多空隙組合介質隧道滲透物理模型試驗

夏 偉，符文熹，趙 敏

(1.四川大學水力學與山區河流保護國家重點實驗室，成都 610065；2.四川大學水利水電學院，成都 610065 3.核工業西南勘察設計研究院有限公司，成都 610066)

0 引 言

我國交通、水電、礦山等工程中地下開挖引起的涌突水及伴生的圍巖穩定安全問題日益突出，學術界和工程界對地下洞室涌突水機理、地下滲流與區域水力聯系之間內在聯系、流固耦合等問題十分關注。一些學者對隧道工程與周圍水環境的相互作用進行了深入的分析[1-4]，文獻[2]和文獻[3] 對降落漏斗的時空變化進行了研究，結果表明，隧道長期排水會形成較大規模的降落漏斗；文獻[4]對引漢濟渭工程秦嶺隧洞施工過程中的突涌水問題進行了研究， 處理措施以排為主，在限量排放的基礎上進行注漿封堵、加固。文獻[5]結合石板山隧道工程，確定了隧道與地下水環境相互作用過程中的4個評價目標和5 類評價指標。近年來，隧道涌水量預測新方法也不斷提出，文獻[6]和[7]利用保角映射技術，推導出有穩態地下水補給的圓形排水隧道涌水量的解析表達式；文獻[8]在原有預測涌水量方法的基礎上，提出了滲流與應力耦合環境下裂隙圍巖隧道涌水量預測計算的水文地質數值模擬法；文獻[9]提出了一種動態模擬隧道掘進過程中引起的暫態水文地質條件的數值方法。此外，巖體滲透系數是隧洞近場滲流場分析與工程防滲設計的重要參數，文獻[10]高壓條件下巖體滲透系數取值方法進行了研究。

常用的隧道滲流計算有解析法、數值法和物理模型試驗法。文獻[11]應用數學方法推導隧道圍巖中滲透力的解析表達式，并應用解析方法研究隧道半徑和埋深對滲流的影響。隨著計算機技術的快速發展，當前對數值模擬提出了更高的要求，文獻[12]應用巖體非連續介質滲流的研究成果，模擬了新七道梁隧道各種工況地下水的滲流特性以及地表水體的水位變化；文獻[13]利用數值法研究了隧道開挖滲流與應力耦合問題，得到變形和滲流場的變化規律。然而，僅用解析法、數值模擬技術尚不夠，還需結合物理模型試驗進行相互印證才更具說服力。因此，合理設計研制物理模型裝置，更加準確地模擬工程現場，研究隧道開挖過程中地下水滲流和涌水隨時間的變化以及受水文地質條件的影響，已成為當前新的發展趨勢，對實際工程也有重要指導。

隧道圍巖往往是孔隙、裂隙和溶孔組成的多空隙組合介質。本文依托新建成都—蘭州鐵路(成蘭鐵路)躍龍門隧道工程，通過配制與現場水文地質條件一致且滲流能力等效的材料，設計并建造物理模型，對巖體主要裂隙傾角分別為0°和60°兩種傾角共8種工況進行了模型試驗，觀察和分析了多空隙組合介質隧道開挖前后周圍地下水變化及涌水量隨時間的變化特征。

躍龍門隧道途經安縣、茂縣穿越龍門山，是一座深埋長隧道，雙隧道線路，左線長19 974.3 m、右線長20 044.0 m，最大埋深1 445 m，埋深超過500 m的長度達15.5 km。隧址區直接遭受了2008年“5·12汶川特大地震”的強烈地震慣性力擾動。地質勘察和施工期間隧道地質表明，斷裂裂隙發育，巖層層面受地震動力作用錯動明顯，可溶巖地段的溶蝕特征顯著。顯然，隧道圍巖水文地質可看作是平板窄縫流和圓孔滲流組合。隧道洞口段K94斷面圍巖的滲透能力較大，滲透系數大致0.15 m/d(即1.736×10-4cm/s)，開挖期間伴隨強降雨入滲作用，出現有較嚴重的涌突水。K94斷面處隧道埋深250 m，巖性為石灰巖，巖溶特征顯著，且巖層傾角約60°，地下水位距洞頂高程約100 m。本文選取K94斷面進行隧道物理模擬滲流試驗。

