基于滲漏水的隧道滲流場有限差分法分析

豆海濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

近幾年來，隨著國家加強對基礎設施建設的投入，我國已成為世界上隧道工程數(shù)量最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。經(jīng)過多年運營，早期修建的隧道經(jīng)常出現(xiàn)多種病害，其中滲漏水是最為普遍的一種病害，在隧道界常有“十洞九漏”的說法，一方面危害隧道結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境，另一方面影響行車和洞內(nèi)設施安全。由于以往“以排為主”的修建原則，大量排水造成部分隧道地表井泉干枯、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水缺失、地表沉降、巖溶塌陷、水土流失、土壤沙化等系列環(huán)境問題，所以“限量排放”、“以堵為主”、“控制排放”等新的隧道防排水原則［1］開始被提出，并逐漸得到廣泛應用，已成為隧道工程界的主流認識。山嶺隧道是在巖體中建造的，其穿越的巖體多數(shù)為裂隙型和裂隙巖溶型。圍繞裂隙巖體滲流，國內(nèi)外學者［2-7］進行了大量的研究。而襯砌材料(如混凝土)具有一定滲透性時，隧道襯砌和圍巖結(jié)合緊密，可以認為，地下水的滲流運動是連續(xù)的，不僅存在于巖體滲流場中，同時也存在于襯砌中，可以理解為一種體積力［8］。因此，可以將巖石中滲流－應力的耦合作用引入混凝土的研究中。本文以圍巖和襯砌為研究對象，進行隧道滲流場分析。

1 隧道滲流場分析FLAC3D模型

1.1 計算假定

地下水滲流是一個極其復雜的問題，無論采用何種完善的滲流數(shù)學模型，都難以符合實際情況，很難通過計算手段求得準確的滲流場。從隧道工程需要出發(fā)，為使研究的問題得以簡化，提出以下幾點基本假設［9］:(1)巖體節(jié)理裂隙間距遠小于隧道直徑，巖體與混凝土襯砌為均勻多孔介質(zhì)，各方向滲透系數(shù)相同;(2)地下水滲流服從達西定律，滲流速度與水力坡度成正比，即V=KJ;(3)滲流斷面近似為圓形的變截面;(4)流體不可壓縮;(5)地下水為穩(wěn)定滲流，即地下水水位、流量、速度不隨時間變化。

1.2 計算模型

近年來，各種數(shù)值模擬技術在巖土力學及隧道工程領域中有了較大的發(fā)展和廣泛的應用。然而，這些數(shù)值分析方法其理論本身以及采用的算法都有各自的局限性。例如有限元和邊界元都有小變形的假設，而且需要大量的內(nèi)存。近年來發(fā)展起來的快速拉格朗日分析 (Fast Lagrangian Analysis of Continua，簡 稱FLAC)，則是在較好地吸取上述方法的優(yōu)點和克服其缺點的基礎上形成的一種新型數(shù)值分析方法，并在巖土及隧道工程領域內(nèi)廣泛應用［10］。

目前國內(nèi)已運營隧道中有分離式、連拱式、小間距、明洞和棚洞等結(jié)構(gòu)形式，其中多數(shù)采用分離式。本文采用單位長度隧道斷面三維模型，模擬隧道圍巖、地下水、初期支護和二次襯砌，探討分離式隧道在不同位置滲漏和不同地下水位條件下，襯砌的各種參數(shù)響應。FLAC-3D有限差分計算模型和滲漏水位置見圖1和圖2。不同的滲漏位置分別是拱頂、拱腰和邊墻。

圖1 基于襯砌滲漏水的分離式隧道滲流場分析模型

圖2 隧道滲流場分析模型滲漏水位置

1.3 計算參數(shù)及邊界條件

隧道滲流場分析模型按照目前運營的分離式山嶺公路隧道的常見尺寸建立;隧道的尺寸為:跨度10m，二次襯砌厚度60 cm，初期支護厚度40 cm，凈空高度6m。

滲透系數(shù)是流體計算的主要參數(shù)之一，F(xiàn)LAC3D中的滲透系數(shù)k與一般土力學中的概念不同。FLAC3D中k的國際單位是(m2/Pa/s)，與土力學中滲透系數(shù)K(cm/s)之間存在如下?lián)Q算關系:

典型圍巖的滲透系數(shù)如下:花崗巖、巖石10－19m2/Pa/s、石灰?guī)r 10－17m2/Pa/s、砂巖 10－15m2/Pa/s、黏土10－13m2/Pa/s、砂土 10－7m2/Pa/s。滲流場分析模型中圍巖的滲透系數(shù)為6.4×10－19m2/Pa/s，初期支護的滲透系數(shù)為6.4×10－19m2/Pa/s二次襯砌滲透系數(shù)為6.4×10－28m2/Pa/s。

通過對模型中相應位置的組(group)設置滲漏邊界條件，實現(xiàn)不同滲漏水位置，并設置地下水位高度(分別為10m、15m和20m)，進行因素正交分析。

2 隧道襯砌模型滲流場分析

考慮滲漏位置和地下水壓力這2個對襯砌結(jié)構(gòu)的影響因素，以二次襯砌為研究對象，以襯砌孔隙水壓力、襯砌豎向應力和襯砌沉降變形作為指標，分析這3個指標在各影響因素作用下的分布規(guī)律。

