高水壓富水區(qū)裂隙巖體隧道滲流場(chǎng)的特征

高新強(qiáng)，艾旭峰，孔　超

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊　050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊　050043；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都　610031；4.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都　610031)

在高水壓富水區(qū)修建隧道是隧道工程界的技術(shù)難題。大量的工程實(shí)踐證明：在高水壓富水區(qū)，圍巖的穩(wěn)定性、地下涌(突)水和襯砌水壓力是關(guān)系到隧道能否修建成功的主要因素。同時(shí)，在當(dāng)今環(huán)保要求較高的條件下，還必須重視隧道修建對(duì)地下水環(huán)境的影響[1-2]。

許多學(xué)者通過試驗(yàn)[3-4]或數(shù)值模擬[5-12]的方法，對(duì)隧道滲流問題進(jìn)行了研究。目前，結(jié)合裂隙巖體隧道工程的開挖、注漿堵水、結(jié)構(gòu)防排水等特點(diǎn)對(duì)裂隙巖體隧道滲流場(chǎng)所進(jìn)行的數(shù)值分析多采用有限元連續(xù)介質(zhì)方法，而裂隙巖體隧道滲流模型中應(yīng)包含離散介質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)，因此僅采用連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬存在諸多問題。針對(duì)這些問題，本文采用離散元法，基于三維離散元軟件3DEC，僅考慮滲流場(chǎng)，忽略應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用，建立裂隙巖體隧道滲流分析數(shù)值模型，分析隧道主要施工過程(開挖、噴混凝土、襯砌)中隧道滲流場(chǎng)的變化規(guī)律和特征，并分析圍巖裂隙寬度、注漿圈厚度、注漿圈滲透系數(shù)及噴混凝土滲透系數(shù)等主要滲透參數(shù)對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響規(guī)律，為裂隙巖體隧道水荷載的確定提供理論支持。

1　離散元分析模型

1.1　模型尺寸

計(jì)算模型在x，y，z軸上的長(zhǎng)度分別為200，190，4 m。隧道中心距模型的頂面100 m，距模型的底面90 m，距模型的左、右側(cè)面均為100 m，如圖1所示。計(jì)算模型中建有垂直于隧道軸向(z軸方向)的貫通裂隙，圖1(b)中模型側(cè)面不同顏色的交界處即為裂隙，假定裂隙為光滑平行，裂隙寬1 mm。

1.2　水壓力邊界條件

計(jì)算模型頂面邊界外水壓力為0，前后端面為不透水邊界，其余邊界按靜水壓力邊界施加。水壓力邊界條件如圖2所示。

圖1　滲流數(shù)值模型

圖2　水壓力邊界條件(單位：MPa)

2　隧道施工過程中滲流場(chǎng)的變化規(guī)律

2.1　初始滲流場(chǎng)

隧道未開挖情況下的初始滲流場(chǎng)如圖3所示。由圖3(a)可知：初始滲流場(chǎng)的水壓力僅與高度位置相關(guān)，即處于靜水壓力狀態(tài)。由圖3(b)可知：滲流速度為0，表明在外邊界不透水的情況下初始滲流場(chǎng)為靜水場(chǎng)。

圖3　初始滲流場(chǎng)

2.2　毛洞滲流場(chǎng)

未注漿情況下開挖隧道，模型外部水壓力邊界條件不變，內(nèi)部在開挖輪廓面處設(shè)置1個(gè)固定孔隙水壓力為0的滲流邊界條件，滲流平衡后毛洞的滲流場(chǎng)如圖4所示。由圖4可知：隧道開挖后，裂隙中的地下水向隧道中心流動(dòng)，在開挖暴露面上流速最大，在隧道周圍形成降水漏斗，導(dǎo)致地下水大量流失(16 600 m3·(m·d)-1)，隧道上部地下水水位明顯下降。

圖4　毛洞滲流場(chǎng)

