引漢濟(jì)渭椒溪河隧道主洞涌水機(jī)理分析及處理技術(shù)研究

范亦農(nóng)，魏毅萌，柴軍瑞，3，覃源

（1.中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程有限公司，陜西西安 710065；2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地，陜西西安 710048；3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引漢濟(jì)渭椒溪河隧道主洞涌水機(jī)理分析及處理技術(shù)研究

范亦農(nóng)1，魏毅萌2，柴軍瑞2，3，覃源2

（1.中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程有限公司，陜西西安 710065；2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地，陜西西安 710048；3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

以引漢濟(jì)渭工程椒溪河工區(qū)隧道主洞為主要研究對象，結(jié)合此處復(fù)雜的地質(zhì)水文條件，對椒溪河隧道巖體的地質(zhì)水文情況進(jìn)行歸納分析，采用工程力學(xué)性質(zhì)、數(shù)值模擬方法定性、定量地分析了施工過程中出現(xiàn)的多次涌水問題，總結(jié)出該工程隧道涌水的機(jī)理，對該工程建設(shè)過程中隧道涌水的預(yù)防和工程處理提供理論依據(jù)。

隧道；涌水；滲流；數(shù)值模擬

我國水資源豐富，但南北分布極不平衡，跨流域調(diào)水是解決我國水資源優(yōu)化配置，改善生態(tài)環(huán)境的重大舉措。引漢濟(jì)渭工程是陜西境內(nèi)跨流域調(diào)水的典例工程，該工程促進(jìn)了秦嶺南北水資源合理利用，對改善關(guān)中地區(qū)高速發(fā)展中日益突出的水資源不足等問題也有著舉足輕重的戰(zhàn)略意義。引漢濟(jì)渭工程地跨黃河長江兩大流域，橫穿秦嶺山脈，輸水隧洞長度達(dá)98 km。輸水隧洞是引水工程最重要的組成部分，而秦嶺山脈地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞建設(shè)中出現(xiàn)了很多的技術(shù)問題，其中涌水突泥問題尤為嚴(yán)重，一旦發(fā)生，不但會延長施工工期，還會對施工人員的生命安全造成威脅。

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞椒溪河工區(qū)勘探試驗(yàn)洞，位于秦嶺嶺南子午河支流椒溪河上游黃泥咀附近。椒溪河工區(qū)勘探試驗(yàn)洞支洞洞長324 m，綜合縱坡10.44%，交叉口里程K2+575。于2012年10月開工建設(shè)，至2012年12月24日勘探試驗(yàn)洞支洞施工完成。椒溪河工區(qū)勘探試驗(yàn)洞主洞施工段落為K0+ 046～K6+638，工程長度6 592 m，洞內(nèi)坡降為1/2527。椒溪河工區(qū)勘探試驗(yàn)洞主洞段位于秦嶺嶺南中低山區(qū)，地形起伏，山高坡陡。海拔高度位于750～1 150 m，隧洞洞室的最大埋深為610 m。

從椒溪河隧道的工程地質(zhì)條件來看，其圍巖巖體比較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，這些地質(zhì)條件都會為涌水通道的形成提供有利的條件。

1 定性分析

涌水事故的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)問題。斷層、河道水滲流、開挖造成卸荷作用、隧道掌子面核心土、頂?shù)匕宓榷际怯绊懹克鹿实闹匾蛩豙1]?，F(xiàn)在從力學(xué)方面對椒溪河涌水的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，為簡化起見，雙向受壓概化模型如圖1所示。

圖1 隧洞雙向受壓模型Fig.1 Bi-directional compression model of tunnel

圖1中，斷層傾角為α，斷層受到主壓應(yīng)力為σ1，最小壓應(yīng)力為σ3，斷層充填物黏聚力與內(nèi)摩擦角分別為cf和φf，斷層面上的應(yīng)力可以表示為

斷層面發(fā)生活化涌水的準(zhǔn)則為

在隧道開挖前或者開挖掌子面還未到達(dá)影響區(qū)，稱之為“正常掌子面”。這時(shí)，涌水段的破碎巖體飽水度增高，河道水此時(shí)基本靜止，因?yàn)橥饬ψ饔?，此時(shí)涌水段很難排水，從而逐漸產(chǎn)生孔隙水壓力，隧道巖體中的壓碎巖、角礫石等骨架所受到的壓力相對變小，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度迅速降低[2-4]。根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則推算，孔隙水壓力作用下的巖體剪切強(qiáng)度為

式中：σ′為有效應(yīng)力；pw為孔隙水壓力。

隧道在該段埋藏較淺，位于椒溪河河道下方，所以造成此段巖體水頭高于周圍巖體，隧道施工開挖至該段前面一定距離時(shí)，河道水沿著斷裂帶下滲，形成帶狀含水層，造成孔隙水壓力上升，導(dǎo)致巖體剪切強(qiáng)度逐漸下降。

