基于FLAC 3D的富水巖溶隧道滲流特征研究

摘要：為研究富水巖溶隧道滲流特征，文章基于某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下的滲流特征進行研究，得出結論：在隧道開挖后，隧道圍巖的孔隙水壓力明顯降低，且隨著距開挖面的徑向距離不斷增大，圍巖的孔隙水壓力降低程度逐漸減弱，直至接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小；在地下水位條件相同時，巖溶管道填充物類型為粗砂時的孔隙水壓力均大于巖溶管道填充物為淤泥質黏土時的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處時，二者差距更為明顯；隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降，且下降速度逐漸加快；隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度由快到慢依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

關鍵詞：富水巖溶隧道；巖溶管道；滲流特征；數值計算；FLAC 3D

中圖分類號：U456.3 A 38 126 4

0 引言

隨著我國的經濟發展與隧道施工工藝的進步，在交通強國戰略和“一帶一路”倡議的大背景下，大量的公路、鐵路線路與城市地鐵均需要建設大量的隧道。我國隧道的數量、規模、工程條件、技術發展速度均位居世界前列［1］。我國的地形地貌千差萬別，山區面積較大，工程地質情況極其復雜。在我國西南地區，喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特地區的巖層中含有侵蝕性很強的巖溶水，對該地區的可溶性巖石產生溶蝕作用，在該地區修建隧道時，會大大增加突水突泥和襯砌開裂變形甚至破損的風險。若隧道襯砌背后存在巖溶空腔或管道，雨季時地下水位升高，地下水匯聚到隧道襯砌背后的巖溶空腔或管道中，會產生巨大的水壓荷載，對隧道的襯砌結構造成威脅。對于隧道滲流場以及隧道襯砌在水壓力作用下力學特性的研究已有了較多成果。張兵海等［2］利用鏡像法，考慮水庫水頭邊界及遠場水頭邊界的影響，推導出滲流場的解析解，同時建立有限元模型進行對比驗證。馬少坤等［3］建立了有限含水層內帶襯砌的隧道滲流模型，基于鏡像法將其轉化為無限平面內直線多隧道滲流模型，推導出水頭及涌水量的解析公式，通過數值解對比驗證其準確性，并研究了含水層厚度、隧道埋深比及注漿圈參數對水頭分布及隧道涌水量的影響。王剛等［4］推導了具有襯砌支護的深埋圓形隧洞在施工階段和運行階段下的彈塑性解，給出了塑性半徑和襯砌圍巖應力的公式，分析了不同因素作用對塑性半徑和襯砌圍巖應力的影響。蘭慶男等［5］基于滲流場和應力場的雙場耦合理論，從圍巖滲流場分布規律、襯砌結構排水泄壓能力和力學性能等方面評價結構的安全性、適用性，研究了盲管間距對襯砌排水泄壓能力的影響。彎曉林等［6］建立了4種隧道堵排水措施下流固耦合數值計算模型，研究圍巖滲流場分布特征、隧道及周邊水壓力分布規律，通過比較不同堵排水措施下襯砌結構水壓力和排水量，探究各種措施對高水壓環境的適應性。任世林［7］利用Abaqus軟件建立了隧道開挖模型，依次對初始滲流場、毛洞滲流場、注漿后滲流場及施做襯砌后滲流場4種工況進行模擬，分析滲流場的演變特征并計算其滲流量。李偉等［8］基于滲流連續性方程和達西定律推導了水壓力計算公式，分析了噴混凝土層滲透系數、單層襯砌厚度等因素對水壓力的影響規律。

鑒于此，本文依托某高速公路隧道實際工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下的滲流特征進行研究，以期為實際隧道工程施工和后續研究提供參考。

1 工程背景與數值建模

1.1 工程概況

本文以某高速公路隧道實際工程為例，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下滲流特征進行研究。隧址區的地形起伏較大，最高點與最低點之間的相對高差為250 m，地層巖性組成較為簡單，自上而下分別為：粉質黏土、中風化閃長巖、中風化石灰巖、中風化頁巖、全風化花崗閃長巖、強風化花崗閃長巖、中風化花崗閃長巖、膠結礫巖。隧址區的區域地質構造較簡單，主要以水平運動和差異性升降為主，地質構造相對穩定。隧址區的地表水主要為該區域的三大水庫以及沖溝水和魚塘水；地下水主要包括松散巖土類孔隙水和碎屑巖類裂隙水兩種。

1.2 數值模型建立

本文通過FLAC 3D軟件依據實際隧道斷面建立數值模型，隧道斷面溶洞簡化后如圖1所示。

為減小由邊界效應引起的計算誤差，計算模型的尺寸為100 m×3 m×120 m，隧道埋深取50 m。模型中的豎直部分為巖溶管道模型，寬為3 m，長為50 m，建立數值模型如圖2所示。

邊界條件設置為：四周及底面約束法向位移，初始的地下水位線設在地表，為透水邊界；四周邊界設為不透水邊界，底面為固定孔隙水壓力邊界。初始地應力場僅為重力場，豎直方向上按巖土自重考慮，隧道開挖前按照靜水壓力計算孔壓。