計(jì)算過程中對(duì)隧道各部位徑向圍巖中水壓力的分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)線位置如圖5所示。

圖5　水壓力監(jiān)測(cè)線位置

滲流平衡后，裂隙中各監(jiān)測(cè)線上不同部位的水壓力如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)表示監(jiān)測(cè)線上的點(diǎn)到開挖輪廓面的徑向距離。由圖6可知：隧道開挖后對(duì)其上部和隧道周邊0～30 m范圍內(nèi)的滲流場(chǎng)影響最為顯著；到開挖輪廓面的徑向距離越遠(yuǎn)開挖對(duì)水壓力的影響越小。

2.3　施作5 m注漿圈并開挖后隧道滲流場(chǎng)

注漿后，注漿區(qū)域裂隙的滲透性將減小，因此模型中通過減小注漿區(qū)域裂隙的寬度來模擬注漿效果。設(shè)注漿區(qū)域裂隙寬度為0.05 mm，為未注漿區(qū)域裂隙寬度的1/20，注漿圈區(qū)域裂隙的滲透系數(shù)為未注漿區(qū)域裂隙滲透系數(shù)的1/400。注漿圈厚度為5 m，內(nèi)外部水壓力邊界條件不變。

滲流平衡后隧道滲流場(chǎng)如圖7所示。由圖7(a)可知：裂隙中的水壓力受影響的范圍主要集中在注漿圈區(qū)域，注漿圈以外區(qū)域基本恢復(fù)靜水壓力狀態(tài)。由圖7(b)可知：水壓力在開挖輪廓面處為0，然后沿徑向遞增，在注漿圈范圍以外逐漸趨近靜水壓力，說明注漿圈起到了堵水的目的。由圖7(c)可知：裂隙中的地下水在注漿圈區(qū)域內(nèi)較注漿圈以外區(qū)域流速大，注漿圈區(qū)域流速在0.02～0.06 m·s-1范圍內(nèi)，此時(shí)，由裂隙滲入隧道的水量約為9.5 m3·(m·d)-1，約為注漿前滲水量(16 600 m3·(m·d)-1)的1/1 660。

圖6　毛洞滲流場(chǎng)各監(jiān)測(cè)線上各點(diǎn)的水壓力

圖7　施作5 m注漿圈并開挖后隧道滲流場(chǎng)

2.4　施作噴混凝土后隧道滲流場(chǎng)

3DEC 4.10版本中，流體僅能在裂隙中滲透，塊體是不透水的。因此，在模擬噴混凝土等連續(xù)介質(zhì)的滲透性時(shí)，需要用裂隙介質(zhì)的滲透性來等效。模型中噴混凝土塊體的滲透性采用對(duì)應(yīng)裂隙的滲透性來等效，等效過程中主要考慮流體徑向的滲流，用多條徑向裂隙來模擬，如圖8所示。

圖8　噴混凝土層數(shù)值模型

噴混凝土的厚度為0.28 m，滲透系數(shù)為1×10-8m·s-1；模型外部滲流邊界條件不變；在噴混凝土內(nèi)表面設(shè)置1個(gè)固定孔隙水壓力為0的滲流邊界條件，模擬施作噴混凝土后的滲流狀態(tài)。

施作噴混凝土后隧道滲流場(chǎng)如圖9所示。由圖9(a)可知：注漿圈與噴混凝土接觸面上水壓力顯著增加，增加至0.40～0.45 MPa，而注漿圈和圍巖分界面與施作噴混凝土前相比未發(fā)生顯著變化。由圖9(b)可知：施作噴混凝土后，對(duì)滲流場(chǎng)的主要影響范圍在注漿圈區(qū)域和噴混凝土區(qū)域，在噴混凝土區(qū)域(0～0.28 m)內(nèi)，水壓力變化迅速，其變化范圍約為0.45 MPa；注漿圈區(qū)域(0.28～5 m)內(nèi)，水壓力變化值相比噴混凝土施作前有所減小，由施作前的約1 MPa減小為施作后的約0.55 MPa。由圖9(c)可知：施作噴混凝土后，由于噴混凝土滲透系數(shù)小，起到了限流作用，注漿圈區(qū)域內(nèi)裂隙中地下水的流速有所減小，流速在0.015～0.04 m·s-1范圍內(nèi)，流動(dòng)方向基本未發(fā)生變化。

