)定值。

2)土體中孔隙水壓力呈階梯式分布，隨著地面標(biāo)高的降低，孔隙水壓力逐漸降低。在隧道開挖過程中，孔隙水壓力開始小幅下降，隨著開挖的推進(jìn)逐漸趨于穩(wěn)定。整體上看，孔隙水壓力的變化不大，可以基本認(rèn)為是穩(wěn)定的。

3)土體中z向應(yīng)力大體呈階梯式分布，隨著地面標(biāo)高的降低，z向應(yīng)力逐漸增大。整體上看，z向應(yīng)力隨著開挖步的增大而增大，開挖至含水腔下方時，應(yīng)力增率迅速變大，邊墻部位可能出現(xiàn)由于襯砌應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)而出現(xiàn)突水或涌水現(xiàn)象。

4)z向位移隨著開挖步的增大而增大，開始時增大速率較小，當(dāng)開挖通過含水腔下方時，位移增率迅速變大，之后趨于平緩逐漸達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

[1] Stallman R W.Steady one-dimensional fluid flow in a semi-infinite porous medium with sinusoidal surface temperature[J].Journal of Geophysical Research,1965,70(12):2821-2827.

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[4] 黃 濤,楊立中.滲流與應(yīng)力耦合環(huán)境下裂隙圍巖隧道突水量的預(yù)測研究[J].鐵道學(xué)報,1999,21(6):75-80.

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[7] 劉 斌.基于電阻率法與激電法的隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測與突水災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

Analysis of water inrush evolution in deep-buried tunnel under the multi-field information

SUI Lai-cai

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan030006，China)

In this paper,based on Gengjiashan tunnel engineering, the law of water inrush evolution in deep-buried tunnel under the multi-field information is showed by numerical simulation and measures are taken to prevent water inrush, which ensure tunnel smooth construction and personnel safety.

deep-buried tunnel, water inrush, multi-field information, numerical simulation

1009-6825(2014)34-0177-03

2014-09-26

隋來才(1982- )，男，工程師

U456.32

A