岑溪大隧道涌水原因及數(shù)值模擬分析

陳永康

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

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岑溪大隧道涌水原因及數(shù)值模擬分析

陳永康

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

文章以廣西岑溪大隧道上行線CK7+570涌水為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，依據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及試驗(yàn)所得圍巖滲透參數(shù)，采用ADINA建立岑溪大隧道三維有限元模型，分析隧道涌水的成因機(jī)理及地下水滲流特征，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)測(cè)算出涌水流量，與隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最大涌水量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果接近，說(shuō)明隧道涌水模擬分析非常有效，可為隧道后續(xù)開挖及支護(hù)提供理論依據(jù)。

岑溪大隧道；涌水；機(jī)理分析；數(shù)值模擬

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。為了滿足現(xiàn)代運(yùn)輸及人們出行的方便，修建的隧道也越來(lái)越多，目前隧道呈現(xiàn)出越修越長(zhǎng)、越修越寬、技術(shù)越來(lái)越難的趨勢(shì)。隧道在修建過(guò)程中各種地質(zhì)災(zāi)害越來(lái)越頻繁，其中隧道涌水是一種相當(dāng)普遍且極其容易造成嚴(yán)重后果的工程災(zāi)害，對(duì)施工人員和設(shè)備造成嚴(yán)重甚至災(zāi)難性損害[1]。因此，加強(qiáng)隧道涌水的研究，對(duì)保障隧道施工，擬定有效

的防治措施，均有非常重要的意義。

岑溪大隧道是廣西岑水至水汶高速公路的控制性工程，位于廣西岑溪市南部山區(qū)內(nèi)，為上下分離式隧道，上行線長(zhǎng)4 288 m，下行線長(zhǎng)4 270 m，隧道埋深最大約為645 m。隧址區(qū)內(nèi)有4條發(fā)育斷裂，地下水補(bǔ)給條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，發(fā)生涌水的概率非常大，本文以岑溪大隧道上行線CK7+570涌水為例，分析隧道涌水原因，并采用ADINA有限元軟件分析地下水滲流特征，并與現(xiàn)場(chǎng)涌水量測(cè)算進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證隧道涌水滲流特征，為后續(xù)隧道施工預(yù)防涌水災(zāi)害發(fā)生提供理論依據(jù)。

1 隧道地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

隧道位于廣西東南部的構(gòu)造侵蝕型低山地貌區(qū)，云開大山北麓的東段，峰脊線為西-東北西-南東走向，高程為245～845 m，相對(duì)高差600上下，在地表徑流侵蝕及長(zhǎng)期構(gòu)造作用下，地形起伏較大，山高坡陡，“V”型溝谷發(fā)育，地表植被茂盛。

1.2 地層巖性

表層以第四系殘坡積層覆蓋為主，局部有風(fēng)化混合物出露，基巖主要是變質(zhì)作用下的混合巖(如花崗片麻巖、片麻狀花崗巖、石英巖、片麻巖等)組成，巖性以花崗巖為主，存在局部侵入巖脈。礦物成分主要是長(zhǎng)石、石英和云母，中～粗粒狀顆粒，變質(zhì)結(jié)晶后為塊狀、片麻狀。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)域內(nèi)受不同規(guī)模和不同等級(jí)的斷層、破碎帶發(fā)育，在地質(zhì)勘查時(shí)，發(fā)現(xiàn)較大的破碎帶及斷層，分別為岑溪至容縣斷層和大隆到水汶斷層。斷層和破碎構(gòu)造帶走向多為NW、SN，其中以NW向?yàn)橹?，與隧道軸線斜交。

2 隧道涌水原因分析

2.1 隧道涌水經(jīng)過(guò)

隧道上行線進(jìn)口端掘進(jìn)至CK7+560時(shí)圍巖出現(xiàn)變化，圍巖破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育。2012年6月22日凌晨3點(diǎn)掘進(jìn)至CK7+570時(shí)，掌子面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，開始是點(diǎn)滴狀，隨著時(shí)間推移變?yōu)楣蔂畛鏊A泥，掌子面拱頂圍巖經(jīng)常掉塊，破碎處圍巖出現(xiàn)小規(guī)模滑移。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，從6月22日下午開始涌水量為2 550 m3/d，直到8月21后一直穩(wěn)定在2 000 m3/d左右，見圖1～2。

圖1 隧道涌水示例圖

圖2 掌子面涌水示例圖

2.2 涌水原因分析

根據(jù)地質(zhì)勘查及現(xiàn)場(chǎng)涌水等資料，經(jīng)過(guò)分析，涌水主要由以下4方面造成：

(1)儲(chǔ)存條件

隧道在CK7+570附近埋深80 m左右，地勢(shì)較周邊低洼，在長(zhǎng)期的地表徑流和地質(zhì)構(gòu)造作用下形成了一個(gè)大埡口。周邊的巖體經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)拉伸反復(fù)作用，巖體極其破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，透水能力強(qiáng)，是一個(gè)天然的儲(chǔ)水庫(kù)。

