河水位變化影響下水下隧道的施工力學(xué)行為

岳健 ,譚仁華 , 安永林 , 劉運思

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

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河水位變化影響下水下隧道的施工力學(xué)行為

岳健1，2,譚仁華1，2, 安永林1，2, 劉運思1，2

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

針對礦山法施工的下穿河流水下小凈距交通隧道，結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，研究在河水位變化影響下的隧道施工力學(xué)行為。首先，考慮河水位變化、隧道開挖面位置變化對圍巖的應(yīng)力場與滲流場的影響，建立三維計算模型，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到的河水位-施工步變化曲線，在模型中設(shè)置了92種河水位與施工步的對應(yīng)狀態(tài)；然后分析計算結(jié)果，并對比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果；最后計算分析河水位暴漲與驟降的8種工況。研究結(jié)果表明：在相鄰洞施工的影響下，本洞上臺階初襯的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳；相比前一施工步，施工僅僅向前推進1步的同時如果河水位暴漲5 m，會明顯惡化本洞緊鄰施工段的初襯的受力狀況?；谘芯拷Y(jié)果提出了若干工程建議。

水下小凈距隧道；河水位變化；施工力學(xué)行為；礦山法

對于跨越江、河、湖、海的水下交通隧道，研究上覆水體的水位變化對隧道力學(xué)行為的影響具有重要的工程意義[1-4]。許金華[5]比較了不同江水位下盾構(gòu)隧道管片承受水壓力的分布情況；張志強[6]研究指出不同水位條件下礦山法海底隧道要采取不同的排水量控制標準；李鵬飛[7]研究表明海水深度對礦山法海底隧道風化槽段的圍巖穩(wěn)定性影響顯著；于洪丹[8]指出海洋潮汐荷載循環(huán)變化，非常不利于礦山法海底隧道襯砌的長期穩(wěn)定；林存剛[9]研究發(fā)現(xiàn)在潮汐引起錢塘江水位變化的影響下，某運營盾構(gòu)隧道的鋼筋應(yīng)變和圍壓隨水位變化發(fā)生等周期的同步波動。不同學(xué)者針對不同工況開展研究，取得了重要的研究成果。值得注意的是：1)感潮性河流與非感潮性河流的水位變化情況不同，前者的河水位變化循環(huán)快，甚至半日或一日就循環(huán)一次，而后者的河水位變化循環(huán)要慢的多，兩種不同的河水位變化情況對下方隧道受力性狀產(chǎn)生的影響也不同；2)隧道采用不同的修建方法(礦山法、盾構(gòu)法、沉管法等)，隧道的施工工序變化、滲流邊界變化等存在較大不同，因此水位變化影響下的隧道受力性狀也不同。

對于采用礦山法施工的下穿河流的水下小凈距交通隧道，本文提到的“隧道開挖面位置”指的是隧道正前方臨空的豎直巖面的位置，隧道開挖面位置隨著各施工工序的循環(huán)作業(yè)而沿縱向逐步向前推進，即隧道開挖面的位置隨著施工步而變；在隧道開挖面位置變化的同時，上方的河水位可能也在變化，即河水位變化與隧道開挖面位置變化有可能同時發(fā)生，而且在整個施工期間兩個變化量之間存在復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，會引起隧道圍巖的應(yīng)力場與滲流場發(fā)生復(fù)雜變化，目前對于上述情況下的隧道施工力學(xué)行為的研究還鮮見報道。本文以礦山法施工的下穿瀏陽河(非感潮性河流)的水下小凈距公路隧道為工程背景，結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，研究在河水位變化影響下隧道施工過程的力學(xué)行為。