施作噴混凝土后由裂隙滲入隧道的總水量約為5.6 m3·(m·d)-1，約為噴混凝土施作前滲水量(9.5 m3·(m·d)-1)的3/5。

圖9　施作噴混凝土后隧道滲流場(chǎng)

2.5　施作二次襯砌后隧道滲流場(chǎng)

模型中在左、右墻腳位置各設(shè)置φ10 cm縱向盲管，縱向盲管與垂直裂隙貫通。模型外部滲流邊界條件不變，內(nèi)部在縱向盲管出口位置設(shè)置固定孔隙水壓力為0的排水邊界條件，模擬全排的情況。

滲流平衡后隧道滲流場(chǎng)如圖10所示。由圖10(a)可知：施作二次襯砌后，噴混凝土區(qū)域內(nèi)，水壓力的變化范圍與施作二次襯砌前相比有所增大，約為0.6 MPa，注漿圈區(qū)域水壓力變化范圍相應(yīng)減小，約為0.4 MPa；由圖10(b)可知：對(duì)滲流場(chǎng)的主要影響范圍為注漿圈和噴混凝土區(qū)域；由圖10(c)可知：施作二次襯砌后，裂隙中的地下水經(jīng)過圍巖、注漿圈、噴混凝土，在二次襯砌背后向縱向盲管處匯集、排出。此時(shí)，由裂隙滲入隧道的總水量約為3.5 m3·(m·d)-1，約為施作二次襯砌前滲水量(5.6 m3·(m·d)-1)的7/10。

圖10　施作二次襯砌后隧道滲流場(chǎng)

3　滲透參數(shù)對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響

圍巖裂隙寬度、注漿圈厚度、注漿圈滲透系數(shù)及噴混凝土滲透系數(shù)等滲透參數(shù)對(duì)隧道施工過程中隧道滲流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響。

模型采用施作噴混凝土后的滲流離散元數(shù)值模型，其各參數(shù)的初始值見表1。

3.1　巖體裂隙寬度對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響

圍巖裂隙寬度范圍取0.2～1.8 mm，每次變化0.2 mm，其他參數(shù)不變，不同圍巖裂隙寬度時(shí)的水壓力和滲水量如圖11和圖12所示，圖中“1點(diǎn)”指監(jiān)測(cè)線1與噴混凝土和圍巖接觸面的交點(diǎn)處，其余類同。由圖11可知：隨著裂隙寬度的增大，噴混凝土與注漿后圍巖接觸面處的水壓力也逐漸增大，水壓力變化范圍約為0.2 MPa。由圖12可知：滲入隧道的水量隨著圍巖裂隙寬度的增加而增大，其變化趨勢(shì)與水壓力變化趨勢(shì)基本一致，滲水量變化值約為0.3 m3·(m·d)-1。

表1　模型參數(shù)的初始值

圖11　水壓力與圍巖裂隙寬度的關(guān)系

圖12　隧道滲水量與圍巖裂隙寬度的關(guān)系

3.2　注漿圈厚度對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響

注漿圈厚度的取值范圍為0～20 m，每次增加2 m，其他參數(shù)保持不變。水壓力與注漿圈厚度的關(guān)系如圖13所示。由圖13可知：隨著注漿圈厚度的增加，水壓力逐漸減??；對(duì)裂隙巖體進(jìn)行注漿后，注漿圈的厚度在0～8 m之間變化時(shí)對(duì)噴混凝土背后的水壓力的影響最為顯著，水壓力變化值約為0.7 MPa；隨著注漿圈厚度的進(jìn)一步增大，影響減弱?？紤]到施工水平和經(jīng)濟(jì)效益，堵水時(shí)建議注漿圈厚度采用3～8 m。

