富水軟巖隧道滲流場分布規律及涌水量研究

羅緯邦 鄭理峰 鄒佳成

(1.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830001； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100038； 3.中國地質大學，北京 100083)

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·橋梁·隧道·

富水軟巖隧道滲流場分布規律及涌水量研究

羅緯邦1鄭理峰2鄒佳成3

(1.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830001； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100038； 3.中國地質大學，北京 100083)

利用Flac3D有限差分軟件滲流模塊，基于現場地質鉆孔實測滲流參數和地下水位線，建立三維地質滲流數值模型，研究了隧道圍巖初始狀態下的地下水滲流場分布規律、隧道開挖前后滲流場變化規律以及施工期隧道涌水量，模擬計算結果對裂隙發育、富水地層地下工程防排水設計具有參考意義。

隧道工程，富水軟巖，滲流場，涌水量

0 引言

在富水軟巖地層中山嶺隧道開挖時，工程地質條件往往很復雜，時常出現巖溶、破碎帶等不良地質，這種狀況下，地下水問題尤其是高水壓問題是建設者無法回避的重要問題之一[1]。目前評價隧道地下水環境與預測隧道涌水量的方法主要有解析計算方法[2]和數值計算方法[3]，解析方法對模型邊界以及地層規整程度具有苛刻的要求，而數值模擬可以應付更復雜的滲流邊界，應用范圍更加廣闊，所得結果也更符合工程實際[4]。

本文基于現場地質鉆孔實測參數和地下水位線，利用Flac3D有限差分軟件滲流模塊[5]，建立三維滲流分析模型，提出了隧址區天然狀態下地下水滲流場分布規律、隧道開挖前后滲流場變化規律以及施工期隧道涌水量，模擬計算結果對裂隙發育、富水地層地下工程防排水設計具有重要參考意義。

1 隧址區地質水文條件

根據隧洞通過區出露的地層巖性及地質構造特征，結合含水介質的不同，將測區地下水分為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。

隧址區水文地質條件見圖1，因受構造的影響，加之大理巖性脆、易溶等特點，裂隙節理較發育，因地下水滲流作用沿節理面產生溶蝕效應，地質調查探測到存在8處溶洞，2處為有水溶洞，下游有水溶洞測得流量為320 m3/d～775 m3/d，受大氣降水影響程度較大，諸多因素給地下水的賦存運移創造了良好的條件。

2 數值建模與計算方案

2.1 數值計算模型及計算參數

隧址區三維滲流模型圖見圖2，滲流計算模型采用Flac3D內置的fl_iso模型。在隧道施工過程中，模型整體的外部滲流邊界條件為河流邊界和分水嶺邊界，地層表面是水壓力為0自由面。模型水壓力梯度根據地質鉆孔實測水壓力值插值給定，模型內部水壓力值自上而下遞增。隧道開挖時，將開挖臨空面地下水壓力設置為零，用以模擬隧道開挖后的滲流通道特性。

圍巖物理力學與滲透系數以地質鉆孔實測值為依據，具體參數取值見表1。

表1 隧洞圍巖物理力學與滲透系數

圍巖類別重度r/kN·m-3彈模E/GPa泊松比v滲透系數/m·s-1Ⅲ類24.57.30.281.2×10-5Ⅳ類22.03.10.36.5×10-5Ⅴ類21.51.20.351.5×10-4

2.2 計算方案

數值計算方案包括：1)初始滲流場計算；2)無襯砌無注漿隧洞開挖；3)有襯砌無注漿隧道開挖；4)1 m，2 m，3 m，4 m，5 m注漿深度隧道開挖方案；5)不同圍巖與注漿圈和襯砌滲透系數之比條件下的隧道開挖方案。

3 滲流場分布規律分析

3.1 初始狀態下地下水滲流場

建立三維滲流分析模型，通過計算得出施工前隧道圍巖初始滲流場分布情況。隧址區三維模型初始滲流場剖面見圖3，數值模型計算的地下水位線與圖1的地質鉆孔實測水位線基本一致。圖4為不同類別圍巖(Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類)的滲流場分布圖的典型截面，初始無擾動狀態下，圍巖滲流場分布基本符合靜水應力場；巖體中最大流速為 4.45×10-6m/s，當巖體中滲透系數較大時，巖體流速有所增加。

