巖溶槽谷區(qū)多條隧道條件下擬建隧道對巖體滲流場的影響

羅云菊，張 瑞，王新敏，靳曉光，謝繼安

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400030；2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，重慶 400030；3.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401147)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市擁堵問題日益突出，對于重慶這樣的山地城市，為了緩解交通壓力，往往需要修建穿山隧道，并且在同一地區(qū)修建隧道的密度越來越大。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對巖溶區(qū)隧道施工涌水預(yù)測開展了一系列的研究。王赟[1]通過針對穿越巖溶槽谷區(qū)施工原則的研究，提出了針對特殊地質(zhì)條件的相應(yīng)處理措施；郭純青等[2]采用流量衰減分析、物理模擬分析以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方法，預(yù)測巖溶隧道涌水量；林傳年等[3]分析了我國巖溶區(qū)隧道建設(shè)涌突水實際案例，以不同含水地質(zhì)構(gòu)造對巖溶區(qū)劃分，提出了較合理的隧道涌水量預(yù)測方法；南力輝[4]通過分析雙碑隧道水文地質(zhì)和開挖條件，得出了隧道的預(yù)測涌水量并提出相應(yīng)的運(yùn)營預(yù)警措施；靳曉光等[5]通過對重慶慈母山隧道勘探階段水文地質(zhì)試驗結(jié)果和施工期間的實際涌水量的分析，結(jié)合數(shù)值模擬，對隧道涌水特征及涌水量進(jìn)行了分析和評價，為隧道地下水的危害和處置措施提供了參考。魏興萍等[6]計算了南山隧道的涌水量，得出上覆涂山湖對南山隧道影響有限的結(jié)論。

N Coli等[7]人通過38個有代表性的地質(zhì)斷面隧道橫向路徑有限元滲流分析，得出了利用巖體的滲透張量、地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查和有限元滲流分析預(yù)測隧道涌水量的評價方法。H.R. Zarei等[8]人根據(jù)經(jīng)驗和觀測資料，通過分析多個隧道項目(全長約200 km)，采用層次分析法(AHP)和統(tǒng)計方法相結(jié)合的方法，提出了一種針對不同地質(zhì)條件下巖體工程地質(zhì)特征的分類系統(tǒng)，并較好地預(yù)測了在不同地質(zhì)條件下隧道施工時的涌水量。Aalianvari等[9]將隧道現(xiàn)場分類作為群決策問題，并應(yīng)用模糊邏輯理論作為加權(quán)因子的計算準(zhǔn)則，為工程設(shè)計師設(shè)計排水系統(tǒng)、鉆孔方法提供了支持。

從查閱的文獻(xiàn)看，前人研究多集中于單個隧道或并行兩條隧道局部區(qū)域的地下水滲流變化規(guī)律研究，而對于較大區(qū)域內(nèi)多條隧道滲流體系間的相互影響缺乏相應(yīng)研究。本文以重慶南山地區(qū)為例，以巖溶槽谷區(qū)既有南山隧道和銅鑼山隧道為背景，研究擬建隧道開挖時既有隧道與擬建隧道間的滲流特征，為相似條件下多條隧道建設(shè)時涌水量預(yù)測提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域背景

研究區(qū)位于重慶南山，多年平均降雨量1 215.5 mm，地下水主要賦存、運(yùn)移在呈條帶狀分布的碳酸鹽巖溶蝕裂隙和管道中，非可溶巖構(gòu)成相對隔水層。銅鑼山是華鎣山的余脈，而南山則是銅鑼山的一部分。它是四川盆地東部褶皺地形中的一個背斜嶺，大致平行于云霧山、縉云山等其余幾個背斜，并共同組成重慶平行嶺谷區(qū)。背斜的地質(zhì)頂端受外向張力，并且南山軸核部石灰?guī)r較多，容易被侵蝕，因此南山山頂附近出現(xiàn)嶺槽，即黃角埡所在的槽谷型地帶，進(jìn)而形成一山二嶺夾一槽的特殊地形地貌。兩側(cè)山嶺主要為三疊系灰?guī)r和碎屑巖，而中間嶺槽的裸露巖石則為二疊系灰?guī)r和三疊系頁巖。研究區(qū)隧道穿越南溫泉背斜(圖1)，其中紅線代表輕軌隧道，綠線為擬建隧道，橙線為南山隧道。圖2為擬建隧道地質(zhì)剖面圖，擬建隧道高程約290 m，地表高程約420 m，地下水位在400～410 m，巖溶槽谷段穿越的巖體主要為石灰?guī)r[10]。