1 基于現(xiàn)場監(jiān)測建立數(shù)值計算模型

長沙市瀏陽河公路隧道設(shè)置水平平行雙洞，單洞開挖寬度11.9 m，開挖高度10.4 m。選取位于瀏陽河下方50 m長的一段隧道作為研究對象，研究區(qū)段內(nèi)相鄰兩洞的凈距為1.5B(B為單洞開挖寬度)，水下巖土覆蓋層厚度僅為16 m。建立研究區(qū)段的三維計算模型如圖1與圖2所示，整個模型寬300 m，高150 m，縱向長50 m。模型中的地層自上而下分別為：厚1 m的人工填土，厚3.5 m的粉質(zhì)黏土，厚3.5 m的卵石層，余下為強風化礫巖層。隧道從強風化礫巖中穿過。根據(jù)地質(zhì)勘查報告與相關(guān)規(guī)范，選定計算參數(shù)如表1所示。依次采用全斷面預(yù)注漿、管棚、小導(dǎo)管對圍巖進行超前加固，在施工過程模擬中，采用將圍巖屬性修改為超前加固區(qū)屬性的方法來模擬超前加固的作用。隧道全環(huán)噴射厚25 cm的 C25混凝土，將噴砼和型鋼拱架視作一個整體，統(tǒng)稱為“初襯”。初襯為線彈性模型，其余材料均為摩爾-庫侖模型。模型頂面為河水與巖土的交界面，模型頂邊界的位移自由，其余界面均約束法向位移。

圖1 模型整體Fig.1 Model entirety

圖2 洞室周邊的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation around the tunnel

隧道采用上下臺階法開挖，共有先行洞上臺階、后行洞上臺階、先行洞下臺階、后行洞下臺階4個開挖面。圖3為施工步變化示意圖，圖3中的數(shù)字表示施工步序號，方框中每一施工步的進尺均為2.5 m。方框中未加括號的序號表示施工上臺階，上臺階的每個大施工步包括施作超前小導(dǎo)管支護以及開挖與施作初襯、滲流、耦合等細步；方框中加括號的序號表示施工下臺階，下臺階的每個大施工步包括開挖與施作初襯、回填土至上下臺階開挖分界線(以方便施工車輛通行及抑制底部上浮)、滲流、耦合等細步。先行洞上臺階開挖面與后行洞上臺階開挖面的縱向間距為25 m，同一個洞的上臺階開挖面與下臺階開挖面的縱向間距為50 m。整個施工工程共分為92個大的施工步。

在施工現(xiàn)場用全站儀實時量測隧道各開挖面到達的里程，隧道附近橋墩上設(shè)置有水尺，結(jié)合水尺觀測與全站儀觀測得到施工步對應(yīng)的河水位。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得到了如圖4所示的河水位變化與施工步變化的對應(yīng)曲線(3月～6月)，分析發(fā)現(xiàn)：瀏陽河水位變化較為復(fù)雜，這是由于不僅降雨變化會引起河水位變化，河道附近的生活、生產(chǎn)、灌溉、防旱防澇、工程建設(shè)等不定期的抽排水作業(yè)也會引起河水位變化，各種復(fù)雜因素共同作用使河水位反復(fù)升降。為了便于研究河水位的變化，圖4將河水位的起算點設(shè)于計算模型的頂面，即河水位與水深的數(shù)值一樣。

表1 材料的計算參數(shù)

圖3 施工步變化示意圖Fig.3 Sketch of change of construction step

圖4 河水位-施工步曲線Fig.4 River water level-construction step curve

筆者在瀏陽河隧道施工現(xiàn)場實時觀察隧道內(nèi)的滲水情況，發(fā)現(xiàn)隧道臨空面的水并不是急速噴出，而是慢慢滲出的；在研究區(qū)段的中部布置了兩個洞內(nèi)的現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測斷面(如圖3所示)，監(jiān)測部位如圖5所示，通過現(xiàn)場監(jiān)測得到了如圖6所示的初襯背后水壓力隨施工步的變化情況，結(jié)合圖3與圖4分析可知，在河水位與開挖面位置同時變化的影響下，在施作二襯以前的上臺階初襯背后的水壓力都比較小，均不超過 16 kPa；又考慮到水從初襯背后滲流過初襯后，水壓力有可能會進一步折減，因此將隨著施工推進出現(xiàn)的上臺階圍巖臨空面、上臺階初襯臨空面、下臺階填土臨空面的壓力水頭均設(shè)為0(施作完下臺階初襯后會立即進行臨時填土)，后文會對比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行進一步驗證?，F(xiàn)場調(diào)查表明所研究施工階段內(nèi)的河底沖淤現(xiàn)象不明顯，因此設(shè)置河底標高不變，河水深度的變化量與河水位的變化量等值，可以由現(xiàn)場實測得到，因此將模型頂面的總水頭設(shè)為“模型高度+河水深度”，本文主要考慮河水向隧道內(nèi)滲流，而且隧道施工對滲流場的擾動范圍有限，模型計算區(qū)域又比較大，因此設(shè)定模型的其余邊界面均不與外界進行水量交換。