3.2 隧道開挖前后滲流場變化規律

通過未注漿開挖滲流場水壓力圖(如圖5所示)可以看出，因隧道隧洞，開挖臨空面成為排水通道，地下水壓力等值線由初始滲流場的平行直線組變成凹陷的非平行曲線組，開挖對隧道下方滲流場影響較小，對隧道上方滲流場影響較大。

通過典型斷面水壓力分布圖表明，距離隧道中心越近地下水壓力變化趨勢越明顯，隧道開挖對圍巖初始滲流場的影響范圍為150 m以內，約20倍隧洞直徑。

3.3 不同計算方案條件下隧道涌水量分析

不同計算方案條件下隧道涌水量見圖6，拱頂不同圍巖深度孔隙水壓力分布見表2，計算結果表明：注漿措施應對隧道涌水非常有效，不僅減小了涌水量，而且有效降低襯砌外水壓力，有利于支護結構穩定；無注漿條件下，襯砌背后承受的水壓力約0.7 MPa，隨著注漿深度增加，襯砌后側的水壓力明顯下降，注漿深度2 m和注漿深度4 m，水壓力值相差約20%。

表2 拱頂不同圍巖深度孔隙水壓力分布

圖7是隧道涌水量與注漿圈及襯砌滲透性的關系曲線，固定注漿圈厚度時，隨著注漿圈滲透系數的降低，隧道涌水量減小，當注漿圈滲透性達到一定程度時，例如，當注漿圈滲透系數降低到圍巖的5%，減小隧道涌水量的效果不再明顯，因此，通過注漿調整圍巖滲透系數有一個經濟合理區間。另外，若不采用注漿堵水方案，僅依靠調整襯砌透水性達到堵水作用是不經濟的，即使襯砌滲透系數降低到非常小(圍巖滲透系數的1.25%)，涌水量并不能大幅減小，而將注漿堵水和襯砌堵水結合起來明顯更經濟合理。

4 結語

本文利用Flac3D有限差分軟件滲流模塊，基于現場地質鉆孔實測滲流參數和地下水位線，建立三維地質滲流數值模型，研究了隧道圍巖初始狀態下的地下水滲流場分布規律、隧道開挖前后滲流場變化規律以及施工期隧道涌水量。計算結果表明：

1)因隧道隧洞，開挖臨空面成為排水通道，地下水壓力等值線由初始滲流場的平行直線組變成凹陷的非平行曲線組，距離隧道中心越近地下水壓力變化趨勢越明顯，影響范圍約20倍洞徑；

2)注漿措施應對隧道涌水非常有效，不僅減小了涌水量，而且有效降低襯砌外水壓力，有利于支護結構穩定；

3)若不采用注漿堵水，僅依靠調整襯砌透水性堵水是可行的，即使襯砌滲透系數降低到非常小，隧道涌水量并不能大幅減小，將注漿堵水和襯砌堵水結合起來明顯更經濟合理。

[1] 陳英姿.大坳隧道隧址區滲流場與隧道涌水量數值模擬及預測[D].成都：成都理工大學,2014.

[2] 吳樹清.隧道圍巖高滲流帶涌水量預測及處置原則[D].西安：長安大學,2013.

[3] 李鵬飛,張頂立,周 燁.隧道涌水量的預測方法及影響因素研究[J].北京交通大學學報,2010,34(4):11-15.

[4] 王建秀，朱合華，葉為民.隧道涌水量的預測及其工程應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23(7):1150-1153.

[5] Itasca Consulting Group，Inc.Fast Lanrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions[R].2011：2-6.

Research on the distribution law of seepage field and water inflow of water-rich soft rock tunnel

Luo Weibang1Zheng Lifeng2Zou Jiacheng3

(1.XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower，Urumqi830001，China； 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China; 3.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083，China)

The paper adopts the finite difference software seepage model of Flac3D, establishes the three-dimension geological seepage numeric model based on the measured seepage parameter and underground water line of the site geological drilling, researches the distribution law of the underground water seepage field under the initial status of the tunnel surrounding rock, and indicates the change law for the seepage law before and after the tunnel excavation and the water inflow during the construction, so as to provide some reference for the waterproof and drainage design of the underground projects with cracks and rich stratums by the simulation calculation results.

tunnel project, water-rich soft rock, seepage field, water inflow

1009-6825(2017)15-0143-03

2017-03-18

羅緯邦(1965- )，男，教授級高級工程師

U456.32

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