風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工地下水滲流特征與防水技術(shù)研究

胡文藝，陳令強(qiáng)，羅其奇，馮 勇，朱六兵，陳建平

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510220；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176；4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隧道工程建設(shè)會打破原有的地下水環(huán)境平衡狀態(tài)，造成地下水資源流失，對地下與地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良的影響，而隧道突涌水也嚴(yán)重危害了隧道施工安全[1-3]。相較于盾構(gòu)法和TBM施工，礦山法施工會對隧道圍巖造成更嚴(yán)重的擾動和損傷，形成明顯的開挖損傷區(qū)，使該區(qū)域內(nèi)的圍巖滲透性增強(qiáng)，進(jìn)一步加劇地下水資源流失，包括造成地下水水位下降和地下水水質(zhì)變化等，對隧道沿線村莊耕地、植被等生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良的影響[4-6]。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對隧道建設(shè)與地下水環(huán)境之間的相互影響關(guān)系已進(jìn)行了大量的研究。如Raposo等[7]將地下水平衡模型運(yùn)用于地下水環(huán)境分析中，改進(jìn)了隧道施工工藝和防排水結(jié)構(gòu)，降低了隧道施工對地下水的影響；劉志春等[8-9]在裂隙巖體隧道中研究了隧道施工與地下水環(huán)境之間的相互影響機(jī)理，為地下水環(huán)境保護(hù)提供了理論依據(jù)。

但是，當(dāng)前關(guān)于隧道建設(shè)與地下水環(huán)境之間相互作用的分析主要集中在巖溶隧道，很少涉及風(fēng)化花崗巖礦山法施工隧道，也較少考慮礦山法施工措施及不同防排水結(jié)構(gòu)等因素的影響。為了避免礦山法施工中可能遇到的隧道突涌水災(zāi)害，本文以風(fēng)化花崗巖隧道為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，研究了風(fēng)化花崗巖隧道在礦山法施工條件下地下水的滲流規(guī)律，并通過不同防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征的分析，探討了不同防水結(jié)構(gòu)下地下水對二次襯砌的影響，在此基礎(chǔ)上考慮地下水環(huán)境變化，在代表性斷面處提出了合適的防水控制措施，該研究成果可為隧道礦山法防水施工提供技術(shù)依據(jù)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

廣州地鐵21號線長平站—金坑站區(qū)間，隧道為雙洞單線隧道，地形起伏大，地下水水位埋藏差異較大，地下水水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給和排泄關(guān)系密切，并受大氣降水和季節(jié)變化的影響嚴(yán)重。

該地鐵隧道所處的地層主要為花崗巖全風(fēng)化帶、花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶、花崗巖中風(fēng)化帶、花崗巖微風(fēng)化帶，風(fēng)化花崗巖顆粒粗、孔隙率大、透水性強(qiáng)，基巖整體局部破碎，工程性質(zhì)一般，地下水為孔隙水和基巖裂隙水，富水性強(qiáng)，地下水水頭高度最高約為115 m，研究區(qū)域縱剖面見圖1。地鐵隧道主要采用以防為主的指導(dǎo)思想，通過全包防水結(jié)構(gòu)和控制性全包防水結(jié)構(gòu)來控制地下水流失，兩種防水結(jié)構(gòu)均全斷面布置了一層致密的防水板，區(qū)別在于控制性全包防水結(jié)構(gòu)在拱腳處設(shè)置了排水盲管。

圖1 研究區(qū)域縱剖面圖Fig.1 Longitudinal section diagram of the research area

2 風(fēng)化花崗巖隧道在礦山法施工條件下地下水的滲流特征分析

2.1 計(jì)算模型

為了便于研究，對風(fēng)化花崗巖地層條件進(jìn)行了適當(dāng)簡化，計(jì)算模型中隧道斷面采用Ⅲ級圍巖復(fù)合式襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面，見圖2，采用全包防水結(jié)構(gòu)。復(fù)合式襯砌主要參數(shù)為：初期支護(hù)采用100 mm厚C25噴射混凝土；二次襯砌采用300 mm厚C40模筑鋼筋混凝土。

圖2 隧道Ⅲ級圍巖復(fù)合式襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)圖 (單位：mm)Fig.2 Design diagram of the standard section of the composite lining of Ⅲ-grade surrounding rock (Unit:mm)

