周冠南 付軍恩 楊騰添，2

（1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)系［1-4］，但目前我國對(duì)富水地區(qū)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(duì)隧道邊坡所造成的影響，主要采用的方法有:（1）收集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)水與巖體滑坡的關(guān)系［5］；（2）利用數(shù)值模擬分析軟件研究滲透水對(duì)巖體穩(wěn)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(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)之間的相互作用，依托實(shí)際工程探討了地下水對(duì)隧道主體的影響；李雙元（2015）［9］通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，研究了青島所特有的上軟下硬地質(zhì)條件下隧道穿越飽和礫砂層；采用室內(nèi)模型試驗(yàn)及有限元數(shù)值仿真分析相結(jié)合，周超月（2016）［10］對(duì)巖溶區(qū)的隧道開挖引起的圍巖、支護(hù)位移及應(yīng)力情況進(jìn)行了綜合分析和研究；吳勝番（2012）［11］采用數(shù)值分析的方法研究了滲入水對(duì)襯砌造成的影響。以上學(xué)者都對(duì)降水對(duì)隧道邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著的成果，但針對(duì)隧道下穿水庫所造成的隧道內(nèi)部施工力學(xué)特性變化的研究較少，需在日后的研究中加以關(guān)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(jìn)行數(shù)值模擬，研究了隧道穿越大力寺水庫時(shí)隧道的穩(wěn)定性與滲透系數(shù)之間的規(guī)律，給出了不同巖石擾動(dòng)造成的圍巖滲透系數(shù)變化時(shí)隧道及圍巖的變形、應(yīng)力及塑性區(qū)的變化。

2 工程概況

位于巢湖市境內(nèi)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(qū)域穿過大力寺水庫。洞穴圍巖以泥盆系上統(tǒng)五通組（D3w）強(qiáng)～弱風(fēng)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(cè)為大力寺水庫，水庫占地約86 000 m2。通過降水入滲法計(jì)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(chǔ)層段為淺埋段，埋深5～6 m。

3 數(shù)值分析

隨著工程類軟件的快速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究地下工程圍巖穩(wěn)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(jìn)全周期引起的孔隙水壓、地表沉降、圍巖塑性區(qū)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的變化特性，本文通過數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 數(shù)值模型與邊界條件

在數(shù)值模型中，規(guī)定Y軸正向?yàn)樗淼篱_挖方向，Z軸正向?yàn)樨Q直向上。新大力寺隧道下穿水庫數(shù)值模型如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，把地層等效為三個(gè)均質(zhì)水平層。為減小邊界尺寸對(duì)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)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(jì)。巖土層選取四面體實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為Mohr-Column；襯砌選取板單元模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)；錨桿采用植入式梁模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)。根據(jù)新大力寺隧道下穿水庫段的勘探及設(shè)計(jì)資料，巖土層的物理力學(xué)參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。模型的4個(gè)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(duì)隧道掘進(jìn)的影響時(shí)，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，總水頭和壓力水頭應(yīng)分別設(shè)在模型邊界和隧道襯砌上。地表處應(yīng)布置水庫水對(duì)地表產(chǎn)生的等效荷載［12］。

表1 基本分析參數(shù)

圖1 隧道數(shù)值模型及斷面示意

3.2 巖層滲透系數(shù)的選取

通過查閱相關(guān)資料以及借鑒類似地質(zhì)條件的滲透系數(shù)的取值，依次確定粗角礫巖（A）、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（B）和弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（C）的滲透系數(shù)取值區(qū)間為:1e-9～5e-7、3e-8～6e-4、3e-8～6e-4，見表2。