1 材料的選取及試驗模型設計

1.1 試驗材料的選取

建立的物理模型以滲透相似為控制條件，即現場巖體的滲透系數與模型的滲透系數一致。典型斷面K94多空隙組合圍巖介質的滲透系數為k0=1.736×10-4cm/s。室內試驗常用的材料有水泥、石膏，這些材料的滲透系數較小，在模擬裂隙巖體時不易處理。而普通燒結實心黏土磚卻有應用廣泛、取材方便、價格便宜、經久耐用等優點，同時也具多孔多裂隙的特點，所以選用普通燒結磚來模擬巖石基質。根據國家標準[14]，自制試驗裝置測得普通磚的滲透系數量級為10-6cm/s，為能用普通磚鉆孔填砂來模擬原位巖體，通過磚身鉆孔后來模擬圍巖中的溶隙，使填充磚的滲透系數和現場巖體的滲透系數一致。磚的堆疊則可模擬層狀巖體，裂隙傾角可模擬巖層傾角，如圖1所示。

圖1 模型整體及局部構造圖Fig.1 Global and local structure of the model

1.2 模型設計

模型幾何比例取1∶300，以隧道軸線為中心，左右各300 m，合計600 m，對應模型尺寸200 cm；隧道為雙向隧道，單條隧道直徑為15 m。本試驗因為是研究隧道開挖涌水問題，所以將兩條隧道合并為一條直徑為30 m的隧道進行考慮，對應模型直徑為10 cm；沿隧道軸線方向上取45 m，對應模型尺寸15 cm；高度以隧道下端為界，向下取200 m，向上埋深為250 m，共計450 m，對應模型尺寸150 cm，隧道下端距離模型底部67 cm。亦即，模型尺寸為長×寬×高=200 cm×15 cm×150 cm，隧道直徑10 cm，試驗模型整體示意圖如圖1所示[15]。

模型兩側設計內部尺寸為長×寬×高=20 cm×15 cm×150 cm的水槽，可模擬周邊庫水、地下暗河等。水槽內側與模型接觸面在隧道底部高程以下的部分，每隔一定高度(15 cm左右)埋設通水硬質水管，方便水在模型和水槽之間自由流通。這樣既可以使左右水位保持相等(處于對稱滲流狀態)，也可以使左右水位高程不等(處于向一方滲流狀態)。隧道底部高程以上的部分每隔10 cm埋設進水管。水管靠近模型內側端口要用紗網和濾紙包裹，防止進水和出水過程中砂進入水槽或者堵塞進水管。

水槽底端外側預先埋設一根透明水管，長度大于模型高度，沿透明管方向固定軟尺一條，方便觀測控制水槽內的水位高程并讀數。水槽外側隧道高程以上要與內側進水口高程一致的對應位置預留5個溢出孔，埋置較長出水管，從而達到控制水槽內水位高程的目的。

2 模型試驗及結果分析

通過自行建造的試驗模型進行了2種傾角8種工況的模型試驗，具體工況見表1所示。

表1 試驗工況Tab.1 Test condition

2.1 傾角60°時常水頭試驗

因K94斷面優勢裂隙(為巖層層面)傾角約為60°，故將經過鉆孔處理的磚與水平方向夾角60°進行鋪填，如圖1所示。

在填充的過程中，按照預先設計在67 cm和72 cm高程處從靠近隧道到兩側按由密到疏埋設兩排透明測壓管，以便觀察在同一時刻、同一高程處各點的水位情況。將待安裝的玻璃板鉆孔，直徑為6 mm，以使測壓管穿過。然后安裝上玻璃板，并用準備好的玻璃膠密封玻璃和磚墻之間的縫隙，在外側澆筑混凝土加強密封。在靠近玻璃一側的空隙內填充與層面具有相同擊實程度的砂。將測壓管用透明玻璃膠固定在玻璃上，并在管的旁邊布設軟尺，以方便讀數。然后制作好的軟塞用止水帶纏繞后塞入隧道，模擬隧道開挖前的狀態。

試驗中，在隧道內部被塞住的情況下，模型內水位上升并逐漸保持穩定，軟塞取出相當于隧道開始被開挖。水從隧道涌出，隧道周圍水位隨之降低，兩邊水位維持常水頭，通過裂隙和孔隙滲流向隧道周圍補給。因為地下水位距洞頂100 m，根據幾何相似，距隧道頂端33 cm，即水頭為110 cm。向兩側水槽緩慢注水，使模型中各測壓管內水位均達到110 cm。