圖1 隧道分布位置示意圖Fig.1 Location distribution of tunnels

圖2 擬建隧道地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological section of tunnels

1.2 水文地質(zhì)

南山地區(qū)地表水系屬長江水系，由長江及其支流苦竹溪等構(gòu)成。在隧道終點(diǎn)南側(cè)約0.9 km的海棠溪附近長江由南向北而過，在朝天門處形成牛軛狀大捌彎后蜿蜒東去，長江多年平均最高水位標(biāo)高181.0 m，平均最低水位標(biāo)高158.5 m，歷史最高洪水水位達(dá)196.25 m(1870年)。苦竹溪位于距南山隧道東約2.5 km處，由南向北彎彎曲曲在廣陽島附近匯入長江，苦竹溪河口水位165 m左右。

隧址區(qū)內(nèi)基本無常年性河流。南山兩側(cè)發(fā)育眾多近于東西走向的無名沖溝，其中東側(cè)有較大沖溝7條，西側(cè)3條，旱季為干溝，雨季水量較大；西側(cè)山水通過排水設(shè)施直接排向長江；東側(cè)山水排向次一級溪溝如荒溝、蘭草溪、溫家溪、苦竹溪等，并最終匯入長江，其特點(diǎn)一般是發(fā)源于各低山區(qū)，橫切低山斜坡流向丘陵區(qū)，源近流短、溝窄坡陡。

1.3 工程概況

某擬建隧道進(jìn)洞口位于南岸區(qū)上新街，出洞口位于瓦房子社，下穿重慶第二外語學(xué)校、雞公嘴，起止里程樁號分別為K0+400(進(jìn)口)～K3+220(出口)，全長2.82 km，軸線方向為107°；為單向雙洞隧道，單道凈寬10.00 m，洞凈高7.20 m；兩隧道內(nèi)側(cè)邊距20.00 m，

路面設(shè)計標(biāo)高分別為280.66(進(jìn)洞口)～322.96 m(出洞口)，設(shè)計坡率為1.50%。

2 擬建隧道涌水量計算

依據(jù)隧道巖溶槽谷段的水文地質(zhì)條件，分別采用地下水徑流模數(shù)法、大氣降水滲入量法計算擬建隧道涌水量。

2.1 地下水徑流模數(shù)法

根據(jù)隧道穿越石灰?guī)r區(qū)地表、巖溶槽谷及巖溶發(fā)育情況，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)單元劃分及含水層分布選擇平水期地下水徑流模數(shù)法，計算公式如下：

Q=86.4·M·F

(1)

式中：Q——地下水天然資源量/(m3·d)-1;

M——徑流模量/(L·s-1·km-2);

F——計算塊段面積/km2。

依據(jù)地勘資料，根據(jù)各巖組地層出露位置，地貌形態(tài)、巖溶發(fā)育部位結(jié)合水文地質(zhì)單元中的徑流條件，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層M為8～10 L/s·km2，取平均值9.0 L/s·km2。含水層長度取沿軸線的平均值，流域范圍根據(jù)隧址相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元補(bǔ)給范圍及可能影響到的排泄范圍取值：J1-2z+T3xj為18 km，T2L+T1j為13 km。

計算結(jié)果見表1，左洞涌水量為11 767 m3/d，單位長度涌水量為10.10 m3/(d·m)。右洞涌水量為11 904 m3/d，單位長度涌水量為10.11 m3/(d·m)。