1.3 本構模型與計算參數

巖土的本構模型采用摩爾-庫侖彈塑性模型，支護結構的本構模型釆用線彈性模型。結合《公路隧道設計規范》（JTG3370.1-2018），選取的計算參數如表1所示。

2 巖溶管道不同類型填充物不同水位下的滲流特征

2.1 數值計算方案

為研究不同巖溶管道填充物類型不同地下水位條件下隧道滲流場的情況，本節設置了12種不同的計算工況，如表2所示。

2.2 開挖后滲流場變化的基本特征

為研究隧道開挖后的滲流場變化特征，以工況3和工況4（即地下水位線在地表、充填物類型為淤泥質黏土和粗砂的兩種情況）為例，在斷面設置如圖3所示的5條測線，提取測線上的各點孔隙水壓力值。測線位置如圖3所示。

根據數值計算結果，分別繪制出5條測線位置對應的孔隙水壓力變化情況，如下頁圖4所示。

由圖4可知，在隧道開挖前，不同測線位置的初始水壓均沿著垂直方向發生線性變化。這表明在隧道開挖前，隧道的滲流場處于相對穩定狀態，地下水和圍巖未被擾動。圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大而不斷增大，在模型底部位置，孔隙水壓力達到最大值。在隧道開挖后，隧道圍巖中的孔隙水壓力明顯降低，原因為隧道開挖形成了一個新的自由透水面。如圖4（a） ～ （b）所示，在圍巖拱頂和拱肩位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著圍巖離地表的垂直距離增大先增大再減小，當到達開挖面的位置時，圍巖的孔隙水壓力值為0；如圖4（c）所示，在圍巖拱腰位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大先增大，然后逐漸保持不變，此時圍巖的孔隙水壓力值小于初始水壓；如圖4（d） ～ （e）所示，在圍巖拱腳和仰拱位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大而逐漸增大，在遠離開挖面的位置，圍巖的孔隙水壓力值逐漸接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。

2.3不同巖溶洞填充物不同水位下滲流特征

根據數值計算結果，提取隧道部分位置的孔隙水壓力值，得到隧道在不同巖溶管道填充物類型不同地下水位時關鍵位置的孔隙水壓力變化如圖5所示。

由圖5可知，從整體上看，不同的巖溶管道充填物條件下，其隧道關鍵位置在不同的地下水位高度條件下孔隙水壓力的分布規律基本相同。隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小。在地下水位條件相同時，巖溶管道充填物類型為粗砂時的孔隙水壓力均大于巖溶管道充填物為淤泥質黏土時的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處二者差距更為明顯。如圖5（a）所示，在拱頂位置，充填物為粗砂時的圍巖的孔隙水壓力約為充填物為淤泥質黏土時的2.5倍；如圖5（b）所示，在拱肩位置，充填物為粗砂時的圍巖的孔隙水壓力約為充填物為淤泥質黏土時的1.5倍。分析其原因主要為：粗砂和淤泥質黏土二者的滲透系數存在較大的差別，粗砂的滲透系數遠大于淤泥質黏土，在隧道開挖過程中，粗砂的導水速度更快，因此距離填充物為粗砂的巖溶管道越近時，對應位置的孔隙水壓力越大。如圖5（c）～（e）所示，在拱肩、拱腳和仰拱位置處，巖溶管道充填物分別為粗砂、淤泥質黏土時，對應的隧道圍巖關鍵位置的孔隙水壓力差距較小，原因是這些位置距離巖溶管道較遠，受到巖溶管道充填物的影響較小。

分別統計巖溶管道充填物為粗砂和充填物為淤泥質黏土時的不同地下水位高度情況下隧道關鍵部位的圍巖孔隙水壓力下降情況，如圖6所示。

由圖6可知，無論填充物為粗砂還是淤泥質黏土，隧道圍巖的孔隙水壓力在不同地下水位條件下表現出來的下降規律大致相同。隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降。

以填充物為淤泥質黏土的情況為例，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度有一定區別，由大到小依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

3 結語

本文依托某高速公路隧道實際工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，對存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下滲流特征進行研究，得到如下結論：

（1）在隧道開挖前，隧道的滲流場處于相對穩定狀態，地下水和圍巖未被擾動。隨著離地表垂直距離的增大，孔隙水壓力值也在不斷增大，在模型底部位置，孔隙水壓力達到最大值。

（2）在隧道開挖后，隧道圍巖中的孔隙水壓力明顯降低，隨著離開挖面距離的不斷增大，孔隙水壓力降低程度逐漸減弱，在遠離開挖面的位置，巖體的孔隙水壓力值逐漸接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。

（3）隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小。在地下水位條件相同時，巖溶管道充填物類型為粗砂時的孔隙水壓力均大于巖溶管道充填物為淤泥質黏土時的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處二者差距更為明顯。

（4）隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降。隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度由大到小依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

參考文獻

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［8］李 偉，李 慶，楊 丹.隧道單層襯砌結構水壓力特征研究［J］.現代隧道技術，2022，59（2）：71-77.

收稿日期：2023-01-10