深埋隧道突水多場信息演化規律分析

隋 來 才

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

深埋隧道突水多場信息演化規律分析

隋 來 才

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

以耿家山隧道為工程依托，通過數值模擬的方法演化深埋隧道突水前兆多場信息的變化規律，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，數值模擬

0 引言

隨著我國國民經濟的快速穩定的發展，國家在交通基礎設施方面的投資力度進一步加大，大量隧道頻繁地出現在公路、鐵路等工程建設中。然而隧道在施工過程中經常會出現突水的問題，這不僅會延誤施工進度，造成不必要的財產損失，突水情況嚴重時還可能導致隧道塌方，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。國內外許多學者對隧道突水做了大量的研究，并得到了相應的科研成果。Stallman(1965)[1]利用數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變化的規律；Barton(1985)[2]對多場耦合作用下隧道突水過程進行了研究，得出了隧道突水過程中圍巖應力和位移的變化規律；近年來，我國學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介質模型和裂隙網格介質模型；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律，并建立數學模型對隧道的突水量進行了預測；王建秀(2001)[5]演化了隧道施工階段巖溶蓄水構造對突水的影響過程，并提出了巖溶地區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造對巖溶地區深埋隧道涌突水的影響規律；劉斌(2010)[7]對隧道含水構造的水量進行了研究，從理論上系統地分析了含水地質構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陳家莊村，設計為左右線分離式，兩洞中軸線間距30 m。左線洞體全長967.0 m，進口段里程樁號為ZK14+898，洞口底板設計高程為682.879 m。

出口段里程樁號為ZK15+865，洞口底板設計高程為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，進口段里程樁號為K14+911，洞口底板設計高程為683.131 m；出口段里程樁號為K15+831，洞口底板設計高程為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為81°。

隧址區地層巖性結構較為簡單，主要為二疊系下統下石盒子組(P1x)砂巖、泥巖互層；二疊系下統山西組(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粘土及稍密粉土。隧道洞身圍巖多為二疊系山西組強風化～中風化砂巖及泥巖，地層巖性較破碎，施工時極易造成小規模塌方。整體而言，隧道工程地質構造較為單一，不存在斷層，但圍巖巖層破碎；工程地質條件一般。

隧址區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，且與隧道有水力聯系，需考慮其對隧道的影響。根據區域資料，奧灰水水位標高660 m左右，而兩隧道最低設計標高為977.42 m，水位遠低于隧道設計標高，故巖溶水不會對該兩隧道產生影響。

2 隧道突水過程多場信息演化規律分析

2.1 計算模型的建立

根據耿家莊隧道的地質情況建立計算模型，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、水力學參數如表1所示，取隧道的底板標高為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，對腔體的四周和底面施加面壓力代替空腔內水壓力的作用，同時在空腔單元節點上施加節點水頭在計算過程中模擬水的滲流作用。邊界條件取限制數值模型ux，uy兩個方向的位移和砂巖層底部uz方向的位移，含水空腔底面的節點水頭為18 m，采用摩爾庫侖準則進行流固耦合計算，來模擬隧道施工過程中關鍵點的應力、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，根據開挖步驟鈍化已經開挖的土體，以研究隨著隧道的開挖滲流穩態的變化規律。

為演化該分離式深埋隧道突水過程多場信息的變化規律，在隧道與含水空腔臨近的土體周圍設置防突層關鍵點實時監測應力、位移、滲流的多場信息，從而得到突水過程的演化規律，關鍵點設置如圖2所示。

表1 數值模型巖石力學參數

巖性密度kN/m3彈性模量kN/m2泊松比μ粘聚力ckN/m2摩擦角?/(°)應力參數K0滲透系數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 滲流速度演化規律

從圖3，圖4中可以看出，滲流速度在含水空腔底部達到最大，且距離含水空腔越遠滲流速度越小，z向滲流速度在兩個含水空腔之間達到最大。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；當開挖至100 m時，即含水空腔正下方時，最大滲流速度繼續下降到3.73×10-2m/s，z向滲流速度降低到1.4×10-2m/s；當開挖至150 m時，此時掌子面已經遠離含水空腔，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降低，當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離含水空腔，滲流速度減小幅度變緩達到一個穩定值。

2.2.2 孔隙水壓力演化規律

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，隧道防突層關鍵點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，關鍵點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；當開挖至150 m時，孔隙水壓力回落至16.85 kN/m2；當開挖至200 m時，孔隙水壓力依舊穩定在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，隨著開挖的推進逐漸趨于穩定。

2.2.3 應力場演化規律

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

2.2.4 位移場演化規律

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；當開挖至150 m時，z向位移繼續增大至8.3 mm且增大的速率明顯加快；當開挖至200 m時，z向應力增大至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到一個穩定的狀態。

3 結語

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

1)滲流速度總體趨勢為隨著開挖步而持續降低，當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離含水空腔，滲流速度減小幅度變緩達到一個穩定值。

2)土體中孔隙水壓力呈階梯式分布，隨著地面標高的降低，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，隨著開挖的推進逐漸趨于穩定。整體上看，孔隙水壓力的變化不大，可以基本認為是穩定的。

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

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到一個穩定的狀態。

[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.

[2] Barton N,Bandis S,Bakhtar K.Strength,deformation and conductivity coupling of rock joints[A].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. Pergamon[C].1985:121-140.

[3] 仵彥卿.地下水與地質災害[J].地下空間,1999,19(4):303-310.

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

[5] 王建秀,何 靜.大型地下工程巖溶涌(突)水模式的水文地質分析及其工程應用[J].水文地質工程地質,2001,28(4):49-52.

[6] 劉 高,楊重存.深埋長大隧道涌(突)水條件及影響因素分析[J].天津城市建設學院學報,2002,8(3):160-164.

[7] 劉 斌.基于電阻率法與激電法的隧道含水地質構造超前探測與突水災害實時監測研究[D].濟南:山東大學,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