圖5 監(jiān)測的關(guān)鍵部位示意圖Fig.5 Diagrammatic drawing of key position of measurement

圖6 水壓力的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Field monitoring result of water pressure

目前考慮滲流場與應(yīng)力場雙重變化影響的數(shù)值計算理論有多種，在用于分析隧道復(fù)雜的施工力學(xué)行為上均存在優(yōu)點與缺點，可根據(jù)現(xiàn)場具體的工程情況與研究的目的進行選擇[10-15]。本文在設(shè)置模型的計算步驟時，要考慮河水位變化、隧道開挖面位置變化對圍巖的應(yīng)力場與滲流場的影響，共設(shè)置了92種河水位與施工步的對應(yīng)狀態(tài)，相當于把圖4所示的河水位變化曲線嵌入到變化的施工過程中進行計算，因此模型整個施工過程的滲流邊界、荷載、單元屬性等均會頻繁變化，計算步驟多，計算工作量大，采用何種計算原理還要考慮計算結(jié)果的收斂性以及工程應(yīng)用的方便。河水源源不斷向隧道內(nèi)滲流與無水補給隧道的排水滲流并不相同，根據(jù)瀏陽河隧道的具體情況，本文假設(shè)河下的巖土始終飽和，采用的計算原理說明如下：在時間Δt內(nèi)，完成了如圖3方框內(nèi)所示的某一施工步，使開挖面的位置發(fā)生變化，這一方面導(dǎo)致圍巖的應(yīng)力場發(fā)生變化(如開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放)；另一方面改變了滲流邊界(如開挖形成新的壓力水頭為“0”的臨空面)，隧道周圍介質(zhì)的滲透系數(shù)也發(fā)生了變化(如部分圍巖被初襯代替)，從而改變了滲流場。在完成上述某一施工步的同時，河水位升高或降低了Δh，這一方面導(dǎo)致作用在模型頂面(河水與巖土的交界面)的河水壓力變化了Δp，從而改變了圍巖的應(yīng)力場；另一方面導(dǎo)致模型頂面的總水頭變化了ΔH，從而改變了滲流場。由上所述，河水位與隧道開挖面位置同時變化會直接改變應(yīng)力場，首先通過本構(gòu)模型求出直接變化后的應(yīng)力場；然后，考慮到河水位與隧道開挖面位置同時變化又會改變滲流場，根據(jù)滲流方程(1)進行求解，得到變化后的總水頭：

(1)式中：H為總水頭； kx，ky和kz分別為x，y和z方向的滲透系數(shù)，這里假定kx=ky=kz；Q為流量； Θ為體積含水率；t為時間。從總水頭中減去位置水頭得到壓力水頭，再將壓力水頭與水的重度相乘得到孔隙水壓力。然后根據(jù)式(2)的有效應(yīng)力原理，將孔隙水壓力代入先前已經(jīng)求出來的應(yīng)力場中，再通過材料的本構(gòu)模型求出滲流場與應(yīng)力場雙場變化后的耦合結(jié)果，從而得到河水位與隧道開挖面位置同時變化后的隧道與圍巖的應(yīng)力與位移。

(2)

2 計算結(jié)果分析及與監(jiān)測結(jié)果對比

限于篇幅，下文的分析說明內(nèi)容只給出若干代表性的圖表。

2.1 河床特征點的豎向位移

在現(xiàn)場監(jiān)測橫剖面正上方的河床(河水與巖土的交界線)取7個特征點，其中A點對應(yīng)先行洞的拱頂，B點對應(yīng)后行洞的拱頂，C點在中夾巖的縱向?qū)ΨQ面上，遠離中夾巖的D點距離A點為15 m，遠離中夾巖的E點距離B點為15 m，遠離中夾巖的F點距離A點為42 m，遠離中夾巖的G點距離B點為42 m。圖7為數(shù)值模擬得到的河床特征點的豎向位移隨施工步的變化曲線，結(jié)合圖3與圖4分析計算結(jié)果可知：隨著施工推進，在河水位與隧道開挖面位置同時變化的影響下，在多數(shù)施工步內(nèi)河床都下沉，但在少數(shù)施工步內(nèi)由于河水位降低產(chǎn)生的影響大于開挖卸載等因素產(chǎn)生的影響，會導(dǎo)致河床上升。在隧道開挖期間，河床各特征點的累計沉降均不超過20 mm，但應(yīng)注意河床各點反復(fù)不均勻升降易導(dǎo)致河床產(chǎn)生裂縫，在水壓下裂縫有可能擴展直達隧道而造成突水，因此隧道施工要盡量減小對河水下淺層河床的擾動，例如隧道之上的超前注漿加固范圍不能太大，注漿壓力也不能太大，這樣有些地方的超前注漿加固效果會較差，應(yīng)采用管棚注漿聯(lián)合小導(dǎo)管注漿予以彌補。