表1 巖溶槽谷區(qū)擬建隧道地下水徑流模數(shù)法涌水量計算表

2.2 大氣降水滲入量法

根據(jù)地下水類型、地形地貌、地層巖性、自然地理特點(diǎn)和雨量分布狀況將隧址區(qū)分為三個計算單元塊段，計算公式為：

Q補(bǔ)=2.73α·A·F

(2)

式中：Q補(bǔ)——滲入補(bǔ)給量/(m3·d-1);

α——入滲系數(shù);

A——多年平均降雨量/mm;

F——計算塊段面積/km2。

(1)塊段面積F

依據(jù)地勘資料，碳酸鹽巖巖溶水(槽丘型態(tài)為主段)28 km2，碎屑巖孔隙裂隙層間水42 km2，基巖裂隙水14 km2。

(2)降雨量A

根據(jù)南岸區(qū)氣象站氣象資料，多年的平均降雨量為1 094.88 mm，年際變化850～1 450 mm。

(3)滲入系數(shù)α

根據(jù)計算塊段的地層、巖性、構(gòu)造、裂隙發(fā)育、地貌及入滲條件，參考重慶幅1∶20萬水文地質(zhì)調(diào)查報告確定滲入系數(shù)(表2)。

根據(jù)公式(2)計算得到大氣降水滲入補(bǔ)給量如表2所列，其中T2L+T1j地層主要為槽丘型態(tài)，T3xj地層主要為碎屑巖孔隙裂隙層間水，J1-2z地層主要為基巖裂隙水。巖溶槽谷段即T2L+T1j、T3xj地層段擬建隧道降水補(bǔ)給總量26 004.5 m3/d，單洞涌水量Q1=1/2Q=13 002 m3/d，單位涌水量11.10 m3/(d·m)。

表2 擬建隧道降雨滲入補(bǔ)給量表

3 擬建隧道涌水量數(shù)值模擬分析

3.1 模型的概化

3.1.1研究范圍

由水文地質(zhì)條件知隧址區(qū)內(nèi)基本無常年性河流。模型范圍在縱向上取背斜核心段長度500 m。參考巖溶段鉆孔抽水試驗得到擬建隧道涌水影響半徑為642 m?？紤]隧道降落漏斗的影響范圍和與銅鑼山隧道的間距，橫向取1 000 m。擬建隧道、南山隧道埋深290 m，銅鑼山隧道埋深242 m，槽谷段地表高程約在420 m，豎向取250 m左右，并以拾取的地表高程坐標(biāo)點(diǎn)形成的曲面作為模型上表面。研究區(qū)模型范圍確定為X×Y×Z=1 000 m×500 m×250 m。

3.1.2材料參數(shù)

依據(jù)隧址區(qū)地層特點(diǎn)，以隧道穿越地層為主要地層，把模型材料分三類，紅黏土、白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r。巖溶段隧道圍巖主要為石灰?guī)r。依據(jù)南山隧道和銅鑼山隧道工程勘察資料，結(jié)合隧道工程設(shè)計規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)，確定的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。由于地下巖土體的復(fù)雜性和隨機(jī)性，為了定性分析巖溶富水隧道穩(wěn)定涌水量，簡化計算，可將其視為各向同性材料。

3.1.3邊界條件

根據(jù)隧址區(qū)含水層、隔水層的分布，地質(zhì)構(gòu)造和邊界地下水流特征以及地下水和地表水的水力聯(lián)系，將研究區(qū)邊界概化為給定地下水水頭的一類邊界。白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r為含水層。擬建隧道巖溶段處于隔水層上方，在含水層內(nèi)，模型邊界距離擬建隧道較遠(yuǎn)，受擬建隧道開挖影響較小，地下水水位年均變化不大，可認(rèn)為研究區(qū)邊界為給定水頭的一類邊界。由圖2知地下水位高程為410 m左右，擬建隧道高程約290 m。研究區(qū)內(nèi)無常年性河流，模型邊界取120 m定水頭。南山隧道和銅鑼山隧道為已貫通隧道，將隧道內(nèi)輪廓設(shè)為滲流面。擬建隧道隨開挖進(jìn)程，將開挖臨空面節(jié)點(diǎn)總水頭設(shè)為0。