2.1 各因素條件下的隧道襯砌孔壓

從各工況下襯砌外側(cè)最大孔隙水壓力值(見表1)可以看出，在各種因素影響下最大孔隙水壓力符合如下規(guī)律。

滲漏水位置影響因素:襯砌背后水壓力較小，滲漏水發(fā)生在拱頂襯砌時孔壓最大，其次是側(cè)墻，拱腰發(fā)生滲漏水對結(jié)構(gòu)影響最小;隨水壓力變大后，還是拱頂發(fā)生滲漏時襯砌孔壓最大，但是拱腰發(fā)生滲漏水對結(jié)構(gòu)的影響大于側(cè)墻;當水壓力再增大，拱腰滲漏水引起的襯砌孔壓最大，其次是拱頂，最后是側(cè)墻。

襯砌背后水壓力影響因素:隨水壓力增大，襯砌孔隙水壓力略有減小;但是明顯呈現(xiàn)不對稱分布。

表1 各工況下襯砌外側(cè)最大孔隙水壓力值 Pa

2.2 各因素條件下的隧道襯砌豎向應力

從表2和表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨各種影響因素襯砌最大豎向應力符合如下規(guī)律。

滲漏水位置影響因素:襯砌背后水壓力較小，滲漏水發(fā)生在拱腰時襯砌最大豎向應力(拉應力)最大，其次是拱頂，側(cè)墻發(fā)生滲漏水對結(jié)構(gòu)影響最小;隨水壓力變大后，拱頂發(fā)生滲漏時襯砌最大豎向應力(拉應力)最大，但是側(cè)墻發(fā)生滲漏水對結(jié)構(gòu)的影響大于拱腰;當水壓力再次增大，側(cè)墻滲漏水引起的襯砌最大豎向應力(拉應力)最大，其次是拱頂，最后是拱腰。襯砌最大豎向應力(壓應力)符合拉應力的規(guī)律。

襯砌背后水壓力影響因素:隨水壓力增大，襯砌最大豎向應力略有減小，但是明顯呈現(xiàn)不對稱分布。

表2 各部位滲漏時襯砌最大豎向壓應力 Pa

表3 各部位滲漏時襯砌最大豎向拉應力 Pa

2.3 各因素條件下的隧道襯砌沉降變形

從表4和表5數(shù)據(jù)可以看出，隨各種影響因素襯砌最大沉降變形符合如下規(guī)律。

表4 各部位滲漏時襯砌最大沉降變形 m

表5 各部位滲漏時襯砌最大隆起變形 m

滲漏水位置影響因素:襯砌背后水壓力較小，滲漏水發(fā)生在拱頂時襯砌最大沉降變形(沉降)最大，其次是拱腰，側(cè)墻發(fā)生滲漏水對結(jié)構(gòu)影響最小;隨水壓力變大后，拱頂發(fā)生滲漏時襯砌最大沉降變形(沉降)最大，但是側(cè)墻發(fā)生滲漏水對結(jié)構(gòu)的影響大于拱腰;當水壓力再次增大，拱腰滲漏水引起的襯砌最大沉降變形(沉降)最大，其次是拱頂，最后是側(cè)墻。

襯砌背后水壓力影響因素:隨水壓力增大，襯砌最大沉降變形(隆起)增大，但是沉降略有減小。

3 結(jié)論

隧道襯砌孔壓:當水壓力比較小，拱頂滲漏水對結(jié)構(gòu)影響最大;隨著水壓力逐漸增大，拱腰滲漏水對結(jié)構(gòu)的影響明顯;另外，隨著水壓力增大，襯砌孔壓明顯呈現(xiàn)不對稱分布。

隧道襯砌豎向應力:當水壓力比較小，拱頂滲漏水對結(jié)構(gòu)影響最大;隨著水壓力逐漸增大，側(cè)墻滲漏水對結(jié)構(gòu)的影響明顯;另外，隨著水壓力增大，襯砌豎向應力明顯呈現(xiàn)不對稱分布。

隧道襯砌沉降變形:當水壓力比較小，拱頂滲漏水對結(jié)構(gòu)(沉降)影響最大;隨著水壓力逐漸增大，拱腰滲漏水對結(jié)構(gòu)(沉降)的影響明顯。

［1］丁浩，蔣樹屏，李勇．控制排放的隧道防排水技術研究［J］．巖土工程學報，2007，29(9):398-1403

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［3］侯偉．公路隧道的滲流場與應力場的耦合分析［D］．西安:西安理工大學，2006

［4］In～Mo Lee，Seok～Woo Nam．Effect of tunnel advancerate on seepage forces acting on the underwater tunnel face［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2004(19):273-281

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［6］王眾．控制型防排水隧道滲流場數(shù)值分析［J］．石家莊鐵道大學學報:自然科學版，2011(1):6-9

［7］劉志春，高新強，朱永全．裂隙巖體隧道非均質(zhì)、各向異性等效滲流模型及應用［J］．石家莊鐵道大學學報:自然科學版，2011(1):1-5

［8］張勇，孟丹．混凝土破裂過程滲流～應力～損傷耦合模型［J］．遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2008，27(5):680-682