考慮滲流作用的富水區域公路隧道圍巖穩定性研究

鄧皇根

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

當修建隧道處于地下水發育區域或雨季時候，開挖過程中需考慮地下水的影響，隧道相關設計與施工規范中明確規定了如遇地下水如何處理，如采取“放排截堵”等措施，當隧道穿越富水區域，在施工過程中地下水滲漏等問題屢見不鮮，嚴重時出現垮塌涌水等工程災害[1]。在隧道修建施工過程中，地下水會發生流動遷移，圍巖應力重新分布形成應力場，其與地下水滲流場之間發生相互作用，不同于干旱區域，隧道開挖時考慮滲流作用顯得非常重要，兩者相互影響將導致圍巖物理性質與滲透性質發生改變，因此如對隧道富水區域圍巖穩定性進行研究分析，那么地下水滲流作用一定要考慮進去[2]。處于富水區域的隧道無論是在修建過程中或者是在運營過程中，地下水的影響都是非常明顯的，國內外許多專家學者們對海底隧道或者是富水隧道進行研究分析，其考慮滲流作用且延伸到流固耦合理論，利用相關軟件與基礎知識進行數值模擬，得出相關結果更接近于真實數值[3-4]。考慮地下水的滲流作用，鑒于FLAC3D已經成熟地將滲流與耦合理論結合起來得到較好的數值模擬結果，通過模擬考慮滲流作用下的單向兩車道公路隧道，對評價考慮滲流作用的隧道圍巖穩定性提供參考。

鑒于隧道所處位置有著不同地理條件、地下水位與施工方案，考慮滲流作用的富水區域公路隧道圍巖穩定性也有所不同，為更加接近實際情況，模擬中要更加貼近真實水位與圍巖真實物理力學性質等[5]。運用FLAC3D軟件設置滲流模式實現富水區域隧道的地下水滲流，通過分析隧道圍巖位移、塑性區及滲流場分布規律，總結相關結果對隧道圍巖穩定性進行評估，為公路隧道富水段設計加固與施工提供參考意見。

1 工程概況

以山西某單向兩車道公路隧道富水段為研究對象，隧道全長860m，其中富水段長度為233m，最大埋深132m，最高水位距離隧道頂部20m左右，隧道上覆地表為硬塑狀的第四系殘坡積層粉質粘土，下穿為泥質結構厚層狀構造的侏羅系中統沙溪廟組紫紅色泥巖地層，主要由水云母等粘土礦物組成，隧道區域地下水主要由裂隙水組成，據相關地質與水文資料，結合鉆探以及土體測驗等結果分析得出圍巖劃分為IV級圍巖。

2 隧道數值模型與物理力學參數

隧道寬11m，高9m，數值模型軸向取2m開挖步長，據圣維南原理確定影響范圍為3～6倍洞直徑[6]，建立100m×100m×2m的數值模型，采用M-C彈塑性本構模型，設置滲流邊界條件：頂部施加相應水深下的地下水壓力邊界，兩端與底部位置設置為不透水，圍巖掘進面設置為透水；數值模型力學邊界：左右兩端為水平約束，底部為豎直約束，隧道頂部為自由。初支設置為厚度26cm的C25噴射混凝土，二襯設置為55cm的C30鋼筋混凝土，由于錨桿等加固措施使得周邊圍巖形成一定范圍加固區，數值模擬中可提高周邊巖土體參數得以實現，初支采取shell單元，加固圈與二襯采用實體單元進行模擬，富水區域公路隧道圍巖物理力學參數取值如下表1。針對IV級圍巖通過是否設置滲流模式對有無滲流作用的隧道圍巖穩定性進行研究。

表1 圍巖物理力學參數取值

3 富水區公路隧道圍巖穩定性分析

圍巖位移、應力與塑性區呈現一定關系，塑性區越發展則圍巖塑性變形越大，由于工程在施工前存在不可預測危險，需對相關問題進行建模，分析隧道施工安全性以及運營隧道耐久性，通過分析模擬結果初步判斷隧道結構是否存在失穩破壞的可能性。隧道施工若在富水區域或者雨季期間，地下水發育且發生遷移流動，那么考慮滲流作用對隧道的影響更接近于實際工況，建立是否考慮滲流作用的數值模型，對隧道圍巖滲流場、位移場、塑性區模擬結果進行分析，評價富水區域隧道穩定性。由于公路隧道結構表現對稱，取左半部分進行分析，在拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、拱底部位建立監測點對圍巖穩定性進行監測。

