基于FLAC 3D的富水巖溶隧道滲流特征研究

摘要：為研究富水巖溶隧道滲流特征，文章基于某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，對(duì)存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場(chǎng)的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下的滲流特征進(jìn)行研究，得出結(jié)論：在隧道開挖后，隧道圍巖的孔隙水壓力明顯降低，且隨著距開挖面的徑向距離不斷增大，圍巖的孔隙水壓力降低程度逐漸減弱，直至接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減??；在地下水位條件相同時(shí)，巖溶管道填充物類型為粗砂時(shí)的孔隙水壓力均大于巖溶管道填充物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處時(shí)，二者差距更為明顯；隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降，且下降速度逐漸加快；隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度由快到慢依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

關(guān)鍵詞：富水巖溶隧道；巖溶管道；滲流特征；數(shù)值計(jì)算；FLAC 3D

中圖分類號(hào)：U456.3 A 38 126 4

0 引言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與隧道施工工藝的進(jìn)步，在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的大背景下，大量的公路、鐵路線路與城市地鐵均需要建設(shè)大量的隧道。我國(guó)隧道的數(shù)量、規(guī)模、工程條件、技術(shù)發(fā)展速度均位居世界前列［1］。我國(guó)的地形地貌千差萬別，山區(qū)面積較大，工程地質(zhì)情況極其復(fù)雜。在我國(guó)西南地區(qū)，喀斯特地貌分布廣泛，喀斯特地區(qū)的巖層中含有侵蝕性很強(qiáng)的巖溶水，對(duì)該地區(qū)的可溶性巖石產(chǎn)生溶蝕作用，在該地區(qū)修建隧道時(shí)，會(huì)大大增加突水突泥和襯砌開裂變形甚至破損的風(fēng)險(xiǎn)。若隧道襯砌背后存在巖溶空腔或管道，雨季時(shí)地下水位升高，地下水匯聚到隧道襯砌背后的巖溶空腔或管道中，會(huì)產(chǎn)生巨大的水壓荷載，對(duì)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)造成威脅。對(duì)于隧道滲流場(chǎng)以及隧道襯砌在水壓力作用下力學(xué)特性的研究已有了較多成果。張兵海等［2］利用鏡像法，考慮水庫水頭邊界及遠(yuǎn)場(chǎng)水頭邊界的影響，推導(dǎo)出滲流場(chǎng)的解析解，同時(shí)建立有限元模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。馬少坤等［3］建立了有限含水層內(nèi)帶襯砌的隧道滲流模型，基于鏡像法將其轉(zhuǎn)化為無限平面內(nèi)直線多隧道滲流模型，推導(dǎo)出水頭及涌水量的解析公式，通過數(shù)值解對(duì)比驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，并研究了含水層厚度、隧道埋深比及注漿圈參數(shù)對(duì)水頭分布及隧道涌水量的影響。王剛等［4］推導(dǎo)了具有襯砌支護(hù)的深埋圓形隧洞在施工階段和運(yùn)行階段下的彈塑性解，給出了塑性半徑和襯砌圍巖應(yīng)力的公式，分析了不同因素作用對(duì)塑性半徑和襯砌圍巖應(yīng)力的影響。蘭慶男等［5］基于滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的雙場(chǎng)耦合理論，從圍巖滲流場(chǎng)分布規(guī)律、襯砌結(jié)構(gòu)排水泄壓能力和力學(xué)性能等方面評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性，研究了盲管間距對(duì)襯砌排水泄壓能力的影響。彎曉林等［6］建立了4種隧道堵排水措施下流固耦合數(shù)值計(jì)算模型，研究圍巖滲流場(chǎng)分布特征、隧道及周邊水壓力分布規(guī)律，通過比較不同堵排水措施下襯砌結(jié)構(gòu)水壓力和排水量，探究各種措施對(duì)高水壓環(huán)境的適應(yīng)性。任世林［7］利用Abaqus軟件建立了隧道開挖模型，依次對(duì)初始滲流場(chǎng)、毛洞滲流場(chǎng)、注漿后滲流場(chǎng)及施做襯砌后滲流場(chǎng)4種工況進(jìn)行模擬，分析滲流場(chǎng)的演變特征并計(jì)算其滲流量。李偉等［8］基于滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律推導(dǎo)了水壓力計(jì)算公式，分析了噴混凝土層滲透系數(shù)、單層襯砌厚度等因素對(duì)水壓力的影響規(guī)律。