圖7 河床點豎向位移的變化曲線Fig.7 Change curves of vertical displacement of riverbed points

2.2 水的滲流速度

圖8給出了施工步26對應(yīng)的水滲流速度的數(shù)值模擬云圖。分析計算結(jié)果得出：在同一橫剖面，在后行洞上臺階開挖以前，超前開挖先行洞上臺階會增大后行洞未開挖區(qū)域的水滲流速度，從而增強水對后行洞圍巖的滲透破壞能力，會預(yù)先惡化后行洞的圍巖條件，應(yīng)適當加強后行洞的超前支護；對于隧道縱向平順且初襯與圍巖緊密接觸的情況，水沿隧道橫剖面的滲流速度大于沿隧道縱向的滲流速度，上覆河水主要沿隧道橫剖面向洞內(nèi)滲流。

圖8 水在隧道橫剖面內(nèi)的合滲流速度Fig.8 Total flow velocity at transverse section

2.3 初襯背后的水壓力

圖9與圖10給出了數(shù)值模擬最后一步即施工步92的水壓力分布(初襯封閉環(huán)內(nèi)有臨時填土),結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測圖6進行分析，可以看出同一部位的初襯背后水壓力的數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值最大相差僅為6 kPa，表明二者相差不大；初襯背后各處的水壓力均明顯小于相應(yīng)的靜水壓力，發(fā)生了明顯的折減現(xiàn)象，這是由于隧道與河流之間存在的巖土層可以消耗河水下滲的能量，在河水位與隧道開挖面位置同時變化的影響下，洞室附近區(qū)域的滲流場不斷變化，初襯背后的水壓力是一種動水壓力，各種臨空面的存在均可以透水泄壓；建議類似隧道在設(shè)計初襯時，如果在初襯背后不進行專門的注漿填充，并且初襯不采用抗?jié)B混凝土，即初襯可以透水泄壓，這種情況下初襯背后的水壓力不宜按靜水壓力計算，應(yīng)進行相應(yīng)的折減；相比之下，上臺階初襯背后的水壓力較小，下臺階初襯背后的水壓力較大，仰拱底處的水壓力最大，為94 kPa，主要原因在于滲水優(yōu)先向底部匯集，而底部初襯離填土臨空面較遠，透水泄壓的能力較弱。

單位：kPa圖9 初襯背后的水壓力分布Fig.9 Layout of water pressure behind initial lining

單位：kPa圖10 洞室附近區(qū)域的孔隙水壓力分布Fig.10 Layout of pore water pressure near caves

2.4 初襯的應(yīng)力

以監(jiān)測斷面為起點沿隧道縱向取2.5 m長的一段隧道為這里的分析對象。圖11(a)與圖11(c)為施工后行洞上臺階后的先行洞上臺階初襯的主應(yīng)力分布，圖11(b)與圖11(d)為施工先行洞下臺階后的后行洞上臺階初襯的主應(yīng)力分布，計算表明：在相鄰洞施工的影響下，本洞上臺階初襯的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在拱腳，建議增設(shè)上臺階初襯的鎖腳錨桿；上臺階初襯的主拉應(yīng)力主要分布在初襯的內(nèi)側(cè)，其中的最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱頂內(nèi)側(cè)，建議型鋼拱架不要在拱頂設(shè)置接頭。

單位：kPa(a)施工步42的最小主應(yīng)力;(b)施工步63的最小主應(yīng)力;(c)施工步42的最大主應(yīng)力;(d)施工步63的最大主應(yīng)力圖11 初襯的主應(yīng)力分布Fig.11 Layout of principal stress of initial lining