當(dāng)隧道施工開挖至易涌水段時(shí)，此時(shí)開挖施工過程會導(dǎo)致圍巖卸荷，洞室圍巖會產(chǎn)生破裂區(qū)，導(dǎo)致河椒溪河河道水的水流方向發(fā)生改變，水流由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，水流會逐步?jīng)_刷巖體裂隙、空隙，具體表現(xiàn)是在已開挖段出現(xiàn)淋水、股狀涌水等現(xiàn)象。地下水會不斷向已開挖隧洞洞室匯集，而破碎帶的巖體非常松散，空隙率較大，巖塊之間的泥鈣質(zhì)膠結(jié)可溶于水的物質(zhì)較多，從而逐漸被河水帶走，導(dǎo)致巖塊之間的空隙越來越大，最后相互連通，逐漸被水沖淘成大小不等的空腔?？涨浑S著水量聚積而不斷擴(kuò)大，形成突涌混合物的儲存空間，并不斷向掌子面擴(kuò)展，同時(shí)地下水運(yùn)動、搬移壓碎巖、角礫石，也會形成相當(dāng)大的沖擊力[5-6]。

當(dāng)隧道開挖施工到斷層帶時(shí)，因?yàn)殚_挖卸荷，如果隧道掌子面不能及時(shí)得到工程上的支撐、施工方法不當(dāng)或者水的浸泡會造成核心土松散，得不到充分的支撐力時(shí)，σ3會變得非常小，近乎0，而地下水的靜力侵蝕和開挖后的動力沖蝕也會造成cf與φf減小，活化應(yīng)力強(qiáng)度[σ1]active也會隨之降低[7-8]。

涌水突泥事故的發(fā)生就是由于隧道掌子面不足以支撐突涌混合物的重力、侵蝕力和沖擊力[9]。

通過分析研究發(fā)現(xiàn)：椒溪河工區(qū)隧道涌水的水源來自于椒溪河的河水，而涌水的通道是貫通于椒溪河河道和隧道之間的集中滲漏通道，這一點(diǎn)從隧道內(nèi)沖出小魚可以反映出來。該滲漏通道是在隧道圍巖的巖性，圍巖的地質(zhì)構(gòu)造，巖溶作用及隧道的施工擾動等4個(gè)因素的共同作用下形成的。

2 定量分析與計(jì)算模型

通過對涌水機(jī)理的分析，可以斷定涌水大多是來自于椒溪河的河水，現(xiàn)對涌水進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。由于隧道開挖的擾動，隧道圍巖的初始滲流場和應(yīng)力場發(fā)生變化，并且兩場進(jìn)行相互作用，該作用稱為水巖耦合作用[4]。分別對河道水位為570 m、573 m、576 m進(jìn)行隧道開挖前后滲流場及涌水量的數(shù)值模擬計(jì)算。

現(xiàn)應(yīng)用有限元軟件對引漢濟(jì)渭椒溪河隧道主洞在開挖過程中，在不同河道水位的情況下，隧道開挖前后隧道圍巖滲流場分布特性及隧道涌水量大小進(jìn)行分析研究。

2.1 有限元滲流計(jì)算分析原理

基本可以認(rèn)定，地下水的運(yùn)動服從不可壓縮流體的飽和穩(wěn)定達(dá)西滲流規(guī)律。

2.1.1 滲流的基本微分方程

穩(wěn)定滲流的基本微分方程可根據(jù)水流連續(xù)性方程表示為

研究穩(wěn)定的滲流過程，基本微分方程的定解條件僅含邊界條件。

2.1.2 滲流有限元分析的基本方程

當(dāng)滲流主軸的方向和坐標(biāo)軸方向相同時(shí)，依據(jù)變分原理，三維滲流定解問題基本類似于求能量泛函的極值問題[10]，即：

2.1.3 滲流量的計(jì)算

滲流量計(jì)算是指通過某一指定過水?dāng)嗝娴牧髁?。若指定過水?dāng)嗝媸怯梢幌盗衅矫鎲卧M成，則通過該過水?dāng)嗝娴牧髁繛?/p>

式中：q（ηi，ζi）為被積函數(shù)；n為積分點(diǎn)數(shù)；Hi為加權(quán)系數(shù)。

2.2 計(jì)算模型

本次計(jì)算模擬的對象選取隧道里程樁號范圍為K2+735～K2+855。椒溪河隧道主洞標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形。

在圖3所示三維有限元模型中，共剖分為28 181個(gè)節(jié)點(diǎn)，91 428個(gè)單元，計(jì)算所取邊界條件為：1）河床處為第一類（已知）水頭邊界，水頭為河床水位；2）模型隧洞開挖面按透水邊界考慮。各材料均按各向同性材料考慮。

圖2 椒溪河隧道主隧洞斷面示意圖Fig.2 Sketch map of the main tunnel section of Jiaoxihe Tunne

圖3 三維有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model

表1 隧道圍巖滲流力學(xué)計(jì)算參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of tunnel surrounding rock seepage