表2 三種地質(zhì)狀況下巖體的滲透系數(shù)值

3.3 模擬結(jié)果及分析

3.3.1 孔隙水壓

不同地質(zhì)狀況下巖體掘進(jìn)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(tài)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(duì)比同種工況下的初始狀態(tài)下和開挖后的最大孔隙水壓力可以發(fā)現(xiàn)，最大孔隙水壓力均出現(xiàn)在隧道垂直上方，并且與初始狀態(tài)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(gè)漏斗狀，這種現(xiàn)象表明滲透系數(shù)越大，地表的孔隙水壓力就會(huì)越小，但隧道施工會(huì)使地表受到的影響范圍增大。從掘進(jìn)完成后的隧道截面詳圖可以看出，隨著滲透系數(shù)的提高，圍巖受到的影響范圍也隨之?dāng)U大。

3.3.2 地表沉降

在具有良好地質(zhì)條件的巖體中進(jìn)行隧道工程建設(shè)都可能導(dǎo)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(zhì)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(shù)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(zhì)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(qū)分析

圍巖塑性區(qū)的分布可直接表征地下結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。3種地質(zhì)狀況下的圍巖塑性區(qū)分布見圖4。可以看出，圍巖塑性區(qū)多分布在拱頂、拱腰和拱底，三種地質(zhì)狀況下的最大塑性區(qū)均在拱頂位置，且整個(gè)塑性區(qū)隨著滲透系數(shù)的增加而擴(kuò)大。

圖4 塑性區(qū)分布圖

3.3.4 變形特征

在隧道建設(shè)階段，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形可直接反映圍巖的穩(wěn)定性和施工的安全，圖5a、5b為三種地質(zhì)狀況下拱頂和拱底處的豎向位移曲線。通過對(duì)比分析不難看出，拱頂和拱底處豎向位移值在地質(zhì)狀況Ⅲ和地質(zhì)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(shí)巖體滲透性能會(huì)對(duì)巖體的開挖產(chǎn)生一定的影響。由于開挖卸荷導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，因此，在不同種地質(zhì)狀況中第一個(gè)全斷面掘進(jìn)階段，拱頂、拱底均產(chǎn)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(huì)過渡到一個(gè)穩(wěn)定值。隧道正上方的地表土層也會(huì)由于水庫滲水和開挖卸載的雙重作用下產(chǎn)生略微的滑動(dòng)，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果是相符的。

圖5 拱頂和拱底豎向位移對(duì)比曲線

隧道在三種地質(zhì)條件下施工結(jié)束后，所得到的地表沉降曲線見圖6。通過對(duì)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(duì)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(huì)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(jī)理

圖6 地表沉降對(duì)比曲線

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析的結(jié)果，穿越水庫下的大斷面客運(yùn)隧道的開挖將引起周圍巖體的擾動(dòng)。隨著隧道的掘進(jìn)，地表以及地下賦存水的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)改變，隧道上方的地面將首先變得不穩(wěn)定，并且隨著挖掘的繼續(xù)，后續(xù)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(xué)行為發(fā)生難以預(yù)料的變化，極大地增大了隧道的不穩(wěn)定性。因此，下穿水庫的淺埋隧道圍巖變形破壞機(jī)理是由于隧道施工擾動(dòng)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(yán)重時(shí)可能發(fā)生坍塌。因此，在淺埋大斷面隧道下穿大型水庫的圍巖穩(wěn)定性分析中，應(yīng)考慮隧道開挖引起的水庫水入滲與圍巖的關(guān)系。

4 結(jié)論

針對(duì)水庫水覆蓋和地表無水兩種條件下，著重對(duì)隧道施工的安全性進(jìn)行了數(shù)值分析，可得到如下結(jié)論:

（1）隧道下穿水庫的圍巖穩(wěn)定性與巖體的滲透系數(shù)的大小緊密相關(guān)。隨著滲透系數(shù)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(zhì)吸力也逐漸減小，導(dǎo)致圍巖不穩(wěn)定。

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

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

（4）隧道內(nèi)的持續(xù)施工，導(dǎo)致水庫水的滲流不斷發(fā)生改變，以至于影響到隧道周邊并進(jìn)入了塑性區(qū)。拱頂處的塑性區(qū)較拱腰處區(qū)域更大，塑性區(qū)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。