圖12為上臺階初襯的絕對值最大的壓應(yīng)力隨施工步的變化曲線，結(jié)合圖3與圖4分析得出：

1)后行洞上臺階施作超前小導(dǎo)管、開挖及初襯并且河水位升高1.3 m，使先行洞上臺階初襯的最大壓應(yīng)力增大了98 kPa；先行洞下臺階開挖、初襯及臨時填土并且河水位不變，使后行洞上臺階初襯的最大壓應(yīng)力增加6 kPa；后行洞下臺階開挖、初襯及臨時填土并且河水位升高0.3 m，使先行洞上臺階初襯的最大壓應(yīng)力增大了57 kPa。

2)先行洞下臺階開挖、初襯及臨時填土并且河水位不變，使正上方的上臺階初襯的最大壓應(yīng)力減小了1 677 kPa；后行洞下臺階開挖、初襯及臨時填土并且河水位升高0.3 m，使正上方的上臺階初襯的最大壓應(yīng)力減小了1 632 kPa。這是由于施作下臺階初襯使初襯閉合成環(huán)后，上臺階初襯的應(yīng)力可以向下臺階初襯傳遞，上臺階初襯的應(yīng)力集中程度被明顯消弱了；透水性相對較差的下臺階初襯代替了原來透水性好的圍巖，使底部受到的水浮力增大，抵消了一部分上臺階初襯受到的圍巖壓力。

圖12 初襯最大壓應(yīng)力的變化曲線Fig.12 Change curves of maximum crushing stress of initial lining

2.5 初襯的拱頂沉降

圖13對比了監(jiān)測斷面初襯拱頂沉降的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合圖3與圖4分析可知：初襯拱頂沉降的計算曲線與監(jiān)測曲線有的部分吻合較好，有的部分則存在一些差距，存在差距的主要原因是：數(shù)值模擬假設(shè)巖土為連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)滲透系數(shù)等力學(xué)參數(shù)具有各向同性，這均與實際情況存在一些差距；數(shù)值模擬為了得到普遍性規(guī)律將滲水點布置得較為均勻，而現(xiàn)場的滲水點位置具有一定的隨機性。總體上數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相差不大，二者均表明：隨著施工推進，初襯拱頂以下沉為主，但在某些施工步會出現(xiàn)上升現(xiàn)象，這是由于隧道開挖、河水位上升等因素會使拱頂下沉，河水位下降等因素則會使拱頂上升，而且各因素的影響作用強弱均會隨著施工推進而發(fā)生變化，多種因素綜合作用決定某一施工步的拱頂升降；在河水位變化的影響下，即便經(jīng)歷較長時間，初襯的拱頂沉降也可能不會趨于穩(wěn)定。

圖13 初襯拱頂沉降的變化曲線Fig.13 Change curves of crown settlement of initial lining

隧道施工期間未發(fā)生涌水災(zāi)害，計算表明，沿隧道縱向每1 m長的滲水量均不超過20 m3/d。上述初襯背后的水壓力、初襯拱頂沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果均相差不大，差距在工程應(yīng)用可接受的范圍內(nèi)，表明本文的數(shù)值模擬結(jié)果具有參考價值，可在一定程度上彌補現(xiàn)場監(jiān)測的不足。