保持兩側進水水頭不變。用一只水桶置于電子秤上去皮，準備收集涌水。按下秒表計時的同時，打開隧道出口塞子，測讀出30、60、120、180、300、480、690、900、1 200、1 500、1 800、2 400、3 000 s時刻電子秤的讀數(精度為0.01 kg)。在記錄累積涌水量的同時，還要測讀相應時間節點各測壓管的水位高程(精度為0.01 m)。

為了研究水位高程對隧道開挖涌水的影響，還進行了水位高程為100、110和120 cm時的模型試驗。試驗結果如圖3所示。不同常水頭工況下隧道累積涌水量隨時間的變化關系如圖2所示。由試驗曲線可知，隧道開挖出現涌水，累計水量都會隨時間而增長，但整體曲線的斜率逐漸減小，開始時刻單位時間內水量很大，然后呈減緩趨勢，累計水量曲線逐漸趨于漸近線。

圖2 不同常水頭工況下累計涌水量隨時間的變化曲線Fig.2 Change curve under the condition of different constant head cumulative inflow with time

在常水頭工況下，隨著水頭的增大，涌水的總量也在增加，如100 cm常水頭補給時，在3 000 s時刻的涌水累計量為22.91 kg(即22.91×10-3m3)；在120 cm常水頭補給時的涌水累計量為38.55 kg(即38.55×10-3m3)。而且，隨著水頭的增大，涌水達到穩定的時間也較晚。從圖2可看出，水頭為100 cm的累計曲線較水頭為120 cm的曲線平緩，最終達到穩定的時間也較早。

當補給水頭為110 cm時，涌水在前1 min內曲線陡峭，在1 800～3 000 s左右的范圍內曲線開始趨于平緩。試驗遵循了幾何相似和運動相似。根據模型試驗相似原理，時間相似常數c=幾何常數l/運動常數v≈10-2，考慮試驗誤差影響，僅取量級估算。由1 800/t=10-2換算得t≈2.08 d，由3 000/t=10-2換算得t≈3.47 d，即在隧道開挖的過程中出現的涌水累計量會在2～3.5 d達到穩定，速度趨于衡定。這一試驗結果與現場采集到的數據2～4 d吻合。

圖3(a)、(b)和(c)分別是常水頭100、110和120 cm時不同時刻各點的水位連線圖。從圖可看出，對于同一工況，在拔出塞子前，模型內水位高程近似直線狀態并保持穩定。當塞子被拔出后，伴隨隧道涌水，隧道周邊的水開始源源不斷向隧道補給，周圍水位下降且越靠近隧道軸線的測壓管水位下降越快。將同一高程上的各測點在同一時刻的水位高程用平滑曲線連接起來，呈現兩側靠近補給水頭，中間明顯下凹的降落漏斗形式。這說明隧道開挖造成地下水水位降低，離隧道越近受到的影響越嚴重。在常水頭為110 cm時，根據模型比例，模型中影響范圍約為隧道軸線左右80 cm，對應的實際距離應為240 m，與數值計算反饋結果接近。實際隧道開挖對區域水力聯系影響范圍最大約為240 m左右，影響范圍并不算大。

試驗開始時，左端進水口中的水向右滲流，滲流方向與主要裂隙呈鈍角，與垂直于主要裂隙的次級裂隙呈銳角，涌水速度較小，水位下降緩慢；當滲流方向向左，情況與向右時相反，涌水速度較大，水位下降較快。所以開始時漏斗形狀向左傾斜，在滲流穩定后，降落漏斗近似對稱分布。

根據圖(a)、(b)和(c)對比可以看出，隨著水頭的增加，隧道頂部降落的水位越高，降落漏洞更加明顯，影響范圍也在逐漸擴大。

2.2 傾角60°時梯度試驗

當一側水位降低時，會產生滲透梯度。繼續模擬隧道受一些因素影響造成一側水位下降，形成水力梯度的滲流情況。模型一側水位保持120 cm不變，將另一側水頭降至110 cm，則形成了一個梯度為0.05的滲流。與常水頭工況的試驗操作類似，稱量各時刻對應的涌水量，并觀察記錄各時間節點對應的測點水位高程。試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 累計涌水量隨時間的變化曲線Fig.4 The change curve of Cumulative water inflow with time