采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立隧道瞬態(tài)滲流模型，對風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工過程中不同施工階段的地下水滲流場進(jìn)行瞬態(tài)分析，模型寬500 m、高200 m，隧道埋深50 m。使用四邊形孔壓實(shí)體單元(CEP4P)對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，隧道界限附近15 m范圍局部加密，計(jì)算模型網(wǎng)格剖分見圖3。隧道施工采用礦山法施工中的全斷面開挖法，工序依次為拱墻開挖、拱墻支護(hù)、仰拱開挖、仰拱支護(hù)、仰拱襯砌、拱墻襯砌。

圖3 隧道瞬態(tài)滲流模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel transient seepage flow model

2.2 滲流計(jì)算基本原理

(1) 達(dá)西定律：達(dá)西以飽和砂土為滲流介質(zhì)，進(jìn)行了地下水滲透試驗(yàn)，得出了達(dá)西定律。達(dá)西定律的表達(dá)式如下：

(1)

式中：Q為單位時(shí)間地下水滲流量(m3/d)；L為地下水滲流路徑長度(m)；K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；h為地下水總水頭損失(m)；A為地下水過水?dāng)嗝婷娣e(m2)。

(2) 滲流基本方程：地下水在滲流過程中，滿足質(zhì)量守恒定律，有如下的滲流連續(xù)性方程：

(2)

式中:S為水頭變化單位高度時(shí)，從單位體積含水層中存儲或釋放的水量(m3)；v為流速(m/s)；t為時(shí)間(s)。

2.3 模型計(jì)算參數(shù)與邊界條件

初始地下水水位位于地表處，取隧道水平面內(nèi)平行于地表方向?yàn)閄軸，垂直于地表方向?yàn)閆軸。模型力學(xué)邊界條件為：限制模型兩側(cè)邊界X向位移，限制底部邊界位移。模型滲流邊界條件為：模型兩側(cè)邊界孔隙水壓力沿深度分布，為定水頭邊界；模型底部為不透水邊界，左右邊界孔隙水壓力固定，地下水水位保持動態(tài)變化。

根據(jù)勘察資料和試驗(yàn)資料確定的模型計(jì)算參數(shù)見表1，各計(jì)算參數(shù)分別對應(yīng)圖2和圖3中的結(jié)構(gòu)，圍巖使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌使用彈性本構(gòu)模型。

表1 模型計(jì)算參數(shù)表Table 1 Table of model calculation parameters

2.4 隧道礦山法施工過程中地下水流速的變化規(guī)律

風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工不同階段地下水流速矢量分布，見圖4。

由圖4可以看出：

圖4 風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工不同階段地下水流速矢量分布圖Fig.4 Distribution diagram of velocity vector of groundwater flow in the weathered granite tunnel in different stages of mining method construction

(1) 拱墻開挖后(t=2 d時(shí)刻)，由于開挖面的排水，地下水向開挖面集中，開挖面拱腳附近地下水流速最大，流速最大值vmax為1.29×10-4m/s；拱墻支護(hù)之后(t=12 d時(shí)刻)，仰拱斷面處的地下水在水壓力的作用下向上滲流，地下水流速顯著增大，由于支護(hù)之后排水?dāng)嗝鏈p小，地下水向仰拱斷面集中，仰供斷面拱腳處地下水流速最大，流速最大值vmax為2.39×10-4m/s。

(2) 仰拱開挖之后(t=13 d時(shí)刻)，地下水沿著初期支護(hù)結(jié)構(gòu)向仰拱部分滲流，仰拱部位的地下水向隧道凈空面滲流，在仰拱開挖面與支護(hù)結(jié)構(gòu)的交界面處仰拱斷面拱腳處地下水流速最大，流速最大值vmax為1.19×10-4m/s;仰拱支護(hù)后(t=18 d時(shí)刻)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，整個(gè)斷面處流速顯著減小，地下水環(huán)境逐漸恢復(fù)平衡，在初期支護(hù)外側(cè)拱肩處地下水流速最大，流速最大值vmax為2.26×10-7m/s，地下水沿初期支護(hù)外側(cè)向拱頂滲流。