3.1 滲流作用下的圍巖滲流場

地下水在隧道開挖后會發生一定范圍流動，在隧道施工階段不斷變化，許多學者們已得出隧道開挖面會形成臨空零水壓力面，周邊地下水會向隧道開挖面周圍發生滲流，隧道周圍地下水壓力在開挖后可能會迅速增大，所以防水措施顯得尤其重要。FLAC3D通過設置滲流模式實現滲流作用，無滲流作用則直接以靜水壓力施加。

圖1、圖2分別為考慮滲流作用的圍巖滲流場與滲流矢量圖，對其進行分析得出以下觀點：

(1)周邊圍巖地下水壓力隨隧道開挖后逐漸下降，在自重引力作用下地下水向隧道開挖臨空面進行遷移滲流，由于隧道開挖面地下水壓力為0與周邊圍巖存在水力差會導致滲流場的變化，隧道上部圍巖地下水壓力迫降形成了一個“漏斗狀”的滲流場。

(2)隧道圍巖滲流場受隧道施工影響，距開挖面越遠受隧道開挖影響越小，地下水壓力也較為接近初始狀態，隧道拱腳滲流矢量顯著大于其余部位，說明拱腳處水壓力較大將可能導致圍巖失穩破壞，所以在隧道施工期間的拱腳防排水措施顯得尤為重要。

圖1 考慮滲流作用的圍巖滲流場云圖(單位：Pa)

圖2 考慮滲流作用的圍巖滲流矢量分布

3.2 有無滲流作用下的圍巖位移場

對隧道圍巖拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、拱底(左半部分)的位移場數值結果進行分析，得出有無滲流作用下隧道圍巖位移變化規律，以對隧道的穩定性進行評估。隧道不同部位的位移不同，同一位置是否考慮滲流作用的圍巖位移也有所不同。圖3與圖4分別為不考慮滲流作用及考慮滲流作用的隧道圍巖豎向位移場云圖(水平位移數值結果較小，本文不再贅述)，圖5為有無滲流圍巖豎向位移對比圖，豎向位移表示為沉降或隆起，不區分正負號。

圖3 不考慮滲流作用的隧道圍巖豎向位移(單位：m)

圖4 考慮滲流作用的隧道圍巖豎向位移(單位：m)

圖5 有無滲流作用的隧道圍巖豎向位移

由圖3～圖5的有無滲流作用下的圍巖豎向位移可以看出：

(1)考慮地下水的滲流作用，滲流場影響應力場，應力場改變導致位移變化，由于地下水作用導致圍巖性質變差。考慮滲流作用的隧道各部位的豎向位移均增大。究其原因，是由于考慮滲流作用，地下水往隧道開挖面涌入導致圍巖總應力增加，圍巖遇水性質變差，據相關力學理論，圍巖變形將同步增大，可以看出地下水的存在對隧道穩定性存在著巨大影響，如水位繼續上升，隧道位移將持續增大，應重視地下水的影響，做好防排水設計與施工。

(2)無論有無滲流作用，豎向位移較大處發生在拱頂與拱底，這一點符合相關研究結果，拱頂均發生沉降，拱底均發生隆起。有無滲流作用差值較大處發生于拱腰與邊墻，是由于拱腰與邊墻周圍地下水壓力內外相差較大，地下水擠入導致變形較大，雖然拱腳位置滲流量較大，但由于封閉成環主要是剪切變形，其豎向變形反而不大。

(3)考慮滲流作用的拱頂沉降為5.2mm，較之不考慮滲流的4.9mm增大了0.3mm；考慮滲流作用的拱底隆起為6.9mm，較之不考慮滲流的6.6mm也增大0.3mm；地下水在拱頂處向內涌入，圍巖失水固結產生沉降，地下水于拱底向上發生遷移流動，在拱底到拱腳處，隧道整體仰拱圈部位均向上移動，對隧道形成一個向上浮動的力導致拱底及拱腳隆起均增大，拱頂與拱底位移過大將導致隧道失穩。