(2)地下水的補(bǔ)給

涌水區(qū)域地表無(wú)較大的儲(chǔ)水庫(kù)，地表水主要是各溝谷的泉水，地表流徑發(fā)育，溪流密度較大，補(bǔ)給主要是來(lái)自松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，其中松散孔隙水主要是大氣降雨滲入補(bǔ)給和基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給；基巖裂隙水主要是大氣降雨滲入補(bǔ)給和松散巖孔隙水滲入補(bǔ)給，而發(fā)生涌水時(shí)正處于豐水期，大氣降水給予地下水源源不斷的補(bǔ)充。

(3)連通條件

涌水區(qū)CK7+560～CK7+980段由于受到地質(zhì)構(gòu)造作用下，圍巖主要呈破碎狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙極其發(fā)育，粘性土充填，在斷層的影響下巖體裂隙張大、連通性發(fā)育，成為了地下水及地表水涌水的連通渠道。

(4)施工影響

地下水的循環(huán)早在歷史的長(zhǎng)久作用下已經(jīng)穩(wěn)定，而隨著隧道開挖，改變了原有的應(yīng)力場(chǎng)，并將原來(lái)地下水滲流場(chǎng)改變，地下水流動(dòng)、遷移發(fā)生變化，隧道的開挖成為地下水遷移的新廊道，所有的地下水都向這條新廊道中匯集。隧道爆破施工又?jǐn)_動(dòng)周邊圍巖，使得圍巖變形，裂隙張大，加速地下水滲流。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

地下水的無(wú)壓滲流是三維自由面滲流問(wèn)題，因此可以忽略地表水的蒸發(fā)量或滲入[2]，根據(jù)地質(zhì)資料及隧道實(shí)際開挖斷面，利用ADINA建立岑溪大隧道三維有限元模型。

模型區(qū)域范圍取CK7+560～CK7+680，共120 m(X方向)，隧道埋深度為60～80m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)最初最大涌水量，利用隧道涌水量預(yù)測(cè)的大島洋志公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：q0——單位長(zhǎng)度隧道的最大涌水量，m3/d；

K——圍巖滲透系數(shù)，m/d；

H——含水層初始頂面到隧道底面高度，m；

r0——隧道洞室半徑，m；

d——隧道洞室直徑，m；

m——轉(zhuǎn)換系數(shù)。

其中q0取2 550m3/d，π取3.14，轉(zhuǎn)換系數(shù)m取0.86，隧道橫斷面用等價(jià)圓半徑r0取5.25m，d取10.5m，K為25m/d，將這些數(shù)據(jù)代入式(1)，可以算出含水層厚度為68.63m，根據(jù)地勘及水位觀測(cè)資料知地下水位于地表以下5m，從而隧道中線距離地下水位面65～75m。因此，模型頂面為地下水位線，模型底面取隧道底面以下15m，共85m(Z方向)；橫向?yàn)樗淼乐芯€沿兩側(cè)各延伸100m(Y方向)，見圖3。

圖3 隧道剖面示意圖

隧道模型由三個(gè)單元組組成：第一組是圍巖；第二組是隧道開挖洞身；第三組是隧道襯砌。模型共有539 894個(gè)節(jié)點(diǎn)，65 120個(gè)單元，640個(gè)體，采用8節(jié)點(diǎn)六面體的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖4。

圖4 隧道網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 計(jì)算邊界條件和參數(shù)

目前有限元計(jì)算滲流時(shí)采用的邊界條件有兩類：(1)流量邊界條件；(2)水頭邊界條件[3][4]。本次計(jì)算模型底面為不透水邊界，屬第二類邊界條件；根據(jù)隧道縱斷面圖及地下水位線，模型最大水頭為1 000kPa，屬第一類邊界條件。

模型中所涉及到的巖土計(jì)算參數(shù)主要包括圍巖等級(jí)、巖性、重度、滲透系數(shù)、變形模量、泊松比、內(nèi)摩擦機(jī)、粘聚力。根據(jù)地質(zhì)勘查及試驗(yàn)資料確定各參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)表

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

(1)水頭分析

圖5 隧道開挖前總水頭云圖

圖6 隧道開挖一半水頭云圖

圖7 隧道全開挖水頭云圖

隧道沒(méi)有開挖時(shí)，水頭沒(méi)有發(fā)生變化，最大水頭是1 000kPa，見圖5；隧道上臺(tái)階開挖時(shí)水頭變化情況，最大水頭是980kPa(見圖6)，比沒(méi)有開挖的時(shí)減少了20kPa；隧道下臺(tái)階開挖后的水頭變化情況，最大水頭是970kPa(見圖7)，比上臺(tái)階開挖的時(shí)候又降低了10kPa，較隧道沒(méi)開挖時(shí)降低了30kPa。說(shuō)明隧道從開挖到上臺(tái)階開挖水頭變化較下臺(tái)階開挖大，符合水壓力消散原理，剛開挖水壓力較大，水頭變化明顯，隨著水壓的消散，水頭變化降低。