(3) 仰拱襯砌之后(t=33 d時(shí)刻)，仰拱處地下水滲流顯著減弱，滲流方向沿仰拱流向拱頂，地下水流速繼續(xù)減小，在兩側(cè)拱腳處地下水流速最大，流速最大值vmax為5.72×10-8m/s；拱墻襯砌之后(t=65 d時(shí)刻)，整個(gè)隧道支護(hù)工程施工結(jié)束，地下水環(huán)境逐漸恢復(fù)，此時(shí)地下水滲流速度最小，地下水由拱頂至仰拱滲流，在仰拱部位地下水流速最大，流速最大值vmax為1.28×10-8m/s。

2.5 隧道礦山法施工過程中地下水水位的變化規(guī)律

風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工不同階段地下水水位變化情況，見圖5，取地下水水位最低點(diǎn)至初始地下水水位間的距離為最大水位降深，繪制隧道礦山法施工不同階段最大水位降深hmax隨施工進(jìn)程的變化曲線,見圖6。

由圖5和圖6可見，仰拱支護(hù)期間，最大水位降深達(dá)到最大值，其值為17.37 m；拱墻開挖期間，地下水水位降深為7.96 m，占最大水位降深的45.80%；拱墻支護(hù)期間，地下水水位降深最大，達(dá)到7.96 m，占最大水位降深的45.85%；仰拱開挖期間，地下水水位降深增速減緩，地下水水位降深為1.02 m，占最大水位降深的5.87%，地下水水位下降速度明顯減緩；仰拱支護(hù)期間，地下水水位下降至最大水位降深后開始上升，地下水水位在最低點(diǎn)處上升了2.33 m，上升速度最快，上升高度占總上升高度的15.42%；仰拱二襯期間，地下水水位上升幅度繼續(xù)增加，期間地下水水位上升了7.35 m，上升高度占總上升高度的48.62%；拱墻二襯期間，地下水水位繼續(xù)上升，期間地下水水位上升了5.44 m，上升高度占總上升高度的35.96%。

圖5 風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工不同階段地下水水位分布圖Fig.5 Distribution diagram of groundwater level in the weathered granite tunnel in different stages of mining method construction

圖6 風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工不同階段最大水位 降深隨施工進(jìn)程的變化曲線Fig.6 Variation curve of maximum water level drawdown in the weathered granite tunnel in different stages of mining method construction with the construction process

綜上分析可見，拱墻開挖期間，地下水水位降低速度最快；拱墻支護(hù)期間，地下水水位降低幅度最大；仰拱支護(hù)期間，地下水水位開始恢復(fù)，地下水水位恢復(fù)速度最快；二次襯砌施作期間，地下水水位恢復(fù)速度減緩，地下水水位恢復(fù)幅度增加；仰拱二襯期間，地下水水位上升幅度最大；整個(gè)隧道施工完畢一段時(shí)間之后，地下水水位保持穩(wěn)定，地下水水位較初始情況降低了2.26 m。

3 不同防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征分析

3.1 計(jì)算模型

本文采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件在風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處進(jìn)行了不同防水結(jié)構(gòu)下地下水滲流場模擬，并結(jié)合巖土層參數(shù)(見表1)建立二維有限元模型。計(jì)算模型中隧道斷面采用Ⅲ級圍巖復(fù)合式襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面(見圖2)，隧道埋深為130 m，地下水補(bǔ)給充足，在地表以下15 m處地下水水位線始終保持不變。數(shù)值模擬過程中，通過設(shè)置在拱腳處的排水孔來實(shí)現(xiàn)控制性全包防水結(jié)構(gòu)的模擬[10]，在控制性全包防水結(jié)構(gòu)中排水孔以外的部分不透水。將襯砌內(nèi)邊界水頭設(shè)為0，保證地下水自由通過隧道內(nèi)表面，建立了不同防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征分析模型，見圖7。

圖7 不同防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征分析模型Fig.7 Fluid-solid coupling analysis model under different waterproof structure