對各工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到各工況下的總水頭云圖，為了更好的觀察隧洞周圍的水頭分布情況，對模型進(jìn)行了切片處理，切片分別為x=0 m和y= 1.5 m，分21個(gè)工況進(jìn)行切片分析，本文只展示了其中2個(gè)工況的切片分析圖。

對各個(gè)工況經(jīng)過數(shù)值建模進(jìn)行滲流分析可得，在未經(jīng)任何處理的情況下，隨著河道水位的逐步升高，隧洞的涌水量也顯著增大，可知灌漿能顯著降低隧洞的涌水量。對洞前進(jìn)行灌漿和對隧洞周圍巖體進(jìn)行灌漿都能顯著降低隧洞的涌水量，但不論是洞前灌漿還是對隧洞周圍巖體進(jìn)行灌漿，灌漿6 m相比灌漿3 m效果不明顯。同時(shí)對隧洞洞前和對隧洞周圍巖體進(jìn)行灌漿時(shí)，隧洞涌水量降幅非常明顯，在3種河道水位情況下，該措施都能降低隧洞涌水量達(dá)77%以上。在洞前和洞周同時(shí)灌漿的情況下，灌漿6 m雖比灌漿3 m能更多地降低隧洞涌水量，但降幅不大，建議可采用在可能發(fā)生隧洞涌水的情況下，在隧洞開挖前，對隧洞掌子面向隧洞開挖方向進(jìn)行灌漿處理，灌漿深度視巖層性質(zhì)而定，對椒溪河段，采用3 m即可，在隧洞開挖后，應(yīng)盡快對隧洞周圍巖體進(jìn)行灌漿，灌漿深度視巖層性質(zhì)而定，對椒溪河段，采用3 m即可。

通過數(shù)值計(jì)算表明，在不同河道水位高度作用下，分析總結(jié)了隧道開挖前后的滲流場的分布規(guī)律，以及涌水量大小的計(jì)算。通過對比分析可知，隧道圍巖空隙水壓力和隧道開挖涌水量同河道水位高度近似成正比例關(guān)系，但是，兩者隨河道水位高度的增長率不大。

圖4 工況一Fig.4 Working condition I

圖5 工況八Fig.5 Working condition VIII

3 結(jié)論

通過對椒溪河隧道開挖涌水事故的研究和分析，并對椒溪河工區(qū)隧道發(fā)生用水的機(jī)理進(jìn)行定性和定量分析，可得以下結(jié)論：

1）為了預(yù)防涌水，可采用鉆孔探水，直觀明了，且較好的孔位布置探水成功率都在95%以上。

2）一旦發(fā)生涌水現(xiàn)象，必須立即實(shí)施封堵灌漿，封堵灌漿可有效控制涌水突泥現(xiàn)象，由于一般很難第一時(shí)間判斷涌水水源和涌水量，加之施工用電及抽排水設(shè)備難以保證，對工期極易產(chǎn)生影響，進(jìn)而施工成本增加，處理不當(dāng)會造成淹洞甚至安全事故。

3）堵漏灌漿要取得較好的效果，必須最大限度地將涌水通道中的填充物清理掉。涌水通道常常不是一個(gè)單一的通道，很有可能出現(xiàn)旁通通道，這是特別要關(guān)注的。一般旁通通道很長時(shí)間才能被水沖開。

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AnalysisoftheWaterGushingMechanismoftheMainHoleoftheJiaoxiheTunnel and the Treatment Method of Hanjiang-to-Weihe Water Conveyance Project

FAN Yinong1，WEI Yimeng2，CHAI Junrui2，3，Qin Yuan2
（1.China Hydropower Construction Group No.15 Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710065，Shaanxi，China；2.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；3.College of Hydraulic and Environmental Engineering，Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

With the main hole of Jiaoxihe Tunnel of Hanjiang to Weihe Water Conveyance Project as the main research object，and considering the complex geological and hydrology conditions of the place，this paper explores the geological and hydrologic conditions of the rock mass of the tunnel.Using engineering mechanics properties and numerical simulation method itanalyzes the problem of repeated water gushing occurred in the construction process of both qualitatively and quantitatively.In the end the paper summarizes the mechanism of tunnel water gushing in the construction process in order to provide the theoretic basis for the prevention and treatment.

tunnel；water gushing；seepage；numerical simulation

2015-09-02。

（編輯 李沈）

1674-3814（2016）05-0123-05

U452.1+2

A

動荷載作用下混凝土細(xì)觀缺陷結(jié)構(gòu)的損傷演化機(jī)理研究（No.51409208）。

Project Supported by the National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China（No.51409208）.

范亦農(nóng)（1966—），副總工程師，企業(yè)發(fā)展部主任，高級工程師，從事水利施工、安全、管理等方面研究及工作。