鑒于此，本文依托某高速公路隧道實(shí)際工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，對(duì)存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場(chǎng)的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下的滲流特征進(jìn)行研究，以期為實(shí)際隧道工程施工和后續(xù)研究提供參考。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文以某高速公路隧道實(shí)際工程為例，對(duì)存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場(chǎng)的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下滲流特征進(jìn)行研究。隧址區(qū)的地形起伏較大，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的相對(duì)高差為250 m，地層巖性組成較為簡(jiǎn)單，自上而下分別為：粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、中風(fēng)化石灰?guī)r、中風(fēng)化頁巖、全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖、中風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖、膠結(jié)礫巖。隧址區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，主要以水平運(yùn)動(dòng)和差異性升降為主，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。隧址區(qū)的地表水主要為該區(qū)域的三大水庫以及沖溝水和魚塘水；地下水主要包括松散巖土類孔隙水和碎屑巖類裂隙水兩種。

1.2 數(shù)值模型建立

本文通過FLAC 3D軟件依據(jù)實(shí)際隧道斷面建立數(shù)值模型，隧道斷面溶洞簡(jiǎn)化后如圖1所示。

為減小由邊界效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，計(jì)算模型的尺寸為100 m×3 m×120 m，隧道埋深取50 m。模型中的豎直部分為巖溶管道模型，寬為3 m，長(zhǎng)為50 m，建立數(shù)值模型如圖2所示。

邊界條件設(shè)置為：四周及底面約束法向位移，初始的地下水位線設(shè)在地表，為透水邊界；四周邊界設(shè)為不透水邊界，底面為固定孔隙水壓力邊界。初始地應(yīng)力場(chǎng)僅為重力場(chǎng)，豎直方向上按巖土自重考慮，隧道開挖前按照靜水壓力計(jì)算孔壓。

1.3 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

巖土的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖彈塑性模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型釆用線彈性模型。結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3370.1-2018），選取的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2 巖溶管道不同類型填充物不同水位下的滲流特征

2.1 數(shù)值計(jì)算方案

為研究不同巖溶管道填充物類型不同地下水位條件下隧道滲流場(chǎng)的情況，本節(jié)設(shè)置了12種不同的計(jì)算工況，如表2所示。

2.2 開挖后滲流場(chǎng)變化的基本特征

為研究隧道開挖后的滲流場(chǎng)變化特征，以工況3和工況4（即地下水位線在地表、充填物類型為淤泥質(zhì)黏土和粗砂的兩種情況）為例，在斷面設(shè)置如圖3所示的5條測(cè)線，提取測(cè)線上的各點(diǎn)孔隙水壓力值。測(cè)線位置如圖3所示。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分別繪制出5條測(cè)線位置對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力變化情況，如下頁圖4所示。

由圖4可知，在隧道開挖前，不同測(cè)線位置的初始水壓均沿著垂直方向發(fā)生線性變化。這表明在隧道開挖前，隧道的滲流場(chǎng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，地下水和圍巖未被擾動(dòng)。圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大而不斷增大，在模型底部位置，孔隙水壓力達(dá)到最大值。在隧道開挖后，隧道圍巖中的孔隙水壓力明顯降低，原因?yàn)樗淼篱_挖形成了一個(gè)新的自由透水面。如圖4（a） ～ （b）所示，在圍巖拱頂和拱肩位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著圍巖離地表的垂直距離增大先增大再減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)開挖面的位置時(shí)，圍巖的孔隙水壓力值為0；如圖4（c）所示，在圍巖拱腰位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大先增大，然后逐漸保持不變，此時(shí)圍巖的孔隙水壓力值小于初始水壓；如圖4（d） ～ （e）所示，在圍巖拱腳和仰拱位置，圍巖的孔隙水壓力值隨著其離地表的垂直距離增大而逐漸增大，在遠(yuǎn)離開挖面的位置，圍巖的孔隙水壓力值逐漸接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。

2.3不同巖溶洞填充物不同水位下滲流特征

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取隧道部分位置的孔隙水壓力值，得到隧道在不同巖溶管道填充物類型不同地下水位時(shí)關(guān)鍵位置的孔隙水壓力變化如圖5所示。