3.2 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

流固耦合數(shù)值模型中放置與2.3節(jié)相同的位移和滲流邊界，圍巖使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌使用彈性本構(gòu)模型。模型注漿圈半徑為2 m，注漿圈滲透系數(shù)為2.16×10-2m/d；通過在計(jì)算模型中設(shè)置排水孔的方式模擬實(shí)際排水管，模型中排水孔設(shè)置在襯砌結(jié)構(gòu)中，與二次襯砌材料參數(shù)相同，但與二次襯砌材料滲透系數(shù)不同。在計(jì)算模型中將排水孔孔隙水壓力設(shè)為0，排水孔滲透系數(shù)通過流量相等原則確定。計(jì)算模型中排水孔滲透系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：K1為隧道中實(shí)際排水管滲透系數(shù)，根據(jù)實(shí)際排水管流量計(jì)算出K1為20 cm/s；D為實(shí)際排水管直徑，為10 cm;L為實(shí)際排水管縱向間距，為10 m;d為計(jì)算模型中的排水孔寬度，為30 cm[11-12]。

根據(jù)公式(2)計(jì)算出數(shù)值計(jì)算模型中排水孔滲透系數(shù)K2為45.2 m/d，風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面模型計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面模型計(jì)算參數(shù)表Table 2 Table of calculation parameters of YDK26+930 section model for the weathered granite tunnel

3.3 不同防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征分析

3.3.1 控制性全包防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征分析

控制性全包防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力分布云圖，見圖8。

由圖8可見，由于防水板的全斷面鋪設(shè)，隧道斷面處二次襯砌上幾乎沒有孔隙水壓力分布；靠近仰拱部分，孔隙水壓力較??；二次襯砌背后孔隙水壓力最大值為0.64 MPa，位于拱頂，最小值為-0.98 Pa，位于二次襯砌與初期支護(hù)接觸面拱腳排水孔處。

圖8 控制性全包防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+ 930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力分布云圖Fig.8 Cloud map of the pore water pressure in the YDK26+930 section behind two liners of the weathered granite tunnel under the controlling fully wrapped waterproof structure

由此可見，控制性全包防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力最大值基本位于初期支護(hù)與二次襯砌接觸面的拱肩以上部分，其最小值基本位于拱腳排水孔處，拱腰以上部分孔隙水壓力平均值較大。

3.3.2 全包防水結(jié)構(gòu)下流固耦合特征分析

全包防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力分布云圖，見圖9。

圖9 全包防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+ 930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力分布云圖Fig.9 Cloud map of the pore water pressure in the YDK26+930 section behind two liners of the weathered granite tunnel under the fully wrapped waterproof structure

由圖9可見，隧道斷面二次襯砌背后孔隙水壓力與靜水壓力分布一致，豎直方向呈現(xiàn)梯度變化；二次襯砌背后孔隙水壓力最大值均位于拱底處，其最小值均位于拱頂處，二次襯砌周圍孔隙水壓力等值線大致為水平直線，與隧道斷面處地層的初始孔隙水壓分布基本一致。

3.3.3 模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比分析

為了揭示地下水對二次襯砌的荷載作用，通過埋設(shè)在防水板與二次襯砌之間的土壓力盒來監(jiān)測二次襯砌外圈的荷載[13]。二次襯砌附加荷載現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集見圖10，風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面

圖10 二次襯砌附加荷載現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集Fig.10 Field data acquisition with the load on secondary lining

處二次襯砌荷載時(shí)態(tài)曲線見圖11。

圖11 風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處二次襯砌 荷載時(shí)態(tài)曲線Fig.11 Time series of the load on secondary lining in YDK26+930 section of the weathered granite tunnel

由圖11可見，隧道斷面處二次襯砌荷載主要集中于拱頂，拱頂荷載較大，拱腳荷載較小，隧道上部荷載平均值較大。

4 考慮地下水環(huán)境變化的防水控制措施

4.1 二次襯砌背后孔隙水壓力變化特征

隧址區(qū)場地地下水受地形的影響，地下水埋深變化大，地下水水位的變化與地下水賦存、補(bǔ)給和排泄的關(guān)系密切，并受季節(jié)變化的影響，地下水水位年變化幅度在5 m以內(nèi)。隧道防水控制措施的選擇需要考慮地下水環(huán)境的變化，因此本文根據(jù)場地地下水水位變化幅度，在不同初始地下水水位埋深條件下模擬不同防水結(jié)構(gòu)對地下水滲流場的影響，研究二次襯砌上孔隙水壓力的變化情況，并根據(jù)隧道斷面特征位置處的孔隙水壓力的變化情況，在特征斷面處選擇合適的防水控制措施。