從圖4的涌水曲線可以看出，對于當隧道兩側存在水力梯度(水頭差)時，其累計涌水量的變化趨勢與常水頭工況類似。涌水曲線在第1 min內陡峭，涌水速率很快。當左側水頭110 cm，右側水頭120 cm時，即梯度0.05且滲流方向向左，曲線斜率在1 800 s后基本保持不變，即涌水達到了滲透平衡；但在梯度0.05且向右滲流時，曲線斜率在2 400 s后才基本不變。所以向左滲流達到穩定的時間較向右滲流要早。從圖中還可觀察到，在同一時刻，向左滲流時的累計涌水量大于向右滲流時的累計涌水量。3 000 s時，向左滲流的累計涌水量為33.90 kg(即33.90×10-3m3)，向右滲流的累計涌水量為31.31 kg(即31.31×10-3m3)。這是因為向左滲流時，滲流方向與主要裂隙成銳角，與次要裂隙方向成鈍角，涌水速度快，累計涌水量較大。而向右滲流的情況恰恰相反。表明主要裂隙方向對涌水影響較大，沿著主要裂隙方向滲流速度較快，涌水量也較大。

圖5(a), (b) 給出了梯度為0.05時向左滲流和向右滲流的水位連線圖。從圖5中可以看出，當梯度存在時，初始時刻水位的連線近似傾斜的直線。以滲流方向向左為例，隨著隧道開挖，隧道高程以上的地下水向洞內補給，形成不對稱降落漏斗，左側補給能力弱，水位下降較慢，右側補給能力強，曲線下降快。

圖5 兩種梯度工況不同時刻水位連線圖Fig.5 Connection diagram of water level at different time of two gradient conditions

滲流方向與主要裂隙成鈍角，與次要裂隙成銳角，導致隧道左側水位下降緩慢。向左滲流穩定時的水位比向右滲流穩定時的水位低，這與前文所說向左滲流累計涌水量比向右滲流的累計涌水量大相對應。同樣表明了主要裂隙方向對涌水有較大的影響。

2.3 傾角0°時常水頭試驗

為了進一步研究主要裂隙傾角對開挖涌水的影響，將經過鉆孔處理的磚水平鋪填，模擬水平裂隙和垂直裂隙的情況，如圖6所示。試驗過程與傾角60°時相同，進行水位高程為100 cm、110 cm和120 cm的模型試驗，不同水頭在同一高程處各點的水位連線圖如圖7所示。

圖6 模型水平填充圖Fig.6 Model level filling diagram

圖7 不同常水頭工況不同水位連線圖Fig.7 Connection diagram of water level at different time in different constant water head

此方案磚水平鋪填，是一個對稱結構，從圖7(a)、(b)和(c)中可以看出，形成的降落漏斗較為對稱。通過傾角60°和傾角0°的水位連線圖比較可以看出，主要裂隙傾角對降落漏斗的形狀有較大的影響。而且隨著水頭增加，隧道的影響范圍和最大降深也在增加。

3 結 論

由于巖體裂隙和巖溶通道的存在，隧道開挖時會發生涌水。涌水問題會對工程安全和地下水環境造成不利的影響。本文開展了2種傾角8種工況的物理模型試驗，主要得到以下結論：

(1)主要裂隙方向會對滲流產生較大的影響，當傾角與水流方向夾角較小時涌水現象較為突出。

(2)隧道開挖過程中，隧道周圍的地下水會通過滲流的方式由隧道涌出，開始時涌水速率很快，隨著時間的增長涌水速率減緩，最后趨于一定值。根據時間相似獲得涌水累計量達到穩定的時間約為2～4d，這與原觀調查結果一致。

(3)對同一種傾角，隨著兩側補給水頭的增加，涌水總量會增加，達到穩定的時間也會延長。

(4)各測壓管的水位均有不同程度的下降。離隧道軸線越近的位置，水位下降越快，穩定時刻的水位也越低。連接相同高程測點在同一時刻的水位，形成的曲線均呈現降落漏斗的形狀。而且主要裂隙方向會對降落漏洞的形狀有較大的影響。

(5)根據降落漏斗的形狀及大小確定地下水位下降的深度和影響范圍。水位下降最大深度接近隧道頂部，模型中影響范圍約為隧道軸線左右80 cm，對應實際距離為240 m。模型影響范圍與數值計算隧道開挖影響范圍較為接近。

(6)降落漏斗越低，對隧道上部植物生長影響越大，因此可根據不同時刻降落漏洞的位置確定襯砌適宜的襯砌時間。

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