由圖5可知，從整體上看，不同的巖溶管道充填物條件下，其隧道關(guān)鍵位置在不同的地下水位高度條件下孔隙水壓力的分布規(guī)律基本相同。隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小。在地下水位條件相同時(shí)，巖溶管道充填物類型為粗砂時(shí)的孔隙水壓力均大于巖溶管道充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處二者差距更為明顯。如圖5（a）所示，在拱頂位置，充填物為粗砂時(shí)的圍巖的孔隙水壓力約為充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的2.5倍；如圖5（b）所示，在拱肩位置，充填物為粗砂時(shí)的圍巖的孔隙水壓力約為充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的1.5倍。分析其原因主要為：粗砂和淤泥質(zhì)黏土二者的滲透系數(shù)存在較大的差別，粗砂的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于淤泥質(zhì)黏土，在隧道開挖過程中，粗砂的導(dǎo)水速度更快，因此距離填充物為粗砂的巖溶管道越近時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的孔隙水壓力越大。如圖5（c）～（e）所示，在拱肩、拱腳和仰拱位置處，巖溶管道充填物分別為粗砂、淤泥質(zhì)黏土?xí)r，對(duì)應(yīng)的隧道圍巖關(guān)鍵位置的孔隙水壓力差距較小，原因是這些位置距離巖溶管道較遠(yuǎn)，受到巖溶管道充填物的影響較小。

分別統(tǒng)計(jì)巖溶管道充填物為粗砂和充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的不同地下水位高度情況下隧道關(guān)鍵部位的圍巖孔隙水壓力下降情況，如圖6所示。

由圖6可知，無論填充物為粗砂還是淤泥質(zhì)黏土，隧道圍巖的孔隙水壓力在不同地下水位條件下表現(xiàn)出來的下降規(guī)律大致相同。隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降。

以填充物為淤泥質(zhì)黏土的情況為例，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度有一定區(qū)別，由大到小依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

3 結(jié)語

本文依托某高速公路隧道實(shí)際工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，對(duì)存在巖溶管道的隧道圍巖滲流場(chǎng)的基本特征以及不同類型填充物在不同水位下滲流特征進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）在隧道開挖前，隧道的滲流場(chǎng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，地下水和圍巖未被擾動(dòng)。隨著離地表垂直距離的增大，孔隙水壓力值也在不斷增大，在模型底部位置，孔隙水壓力達(dá)到最大值。

（2）在隧道開挖后，隧道圍巖中的孔隙水壓力明顯降低，隨著離開挖面距離的不斷增大，孔隙水壓力降低程度逐漸減弱，在遠(yuǎn)離開挖面的位置，巖體的孔隙水壓力值逐漸接近于隧道開挖前的孔隙水壓力。

（3）隨著地下水位線的降低，隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力均逐漸減小。在地下水位條件相同時(shí)，巖溶管道充填物類型為粗砂時(shí)的孔隙水壓力均大于巖溶管道充填物為淤泥質(zhì)黏土?xí)r的孔隙水壓力，尤其在拱頂和拱肩位置處二者差距更為明顯。

（4）隧道圍巖的孔隙水壓力隨著地下水位線的下降而逐漸下降。隧道圍巖不同位置的孔隙水壓力下降速度由大到小依次為：仰拱、拱腳、拱腰、拱肩、拱頂。

參考文獻(xiàn)

［1］王夢(mèng)恕.中國(guó)盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展思路［J］.隧道建設(shè)，2014，34（3）：179-187.

［2］張兵海，崔 煒，張石磊，等.臨近水庫的隧洞二維滲流場(chǎng)解析解及工程應(yīng)用研究［J/OL］.水利水電技術(shù)（中英文），2022-11-22.

［3］馬少坤，陳彩潔，段智博，等.基于鏡像法的有限含水層內(nèi)隧道滲流場(chǎng)解析解及其驗(yàn)證［J/OL］.工程力學(xué)，2022-11-22.

［4］王 剛，管 輝，王鵬舉，等.滲流損傷耦合作用下深埋圓形隧道的彈塑性解［J/OL］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022-11-22.

［5］蘭慶男，許 芃，陶偉明，等.隧道集水廊道底板型襯砌結(jié)構(gòu)排水泄壓能力研究［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（7）：142-147.

［6］彎曉林，蘭慶男，張志強(qiáng).富水粉細(xì)砂巖地層隧道排堵水措施的適應(yīng)性［J］.鐵道建筑，2022，62（7）：101-105.

［7］任世林.四線臨海隧道開挖滲流演變及參數(shù)影響分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，19（7）：1 985-1 996.

［8］李 偉，李 慶，楊 丹.隧道單層襯砌結(jié)構(gòu)水壓力特征研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（2）：71-77.

收稿日期：2023-01-10