圖13　水壓力與注漿圈厚度的關(guān)系

隧道滲水量與注漿圈厚度的關(guān)系如圖14所示。由圖14可知：隨著注漿圈厚度的增加，隧道滲水量逐漸減小，其變化趨勢(shì)與水壓力的變化趨勢(shì)基本一致；注漿圈厚度在0～8 m之間變化時(shí)對(duì)隧道滲水量影響較為顯著，滲水量變化值約為8 m3·(m·d)-1；超過8 m以后，影響減弱，滲水量變化值僅為2 m3·(m·d)-1左右。

圖14　隧道滲水量與注漿圈厚度的關(guān)系

3.3　注漿圈滲透系數(shù)對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響

分析中注漿圈滲透系數(shù)采用等效滲透系數(shù)，逐漸減小圍巖裂隙寬度，以實(shí)現(xiàn)注漿圈滲透系數(shù)由大到小的變化。

水壓力與注漿圈等效滲透系數(shù)的關(guān)系如圖15所示。由圖15可知：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓力隨著注漿圈等效滲透系數(shù)的增加而增加，注漿圈等效滲透系數(shù)小于2.0×10-7m·s-1時(shí)對(duì)噴混凝土背后水壓力影響顯著，注漿圈內(nèi)水壓力變化值約為0.9 MPa，當(dāng)注漿圈等效滲透系數(shù)大于2.0×10-7m·s-1之后，水壓力變化較為平緩，變化值約為0.1 MPa；當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)大于1.0×10-7m·s-1時(shí)，噴混凝土背后的水壓力較大。因此采用注漿堵水時(shí)，建議注漿圈等效滲透系數(shù)小于1.0×10-7m·s-1。

圖15　水壓力與注漿圈等效滲透系數(shù)的關(guān)系

隧道滲水量與注漿圈等效滲透系數(shù)的關(guān)系如圖16所示。由圖16可知：隧道滲水量隨著注漿圈等效滲透系數(shù)的增大而增加，其變化趨勢(shì)與噴混凝土背后水壓力變化趨勢(shì)基本一致；注漿圈等效滲透系數(shù)小于2.0×10-7m·s-1時(shí)，對(duì)隧道滲水量影響顯著，滲水量的變化值約為11 m3·(m·d)-1；注漿圈等效滲透系數(shù)大于2.0×10-7m·s-1后，影響大大減弱，在2.0×10-7～1.0×10-6m·s-1范圍內(nèi)，滲水量的變化值不足2 m3·(m·d)-1。由此可知，注漿圈等效滲透系數(shù)小于2.0×10-7m·s-1時(shí)堵水效果最為顯著。

圖16　隧道滲水量與注漿圈等效滲透系數(shù)的關(guān)系

3.4　噴混凝土滲透系數(shù)對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響

噴混凝土厚度多在20～30 cm之間，其變化范圍較小，對(duì)滲流場(chǎng)的影響不顯著，故僅分析噴混凝土滲透系數(shù)對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響。

水壓力與噴混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系如圖17所示。由圖17可知：噴混凝土滲透系數(shù)在小于4×10-8m·s-1時(shí)，對(duì)其背后水壓力影響顯著，水壓力變化值最大可達(dá)0.9 MPa；當(dāng)噴混凝土滲透系數(shù)大于4×10-8m·s-1(此時(shí)，噴混凝土滲透系數(shù)與注漿圈滲透系數(shù)的比值約為1.54，即兩者滲透系數(shù)基本相當(dāng))后，對(duì)水壓力的影響逐漸減弱，水壓力變化值很小，僅為0.1 MPa左右。