(2)自由液面分析

圖8 隧道開挖12 m的自由水面云圖

圖9 隧道全開挖的自由水面云圖

圖8、圖9分別為隧道開挖到12m和完全開挖后的自由液面變化。由圖8可知，剛開挖時(shí)，自由液面變化不大，主要在模型頂面、底面積隧道周邊(特別是隧道拱頂上方)一定范圍，而距隧道較遠(yuǎn)的兩側(cè)變化不大。由圖9可知，等隧道完全開挖后，地下水不斷從隧道流失，自由液面變化較明顯，特別是隧道拱頂及拱腰處，降低明顯，說(shuō)明隧道拱頂、拱腰處水位下降范圍較大，是涌水的主要來(lái)源；隧道底部的自由液面也有一點(diǎn)變化，但范圍非常小，說(shuō)明隧道開挖時(shí)，隧道底部涌水有限，量不大。因此對(duì)該涌水治理重點(diǎn)是對(duì)拱頂及拱腰處。

(3)流速分析

為更好模擬分析流速的變化，在模擬分析時(shí)將隧道附近區(qū)域單獨(dú)作為流速分析。

圖10 隧道開挖一半流速矢量圖

圖11 隧道全開挖流速矢量圖

由圖10～11可知，地下水滲流主要是隧道拱頂、拱腰流向已經(jīng)開挖區(qū)域，且離掌子面越近，水流速度越快，離掌子面越遠(yuǎn)其流速越小。主要是因?yàn)榈叵滤谧灾亓八畨毫ψ饔孟拢捎谡谱用鏋榕R空區(qū)，地下水的流通通道沒(méi)有阻力障礙，流至掌子面時(shí)壓力突然被釋放，地下水的速度就明顯增加。由圖10可知隧道上臺(tái)階開挖時(shí)，掌子面滲水流速為0.003～0.008 6m/s。如圖11所示，隧道下臺(tái)階開挖后，掌子面滲水流速為0.001 5～0.006 5m/s。這說(shuō)明隨著隧道掘進(jìn)，地下水不斷流失，水壓力降低，致使水的流速慢慢變小。從隧道開挖至完成的時(shí)間內(nèi)，地下水的平均流速為0.005m/s。根據(jù)涌水量Q=A*V[5]，其中A為滲水實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，根據(jù)勘察資料可知隧道涌水段裂隙率為5%，洞室大小為12.6×10.5m2，算出隧道涌水量為2 857.68m3/d，而隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開始最大涌水量約為2 550m3/d，說(shuō)明兩者數(shù)值相近。

通過(guò)模擬總水頭、自由液面、流速的分析，運(yùn)用水壓力公式P=ρgh計(jì)算隧道開挖前后地下水下降了3m，為了保障隧道附近居民的正常生活及周邊生態(tài)環(huán)境，需要對(duì)涌水進(jìn)行堵水處治。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文根據(jù)隧址區(qū)域地形地貌及現(xiàn)場(chǎng)勘探，分析岑溪大隧道上行線CK7+570處發(fā)生涌水原因。

(2)運(yùn)用ADINA有限元軟件對(duì)隧道涌水進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出隧道涌水主要發(fā)生在拱頂、拱腰處，這與實(shí)際相符。并算出涌水后地下水位下降3m，這為隧道涌水處治方案應(yīng)以“堵”提供理論依據(jù)。

(3)在隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開始最大涌水量約為2 550m3/d，數(shù)值模擬分析推算出最大涌水量為2 857.68m3/d，兩者數(shù)值接近，肯定了數(shù)值模擬分析方法，為后續(xù)隧道掘進(jìn)中計(jì)算涌水量大小提供參考，為隧道施工中采取預(yù)防措施提供依據(jù)。

[1]吳明玉，寧殿晶，謝秩瓊.隧道涌水的原因分析及治理措施[J]，山西建筑，2010，36(12)：33-37.

[2]王 媛，王 飛，倪小東.基于非穩(wěn)定滲流隨機(jī)有限元的隧洞涌水量預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，10(28)：1183-1188.

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Cenxi Large Tunnel Gushing Causes and Numerical Simulation Analysis

CHEN Yong-kang

(Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning，Guangxi，530003)

With the gushing of Guangxi Cenxi Large Tunnel up-line CK7+570 segment as the example，combined with field geological data，and based on the movement rules of groundwater as well as the surrounding rock permeability parameters obtained from the test，this article established the dimen-sional finite element model of Cenxi Large Tunnel by using ADINA，analyzed the occurrence mechanism of tunnel water gushing as well as the seepage characteristics of groundwater，calculate the gushing flow according to related literature，compared with the largest gushing amount in field tunnel test，and it found that the simulation test results are close to the field test results，indicating that the tunnel gushing simulation analysis is very effective，which can provide the theoretical basis for subsequent tunnel exca-vation and supporting.

Cenxi large tunnel；Gushing；Mechanism analysis；Numerical simulation

陳永康(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事公路、橋梁工程教學(xué)、設(shè)計(jì)與施工技術(shù)服務(wù)工作。

U453.6+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.008

1673-4874(2015)01-0033-05

2014-12-10