表3 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型的建立

分析計算采用韓國的MIDAS/GTS NX軟件。1989年，韓國浦項集團(tuán)成立的CAD/CAE研發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)了MIDAS軟件。 MIDAS GTS(Geotechnical and Tunnel Analysis System)是將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機(jī)地結(jié)合而開發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，具有隧道、大壩、斜面等穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流滲流分析功能。目前MIDAS軟件已經(jīng)成功地運(yùn)用到了全球很多實際工程中，其程序的可靠性已經(jīng)得到了工程實踐的認(rèn)證，同時也已經(jīng)通過了QA/QC質(zhì)量管理體系的認(rèn)證，能確保計算結(jié)果的精度和質(zhì)量。

巖溶槽谷段包含銅鑼山隧道、擬建隧道和南山隧道，覆蓋范圍大。建立的三維網(wǎng)格模型如圖3所示，共計316 473個節(jié)點(diǎn)，1 707 312個單元。隧道間相對位置關(guān)系如圖4所示，從左至右依次是銅鑼山隧道、擬建隧道、南山隧道。銅鑼山隧道等效直徑6 m，左邊緣距模型左邊界79 m，距下邊界50 m，隧道間距9 m。擬建隧道直徑10 m，為雙洞隧道，間距20 m，隧道底距下邊界100 m，距左側(cè)銅鑼山隧道280～380 m，距離右側(cè)南山隧道280 m。南山隧道直徑10 m，右邊緣距模型右邊界156 m。自上而下，材料依次是紅黏土、白云質(zhì)石灰?guī)r、石灰?guī)r，隧道周邊為鋼筋混凝土襯砌。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Model grid diagram

圖4 隧道相對位置圖Fig.4 Relative position of the tunnel

不考慮防水措施時，每次開挖20 m，共25次開挖，26個施工步驟。主要步驟包括：a.激活所有單元網(wǎng)格組，主要包括圍巖、擬建隧道、既有隧道二襯等，激活邊界網(wǎng)格組邊界水頭和既有隧道的滲流面；b.開挖A，即鈍化A處隧道內(nèi)網(wǎng)格，并激活A(yù)處外輪廓滲流面；c.同樣再開挖B，鈍化B處隧道內(nèi)網(wǎng)格，激活B處外輪廓滲流面；d.再開挖C，以此類推。

考慮防水措施跟進(jìn)時，主要步驟類似：a.激活所有單元網(wǎng)格組，主要包括圍巖、擬建隧道、既有隧道二襯等，激活邊界網(wǎng)格組邊界水頭和既有隧道滲流面；b.開挖A，即鈍化A處隧道內(nèi)網(wǎng)格，并激活A(yù)處外輪廓滲流面；c.再開挖B，鈍化B處隧道網(wǎng)格，激活B處外輪廓滲流面，激活A(yù)處二襯網(wǎng)格，并激活A(yù)處二襯內(nèi)滲流面，鈍化A外輪廓滲流面；d.再開挖C，以此類推。