3 河水位暴漲與驟降的情況

前文研究的是瀏陽河隧道某一特定區(qū)段在特定時間段內(nèi)的實際河水位變化情況，現(xiàn)場監(jiān)測表明上述條件下的一天之內(nèi)的河水位變化量均不超過1.5 m，一般不會超過1 m。由于導(dǎo)致河水位變化的因素復(fù)雜多變而且有時不可預(yù)見，類似水下隧道在短時間內(nèi)，在施工某一步的同時河水位的變化量可能會非常大(比如瀏陽河水位曾在一天之內(nèi)暴漲了5 m)，有必要對這類情況進行研究。根據(jù)圖3選取4個典型施工步分別為：施工步12(施工先行洞上臺階)、施工步43(施工后行洞上臺階)、施工步61(施工先行洞下臺階)、施工步84(施工后行洞下臺階)。假設(shè)在進行某一典型施工步之前的河水位不變(為2 m或7 m)，接下來一天之內(nèi)河水位由2 m暴漲5 m至7 m或由7 m驟降5 m至2 m，與此同時完成這一典型施工步，然后假設(shè)河水位不再變化，計算至隧道全開挖完，共計算了8種工況。限于篇幅，只給出表2與表3，反映了河水位暴漲或驟降的同時施工僅僅推進一步對鄰近初襯的疊加影響，其中的“初襯拱頂豎向位移”與“初襯最大壓應(yīng)力”均針對的是緊鄰典型施工段的已經(jīng)施作好的一段縱向長2.5 m的初襯(相鄰洞取對應(yīng)區(qū)段進行分析)，并不是典型施工步內(nèi)施作的初襯；“步數(shù)”一列為完成某一典型施工步后的量值，“變化”一列為典型施工步量值減去前一施工步量值所得的值占前一施工步量值的百分比。分析計算結(jié)果得到：河水位暴漲或驟降使各段初襯的豎向位移與最大壓應(yīng)力在短時間內(nèi)均發(fā)生了明顯變化。相比前一施工步，施工僅僅向前推進1步的同時如果河水位暴漲5 m，就使本洞緊鄰施工段的初襯的拱頂沉降至少增大30%、初襯的最大壓應(yīng)力至少增加20%，明顯惡化了本洞緊鄰施工段的初襯的受力狀況，也惡化了相鄰洞初襯的受力狀況。如果河水位暴漲至高位后還要持續(xù)較長時間，而施工要連續(xù)不斷向前推進，在這種情況下為了防止累積效應(yīng)使初襯處于危險的受力狀態(tài)，建議將開挖方法由上下臺階法改為CRD法，縮短每循環(huán)開挖進尺，加密型鋼拱架布置，增設(shè)防排水設(shè)施，加強現(xiàn)場監(jiān)測，必要時暫停向前開挖。

表2 河水位暴漲的計算結(jié)果

表3 河水位驟降的計算結(jié)果

4 結(jié)論

1)考慮河水位變化、隧道開挖面位置變化對圍巖的應(yīng)力場與滲流場的影響，建立三維計算模型；基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，在模型中設(shè)置滲流邊界條件、河水位與施工步的對應(yīng)狀態(tài)；通過對比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，表明數(shù)值模擬結(jié)果具有參考價值，可在一定程度上彌補現(xiàn)場監(jiān)測的不足。

2)隧道施工應(yīng)盡量減小對河水下淺層河床的擾動；在同一橫剖面，超前開挖先行洞上臺階會增大后行洞未開挖區(qū)域的水滲流速度，會預(yù)先惡化后行洞的圍巖條件；初襯背后各處的水壓力均明顯小于相應(yīng)的靜水壓力；在相鄰洞施工的影響下，本洞上臺階初襯的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳。

3)相比前一施工步，施工僅僅向前推進1步的同時如果河水位暴漲5 m，會明顯惡化本洞緊鄰施工段的初襯的受力狀況，也惡化了相鄰洞初襯的受力狀況，提出了相應(yīng)的工程建議。

致謝：感謝中鐵隧道集團與中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司對本文現(xiàn)場監(jiān)測工作給予的幫助。

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Mechanical behavior of constructed underwater tunnelConsidering influence of river water level fluctuation

YUE Jian1,2， TAN Renhua1,2，AN Yonglin1,2，LIU Yunsi1,2

(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China；2. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The mechanical behaviors of underwater river-crossing traffic tunnels with small clearances that were constructed by the mining method were studied from numerical simulation and field monitoring with the influence of river water level fluctuation taken into account. Firstly, the effects of the river water level fluctuation and the excavation face position on the seepage field and stress field of the surrouding rock were considered. The three-dimensional calculation model was established. According to the variation curve of river water level versus construction step obtained from field monitoring, 92 cases of construction step versus river water level were fed into the model. Then, the calculation results were analyzed with those from numerical simulation and field monitoring compared. Finally, the 8 cases with sharp rise and sharp fall of river water level were calculated and analyzed. The results showed that with the disturbance of adjacent cave construction, the maximum crushing stress of initial lining of upper bench of the cave own appeared in the arch springing; in comparison with the former construction step, the new construction step that was advanced in conjunction with the sudden river level rise of 5m, could significantly exaggerate the force condition of the initial lining near the construction zone. Based on the research findings, some engineering suggestions were put forward.

underwater tunnels with small clear spacing；river water level change；mechanical behavior of construction；mining method

2016-02-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51308209；51408216)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2015JJ6038)

岳健 (1978-)，男，山西陽泉人，講師，博士，從事隧道工程方面的研究；E-mail: changshalaosan@163.com

U459

A

1672-7029(2016)11-2211-09