3.3 有無滲流作用下的圍巖塑性區

從位移場數值結果已發現是否考慮滲流對隧道穩定性有著較大影響，考慮滲流的圍巖位移有所增大，說明圍巖塑性變形也隨之增加，位移與塑性區最能直觀反映出圍巖的變形趨勢，所以分析位移與塑性區是非常有需要的。從塑性區可以看出隧道各部位分別可能發生哪種類型破壞，有三種類型：拉伸破壞、剪切破壞與拉伸剪切復合破壞。圖6與圖7分別為有無滲流的隧道圍巖塑性區分布圖，圖中，隧道輪廓中心陰影區為拉伸塑性區、兩底角為剪切拉伸復合塑性區，其余為剪切塑性區。利用FLAC3D的FISH語言編寫求解出隧道圍巖塑性區體積如表2所示。

圖6 不考慮滲流作用的隧道圍巖塑性區

圖7 考慮滲流作用的隧道圍巖塑性區

表2 隧道圍巖塑性區體積 m3

對圖6、圖7與表2的隧道圍巖塑性區數值結果進行分析得出：

(1)無論是否考慮滲流，塑性區均會隨隧道開挖過程逐漸發展，拱頂與拱底存在拉伸塑性區，說明兩者位置存在拉伸破壞的可能性；拱腰、邊墻與拱腳處的塑性區變現為剪切塑性區，三者位置存在剪切破壞的可能性；拱底與拱腳接觸位置存在拉伸剪切復合塑性區，有可能發生拉伸破壞也有可能發生剪切破壞；一般而言危險程度劃分為拉伸剪切復合塑性區>拉伸塑性區>剪切塑性區，拱頂拉伸破壞易掉塊，拱腳與拱底易發生拉伸與剪切破壞。

(2)對比有無滲流作用下的隧道圍巖塑性區，可發現考慮滲流的各部位塑性區較之無滲流明顯增大，拱頂拉伸塑性區向上發展并且范圍顯著變大；拱腰與邊墻剪切塑性區向左右兩側發展且范圍也顯著增大；拱腳與拱底三種類型塑性區均明顯發展；由于考慮滲流更接近于實際，所以拱頂、邊墻與拱腳位置更易發生變形破壞。

(3)從塑性區體積分析，剪切塑性區發展較大，拉伸剪切復合塑性區發展最小，說明考慮滲流作用會引起隧道發生剪切變形，主要發生于邊墻與拱腳位置處，在隧道富水區域應該對邊墻與拱腳處的位移及應力進行詳細監控量測且做好防排水設計，防止由于地下水壓力過大引起塑性區過分發展，造成突水涌泥等工程災害。

4 結論

以富水區域公路隧道為研究對象，在FLAC3D軟件中通過設置滲流模式實現地下水在隧道中的流動，通過分析有無滲流作用下隧道圍巖滲流場、位移場以及塑性區對隧道各部位是否穩定作出評價，得到了以下結論：

(1)周邊圍巖地下水壓力差導致隧道形成“漏斗”滲流場，拱腳處地下水壓力變化最大使得拱腳圍巖存在失穩破壞的可能性，因此在富水區隧道施工過程中應加強拱腳防排水設計，必要時加強該部位的結構。

(2)考慮滲流的圍巖各位置豎向位移均增大，地下水于拱頂處向內涌入導致失水固結產生沉降，地下水于拱底向上發生遷移流動導致仰拱圈向上浮動，其中拱頂與拱底位移過大將導致隧道失穩。

(3)拱頂拉伸塑性區易發生掉塊風險，拱腳與拱底易發生拉伸剪切復合破壞，考慮滲流的各部位塑性區較之無滲流顯著增大，拱頂、邊墻與拱腳易發生變形破壞，邊墻與拱腳位置處剪切塑性區發展說明考慮滲流隧道會發生明顯剪切變形，應在邊墻與拱腳加強防排水設計，以防發生突水涌泥等風險。