富水软岩隧道渗流场分布规律及涌水量研究

罗纬邦 郑理峰 邹佳成

(1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830001； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 3.中国地质大学，北京 100083)



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富水软岩隧道渗流场分布规律及涌水量研究

罗纬邦1郑理峰2邹佳成3

(1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830001； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 3.中国地质大学，北京 100083)

利用Flac3D有限差分软件渗流模块，基于现场地质钻孔实测渗流参数和地下水位线，建立三维地质渗流数值模型，研究了隧道围岩初始状态下的地下水渗流场分布规律、隧道开挖前后渗流场变化规律以及施工期隧道涌水量，模拟计算结果对裂隙发育、富水地层地下工程防排水设计具有参考意义。

隧道工程，富水软岩，渗流场，涌水量

0 引言

在富水软岩地层中山岭隧道开挖时，工程地质条件往往很复杂，时常出现岩溶、破碎带等不良地质，这种状况下，地下水问题尤其是高水压问题是建设者无法回避的重要问题之一[1]。目前评价隧道地下水环境与预测隧道涌水量的方法主要有解析计算方法[2]和数值计算方法[3]，解析方法对模型边界以及地层规整程度具有苛刻的要求，而数值模拟可以应付更复杂的渗流边界，应用范围更加广阔，所得结果也更符合工程实际[4]。

本文基于现场地质钻孔实测参数和地下水位线，利用Flac3D有限差分软件渗流模块[5]，建立三维渗流分析模型，提出了隧址区天然状态下地下水渗流场分布规律、隧道开挖前后渗流场变化规律以及施工期隧道涌水量，模拟计算结果对裂隙发育、富水地层地下工程防排水设计具有重要参考意义。

1 隧址区地质水文条件

根据隧洞通过区出露的地层岩性及地质构造特征，结合含水介质的不同，将测区地下水分为第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水。

隧址区水文地质条件见图1，因受构造的影响，加之大理岩性脆、易溶等特点，裂隙节理较发育，因地下水渗流作用沿节理面产生溶蚀效应，地质调查探测到存在8处溶洞，2处为有水溶洞，下游有水溶洞测得流量为320 m3/d～775 m3/d，受大气降水影响程度较大，诸多因素给地下水的赋存运移创造了良好的条件。

2 数值建模与计算方案

2.1 数值计算模型及计算参数

隧址区三维渗流模型图见图2，渗流计算模型采用Flac3D内置的fl_iso模型。在隧道施工过程中，模型整体的外部渗流边界条件为河流边界和分水岭边界，地层表面是水压力为0自由面。模型水压力梯度根据地质钻孔实测水压力值插值给定，模型内部水压力值自上而下递增。隧道开挖时，将开挖临空面地下水压力设置为零，用以模拟隧道开挖后的渗流通道特性。

围岩物理力学与渗透系数以地质钻孔实测值为依据，具体参数取值见表1。

表1 隧洞围岩物理力学与渗透系数

围岩类别重度r/kN·m-3弹模E/GPa泊松比v渗透系数/m·s-1Ⅲ类24.57.30.281.2×10-5Ⅳ类22.03.10.36.5×10-5Ⅴ类21.51.20.351.5×10-4

2.2 计算方案

数值计算方案包括：1)初始渗流场计算；2)无衬砌无注浆隧洞开挖；3)有衬砌无注浆隧道开挖；4)1 m，2 m，3 m，4 m，5 m注浆深度隧道开挖方案；5)不同围岩与注浆圈和衬砌渗透系数之比条件下的隧道开挖方案。

3 渗流场分布规律分析

3.1 初始状态下地下水渗流场

建立三维渗流分析模型，通过计算得出施工前隧道围岩初始渗流场分布情况。隧址区三维模型初始渗流场剖面见图3，数值模型计算的地下水位线与图1的地质钻孔实测水位线基本一致。图4为不同类别围岩(Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类)的渗流场分布图的典型截面，初始无扰动状态下，围岩渗流场分布基本符合静水应力场；岩体中最大流速为 4.45×10-6m/s，当岩体中渗透系数较大时，岩体流速有所增加。