不考慮防水措施和考慮防水措施的階段開挖過程如圖5所示。

圖5 施工步驟示意圖Fig.5 Schematic diagram of construction steps

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1擬建隧道開挖前運(yùn)營隧道的滲流特征

擬建隧道開挖前，銅鑼山隧道和南山隧道的總水頭和孔隙水壓力分布如圖6、圖7所示，總水頭在隧道周圍形成明顯的包絡(luò)，南山隧道斷面大，滲流面大，所以影響范圍更廣，并且雖然隧道間相距較遠(yuǎn)，但仍能看到圖中包絡(luò)泡相互吸引靠攏的趨勢。由于兩隧道間的總水頭值未變化，可以認(rèn)為兩條隧道滲流場相互影響很小?？紫端畨毫υ谶h(yuǎn)離隧道的位置是平行的，但在隧道周圍有較明顯的扭曲。經(jīng)過計算，銅鑼山隧道單洞涌水量為1 580.7 m3/d，南山左洞為2 036.4 m3/d，右洞為2 049 m3/d，略大于南山隧道貫通并鋪設(shè)二襯后單洞涌水量(約在2 000 m3/d左右)。

圖6 運(yùn)營隧道總水頭云圖Fig.6 Operating tunnel total head cloud

圖7 運(yùn)營隧道孔隙水壓力云圖Fig.7 Operating tunnel pore water pressure cloud

3.3.2擬建隧道未考慮襯砌防水的滲流特征

開挖后隧道滲流云圖如圖8、圖9所示。對比開挖前的總水頭云圖，隨著開挖的進(jìn)行，擬建隧道周圍總水頭影響范圍不斷擴(kuò)大。擬建隧道貫通后銅鑼山隧道被包絡(luò)在擬建隧道總水頭110 m的等值面內(nèi)(橙紅色區(qū)域)，南山隧道被包絡(luò)在擬建隧道總水頭90 m等值面內(nèi)(黃色區(qū)域)。擬建隧道處孔隙水壓力有明顯變化，形成了較大的降落漏斗，并且改變了銅鑼山隧道和南山隧道原降落漏斗的形狀。擬建隧道涌水量，左洞5 773.04 m3/d，右洞5 700.3 m3/d。參照南山隧道施工至K0+868里程時，實測涌水量達(dá)5 823 m3/d，在里程K1+630，實測涌水量為5 000 m3/d，模擬結(jié)果較為接近。在擬建隧道貫通后，銅鑼山隧道單洞涌水量1 542.3 m3/d。南山隧道左洞1 896.4 m3/d，右洞1 952.5 m3/d。可知，由擬建隧道開挖影響，銅鑼山隧道單洞涌水量下降占其開挖前涌水量的2.4%；南山隧道左洞涌水量下降了6.9%；右洞下降了4.7%。顯然南山隧道左洞滲流平衡受擬建隧道開挖影響最大，南山隧道右洞次之，銅鑼山隧道受影響最小。

為直觀表達(dá)巖溶槽谷段涌水量的變化情況，以軟件模擬計算出的總涌水量除以模擬隧道段長度500 m，得到巖溶槽谷段隧道的單位長度的涌水量。擬建隧道巖溶槽谷段的數(shù)值模擬計算單位長度的涌水量約11.50 m3/(d·m)，與地下水徑流模數(shù)法10.10 m3/(d·m)和大氣降雨滲入量法11.11 m3/(d·m)很接近。

圖8 貫通后隧道總水頭云圖Fig.8 The cloud picture of total head after tunnel through

圖9 貫通后隧道孔隙水壓力云圖Fig.9 The cloud picture of pore water pressure after tunnel through

圖10為擬建隧道不考慮襯砌防水總水頭為100 m的等值面隨施工步驟的變化圖。

圖10 施工階段等值面正視圖(H總=100 m)Fig.10 Equivalent face of the construction phase (H總=100 m)

從圖10中可以看出，每種顏色代表一個施工步，隨著擬建隧道的開挖，擬建隧道100 m總水頭等值面在第一次開挖時(紫紅色，開挖至20 m)有靠攏趨勢，在第二次開挖(青綠色，開挖至40 m)時，逐漸與南山隧道等值面交疊在一起，隨著開挖的深入，等值面在隧道周圍擴(kuò)展開來，并與右側(cè)南山隧道交疊在一起說明擬建隧道每一步的開挖都會擾動既有南山隧道滲流場。而銅鑼山隧道相對獨(dú)立，影響很小，在開挖至500 m時才與擬建隧道等值面交疊。