在流固耦合過程中，地下水補(bǔ)給充足，初始地下水水位保持不變，設(shè)定初始地下水水位在原先基礎(chǔ)上下浮動6 m，隧道YDK26+930斷面處初始地下水水位分別為地表以下9 m、12 m、15 m、18 m、21 m。分別取隧道拱頂、拱腰、拱腳、拱底5個(gè)特殊位置為觀測點(diǎn)，觀測不同防水結(jié)構(gòu)下特殊點(diǎn)的孔隙水壓力。不同防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力的數(shù)值模擬結(jié)果見表3。

表3 不同防水結(jié)構(gòu)下風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力數(shù)值模擬結(jié)果Table 3 Numerical simulation results of pore water pressure in the YDK26+930 section behind two liners of the weathered granite tunnel under different waterproofing structures

由表3可知，初始地下水埋深不同時(shí)，隧道斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力有著明顯的差別，初始地下水水位距離地表越近，二次襯砌背后孔隙水壓力差異越明顯；通過比較不同防水結(jié)構(gòu)下隧道斷面處二次襯砌背后孔隙水壓力的變化情況發(fā)現(xiàn)，隧道下部結(jié)構(gòu)對防水結(jié)構(gòu)的變化更敏感，仰拱和拱腰處孔隙水壓力受防水結(jié)構(gòu)變化的影響較小；全包防水結(jié)構(gòu)下，地下水向隧道下部斷面滲流，拱頂處的孔隙水壓力最??；控制性全包防水結(jié)構(gòu)下，拱腳處的孔隙水壓力最??；初始地下水水位到隧道拱頂處的地下水頭越高，不同防水結(jié)構(gòu)下隧道下部結(jié)構(gòu)孔隙水壓力分布的差異越大，控制性全包防水結(jié)構(gòu)對孔隙水壓力的折減效果越明顯。

4.2 防水控制措施

為了直觀地表現(xiàn)風(fēng)化花崗巖隧道各個(gè)斷面在不同初始地下水水位埋深條件下孔隙水壓力的折減效果，定義孔隙水壓力折減系數(shù)為控制性全包防水結(jié)構(gòu)下孔隙水壓力與全包防水結(jié)構(gòu)下孔隙水壓力的比值。

經(jīng)計(jì)算，風(fēng)化花崗巖隧道YDK26+930斷面處采用控制性全包防水結(jié)構(gòu)時(shí)，拱頂處孔隙水壓力折減系數(shù)平均值在0.65左右，拱腰處孔隙水壓力折減系數(shù)平均值在0.39左右，拱腳處孔隙水壓力折減系數(shù)平均值在0.02左右，拱底處孔隙水壓力折減系數(shù)平均值在0.064左右，說明排水孔的施作對隧道各個(gè)部分的孔隙水壓力均起到了很好的折減作用，包括一般情況下折減效果不太顯著的拱頂位置，且該斷面處的孔隙水壓力幾乎下降50%，表明在隧道YDK26+930斷面處采用控制性全包防水結(jié)構(gòu)能夠有效地降低二次襯砌上的孔隙水壓力，對提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全性作用顯著。

5 結(jié) 論

(1) 本文通過現(xiàn)場監(jiān)測和基于ABAQUS有限元數(shù)值分析方法，對風(fēng)化花崗巖隧道在礦山法施工條件下地下水滲流特征和不同防水結(jié)構(gòu)下的流固耦合特征進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，綜合考慮了隧道圍巖的滲流和力學(xué)特征，并在代表性斷面處提出了合適的防水控制措施。

(2) 全包防水技術(shù)在廣州地鐵隧道礦山法施工中取得了良好的應(yīng)用效果，有效地避免了實(shí)際隧道施工中地下水的滲漏問題，驗(yàn)證了本文研究成果的合理性。

(3) 全包防水技術(shù)和與控制性全包防水技術(shù)可在地下水控制要求嚴(yán)格的各類隧道施工過程中應(yīng)用。