3.2 隧道开挖前后渗流场变化规律

通过未注浆开挖渗流场水压力图(如图5所示)可以看出，因隧道隧洞，开挖临空面成为排水通道，地下水压力等值线由初始渗流场的平行直线组变成凹陷的非平行曲线组，开挖对隧道下方渗流场影响较小，对隧道上方渗流场影响较大。

通过典型断面水压力分布图表明，距离隧道中心越近地下水压力变化趋势越明显，隧道开挖对围岩初始渗流场的影响范围为150 m以内，约20倍隧洞直径。

3.3 不同计算方案条件下隧道涌水量分析

不同计算方案条件下隧道涌水量见图6，拱顶不同围岩深度孔隙水压力分布见表2，计算结果表明：注浆措施应对隧道涌水非常有效，不仅减小了涌水量，而且有效降低衬砌外水压力，有利于支护结构稳定；无注浆条件下，衬砌背后承受的水压力约0.7 MPa，随着注浆深度增加，衬砌后侧的水压力明显下降，注浆深度2 m和注浆深度4 m，水压力值相差约20%。

表2 拱顶不同围岩深度孔隙水压力分布

图7是隧道涌水量与注浆圈及衬砌渗透性的关系曲线，固定注浆圈厚度时，随着注浆圈渗透系数的降低，隧道涌水量减小，当注浆圈渗透性达到一定程度时，例如，当注浆圈渗透系数降低到围岩的5%，减小隧道涌水量的效果不再明显，因此，通过注浆调整围岩渗透系数有一个经济合理区间。另外，若不采用注浆堵水方案，仅依靠调整衬砌透水性达到堵水作用是不经济的，即使衬砌渗透系数降低到非常小(围岩渗透系数的1.25%)，涌水量并不能大幅减小，而将注浆堵水和衬砌堵水结合起来明显更经济合理。

4 结语

本文利用Flac3D有限差分软件渗流模块，基于现场地质钻孔实测渗流参数和地下水位线，建立三维地质渗流数值模型，研究了隧道围岩初始状态下的地下水渗流场分布规律、隧道开挖前后渗流场变化规律以及施工期隧道涌水量。计算结果表明：

1)因隧道隧洞，开挖临空面成为排水通道，地下水压力等值线由初始渗流场的平行直线组变成凹陷的非平行曲线组，距离隧道中心越近地下水压力变化趋势越明显，影响范围约20倍洞径；

2)注浆措施应对隧道涌水非常有效，不仅减小了涌水量，而且有效降低衬砌外水压力，有利于支护结构稳定；

3)若不采用注浆堵水，仅依靠调整衬砌透水性堵水是可行的，即使衬砌渗透系数降低到非常小，隧道涌水量并不能大幅减小，将注浆堵水和衬砌堵水结合起来明显更经济合理。

[1] 陈英姿.大坳隧道隧址区渗流场与隧道涌水量数值模拟及预测[D].成都：成都理工大学,2014.

[2] 吴树清.隧道围岩高渗流带涌水量预测及处置原则[D].西安：长安大学,2013.

[3] 李鹏飞,张顶立,周 烨.隧道涌水量的预测方法及影响因素研究[J].北京交通大学学报,2010,34(4):11-15.

[4] 王建秀，朱合华，叶为民.隧道涌水量的预测及其工程应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(7):1150-1153.

[5] Itasca Consulting Group，Inc.Fast Lanrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions[R].2011：2-6.

Research on the distribution law of seepage field and water inflow of water-rich soft rock tunnel

Luo Weibang1Zheng Lifeng2Zou Jiacheng3

(1.XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower，Urumqi830001，China； 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China; 3.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083，China)

The paper adopts the finite difference software seepage model of Flac3D, establishes the three-dimension geological seepage numeric model based on the measured seepage parameter and underground water line of the site geological drilling, researches the distribution law of the underground water seepage field under the initial status of the tunnel surrounding rock, and indicates the change law for the seepage law before and after the tunnel excavation and the water inflow during the construction, so as to provide some reference for the waterproof and drainage design of the underground projects with cracks and rich stratums by the simulation calculation results.

tunnel project, water-rich soft rock, seepage field, water inflow

1009-6825(2017)15-0143-03

2017-03-18

罗纬邦(1965- )，男，教授级高级工程师

U456.32

A