3.3.3擬建隧道考慮襯砌防水的滲流特征

傳統(tǒng)方法：a.求出系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)(特征根)；b.使用勞斯判據(jù)判穩(wěn)。MATLAB軟件仿真可直接用roots()命令求得特征根也可用pzmap()命令繪制零極點(diǎn)分布圖，如圖4所示。

隧道施工時要求二襯及時跟進(jìn)，考慮二襯的防水作用更加符合實際。開挖時，保持二襯與掌子面間距20 m左右。由圖11對比圖8的總水頭云圖可以看出，及時施做二襯后，擬建隧道的滲流影響范圍和效果明顯減小，施做二襯前擬建隧道與右側(cè)南山隧道重合的總水頭等值線值為90 m，施做二襯后為100 m，且對左側(cè)銅鑼山隧道的滲流沒有影響，總水頭等值面未連通。圖12對比圖9的孔隙水壓力云圖可以看出，由于二襯防水的作用，擬建隧道周邊孔隙水壓力變化范圍和下降趨勢明顯變小了。擬建隧道貫通后，銅鑼山隧道單洞涌水量1 567.73 m3/d；擬建隧道涌水量，左洞1 946 m3/d，右洞1 926.3 m3/d；南山隧道左洞1 989.1 m3/d，右洞2 016.8 m3/d?？梢钥闯?，擬建隧道開挖時施做二襯等防水措施后，銅鑼山隧道涌水量下降了0.8%；南山隧道左洞下降了2.3%；右洞下降了1.6%。而擬建隧道左洞涌水量下降了66.3%，右洞下降了66.2%。考慮防水措施后，擬建隧道涌水量減小很多。

圖11 貫通后隧道總水頭云圖Fig.11 The cloud picture of total head after tunnel through

圖12 貫通后隧道孔隙水壓力云圖Fig.12 The cloud picture of pore water pressure after tunnel through

4 結(jié) 論

在巖溶槽谷區(qū)既有多條隧道條件下，擬建隧道建設(shè)對既有隧道滲流特征有明顯的影響。

(1)從擬建隧道巖溶槽谷段涌水量計算來看，地下水徑流模數(shù)法(單位涌水量10.10 m3/(d·m))與大氣降水滲入量法(11.11 m3/(d·m))計算結(jié)果比較一致。

(2)擬建隧道巖溶槽谷段的數(shù)值模擬計算涌水量為左洞5 773 m3/d，右洞5 770 m3/d，與南山隧道施工時，巖溶段涌水量實測值相近。單位長度的涌水量約11.50 m3/(d·m)，與地下水徑流模數(shù)法(10.10 m3/(d·m))和大氣降雨滲入量法(11.11 m3/(d·m))也比較接近。

(3)受擬建隧道開挖影響，銅鑼山隧道涌水量(1 542.3 m3/d)下降了2.4%。南山隧道左洞涌水量(1 896.4 m3/d)下降了6.9%，右洞涌水量(1 952.5 m3/d)減少了4.7%。南山左洞涌水量受擬建隧道影響最大，右洞次之，銅鑼山隧道最小。

(4)考慮隧道襯砌防水，銅鑼山隧道單洞涌水量(1 567.73 m3/d)下降了0.8%。南山隧道左洞涌水量(1 989.1 m3/d)下降了2.3%，右洞涌水量(2 016.8 m3/d)下降了1.6%。擬建隧道涌水量左洞(1 946 m3/d)下降了66.3%，右洞(1 926.3 m3/d)下降了66.2%。

(5)地下水徑流模數(shù)法和大氣降雨滲入量法屬于半經(jīng)驗方法，僅能從宏觀上把握水文地質(zhì)單元的涌水量。數(shù)值模擬方法可以表達(dá)出開挖過程中不同空間或時間的涌水量大小，在一定意義上能較好地指導(dǎo)隧道設(shè)計與施工。