圖17　水壓力與噴混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系

隧道滲水量與噴混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系如圖18所示。由圖18可知：在圍巖裂隙寬度為1 mm，注漿圈等效滲透系數(shù)為2.6×10-8m·s-1的情況下，噴混凝土的滲透系數(shù)在0～4.0×10-8m·s-1范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)隧道滲水量的影響最為顯著，其變化值約8 m3·(m·d)-1；當(dāng)噴混凝土滲透系數(shù)大于4.0×10-8m·s-1后，影響大大減弱，滲水量變化值不足2 m3·(m·d)-1。隨著噴混凝土滲透系數(shù)繼續(xù)增大，隧道滲水量趨于此種情況下的上限值，約為10 m3·(m·d)-1。

圖18　隧道滲水量與噴混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系

分析中，裂隙巖體、注漿圈、噴混凝土三者滲透性的初始比是恒定的，當(dāng)三者的滲透系數(shù)之間初始比變化時(shí)，噴混凝土背后水壓力或隧道滲水量的變化規(guī)律基本一致，影響顯著的范圍有所不同，即曲線的陡緩不同。文獻(xiàn)[11—14]做過類似的分析計(jì)算。

4　結(jié)　論

(1)高水壓富水區(qū)裂隙巖體隧道施工過程中滲流場(chǎng)特征：①隧道開挖前，初始滲流場(chǎng)為靜水場(chǎng)；②在未注漿情況下開挖隧道，對(duì)隧道滲流場(chǎng)影響顯著，地下水大量流失(16 600 m3·(m·d)-1)，隧道上部地下水的水位面明顯下降；③注漿后開挖隧道，對(duì)注漿圈(厚5 m)范圍內(nèi)的滲流場(chǎng)影響顯著，對(duì)注漿圈外裂隙圍巖滲流場(chǎng)影響不顯著，隧道滲水量約為9.5 m3·(m·d)-1，約為注漿前的1/1 660；④施作噴混凝土后，對(duì)噴混凝土和注漿圈范圍內(nèi)滲流場(chǎng)影響顯著，對(duì)注漿圈外裂隙圍巖滲流場(chǎng)影響不顯著，隧道滲水量降低為5.6 m3·(m·d)-1，約為施作前的3/5；⑤施作二次襯砌后，噴混凝土內(nèi)水壓力變化范圍有所增大，注漿圈區(qū)域內(nèi)水壓力變化范圍相應(yīng)減小，隧道滲水量降低為3.8 m3·(m·d)-1，約為施作前的7/10。

(2)圍巖裂隙寬度、注漿圈厚度、注漿圈等效滲透系數(shù)及噴混凝土滲透系數(shù)等對(duì)裂隙巖體隧道滲流場(chǎng)的影響規(guī)律：①圍巖裂隙寬度在0.2～1.8 mm之間時(shí)，噴混凝土背后的水壓力及隧道滲流量均隨著裂隙寬度的增大而增大，但變化范圍較?。虎陔S著注漿圈厚度的增加，噴混凝土背后水壓力和隧道滲水量均減小，注漿圈厚度在0～8 m之間時(shí)，對(duì)噴混凝土背后水壓力和隧道滲水量影響均顯著，而超過8 m后，影響大為減弱；③隨著注漿圈等效滲透系數(shù)的增加，噴混凝土背后水壓力和隧道滲水量均增加，注漿圈等效滲透系數(shù)小于2.0×10-7m·s-1時(shí)，對(duì)噴混凝土背后水壓力和隧道滲水量影響顯著，而大于2.0×10-7m·s-1后，影響大為減弱；④噴混凝土背后的水壓力隨著噴混凝土滲透系數(shù)的增加而減小，而隧道滲水量隨著噴混凝土滲透系數(shù)的增加而增大，噴混凝土滲透系數(shù)小于4.0×10-8m·s-1時(shí)，對(duì)噴混凝土背后水壓力和隧道滲水量影響均顯著，而大于4.0×10-8m·s-1后，影響不再明顯。

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