地下工程突涌水及围岩渗流场研究分析

江晓洲，张 强，柴军瑞，许增光

(西安理工大学，陕西 西安 710048)

地下工程突涌水及围岩渗流场研究分析

江晓洲，张 强，柴军瑞，许增光

(西安理工大学，陕西 西安 710048)

隧道是地下工程常见的一种结构型式，突涌水在隧道开挖过程中是常常遇到的地质灾害之一。针对在隧道施工中遇到的突涌水问题进行了数值模拟分析，研究了施工扰动和不同水位对于隧道突涌水和围岩渗流场的影响。

地下工程；隧道；突涌水；渗流场

0 前 言

近年来，我国在水利水电领域修建了大量的隧道工程[1]，隧道作为地下通道的工程建筑物，在调水输水中具有独特的巨大优势[2-3]，在地下工程的建设中，安全问题一直是工程人员考虑的重要问题之一[4-5]。我国工程建设重点正向西部转移，由于西部复杂的地质条件，地下工程施工中极易发生突涌水事故。一旦发生突涌水，不仅危及施工及技术人员的生命安全，而且延误工期，增加工程投资[6-8]。

引汉济渭调水工程是解决陕西省关中地区水资源短缺重点支撑工程，秦岭隧道在该工程中起了非常关键的作用，其中，椒溪河隧道是秦岭隧道的一部分，长6 592 m，综合坡比10.44%，下穿椒溪河而过。椒溪河隧道围岩地质条件很差，裂隙发育，岩体较破碎、节理裂隙贯通性强，地下水水量较丰富。在这种地质条件下很容易发生突涌水。

在隧道的开挖中，施工对围岩产生扰动作用将会影响围岩的力学性质。渗流场和应力场将会发生变化，而且两场相互影响加大了两者的变化，我们把这种作用称为水岩耦合作用[9-10]。本文在考虑隧道中渗流场与应力场的耦合作用的前提下，应用有限元软件FLAC3D，研究隧道开挖前后在不同水位情况下，涌水量和围岩渗流场的变化规律。

1 计算模型及说明

把在椒溪河隧道开挖中发生的第3次涌水作为典型案例进行分析研究。椒溪河隧道标准断面为马蹄形，如图1所示。椒溪河隧道属于细长结构物，可采用平面应变模型进行建模计算[11]。建模时考虑隧道开挖半径的影响范围，宽度取50 m，长度取120 m，则数值解析区域的长宽范围为120 m×50 m。整个计算模型分上、中、下3层，上层对应的是围岩地层中的强风化大理岩夹石英片岩地层，中层对应的是微风化大理岩夹石英片岩地层，下层对应的是弱风化大理岩夹石英片岩地层。

图1 椒溪河隧道主洞断面

2 椒溪河隧道渗流场及涌水量数值计算

在整个计算过程中，首先打开力学计算模块，关闭渗流计算模块；然后，进行交换计算，关闭力学计算模块，打开渗流计算模块。要进行隧道开挖渗流场分布的研究，必须要知道隧道围岩初始渗流场的分布规律。为了得到围岩初始渗流场分布规律，采用的方法如下。

对于河道水位以下河道边界上的所有节点，把河道的水深转换成静水压力直接施加到对应水深的节点上；由于河道水位是一定的，所以河道水位以下的河道边界节点的静水压力也就是固定的，因此，可以通过固定河道水位以下河道边界上的所有节点的静水压力，以此作为整个模型的透水边界条件，而模型其他边界则设为FLAC3D中的默认边界(不透水边界，边界节点孔压可自由变化)。在对模型进行重力场计算完成后，然后通过打开渗流模块，进行渗流计算。待模型计算稳定后，就可以得到围岩初始渗流场。通过设两种不同的河道水位高程，分别为580，585 m，来研究在不同河道水位高程的情况下，隧道围岩开挖前后渗流场分布规律及隧道涌水量的变化规律。

2.1 椒溪河隧道渗流场分析

隧道开挖前，隧道围岩孔隙水压力的分布情况如图2所示。

图2 隧道开挖前孔隙水压力分布

通过图2可以看出，从模型的上部到下部，孔隙水压力成层状分布，从上到下孔隙水压力逐渐增大。

在模拟隧道开挖后，设置隧道开挖边界为透水边界，并在开挖边界上固定孔隙水压力为零。在这样的渗流边界情况，对隧道开挖后渗流场的分布进行计算模拟。隧道开挖后，隧道围岩孔隙水压力的分布情况如图3所示。

图3 隧道开挖后孔压分布

从图3可以看出，隧道开挖后，围岩孔隙水压力开始下降，地下水向洞内临空面渗透。从图3还可以看出，隧道开挖边界周围的孔隙水压力明显的小于其他围岩的孔隙水压力。通过图2～3可知，在不同河道水位的作用下，隧道开挖前后的孔隙水压力的分布规律是相近的。但是，由于河道水位的不同，造成了模型节点在不同河道水位的作用下，相同节点的孔隙压力值会有不同的变化。

2.2 隧道涌水量分析

对于隧道内涌水量的计算，可以使用FLAC3D软件中gp_flow变量来求得。通过计算可得，隧道在不同水位高度下隧道内的涌水量大小。隧道涌水量大小计算成果见表1。

表1 不同河道水位下隧道涌水量

通过表1可知，水位高程585 m的涌水量比水位高程580 m高2.422 m3/h，说明随着水位高度的增加，涌水量也增加了。

3 结 语

在隧道的施工中，不可避免的将产生对围岩的扰动作用，这种扰动作用将会影响围岩应力场和渗流场的分布，经过水岩耦合作用，开挖后隧道附近围岩的渗流场分布与开挖前将会有很大的不同，正如本文模拟的情况，开挖前后围岩孔隙水压力发生了很大的变化。由于围岩渗流场的改变，继而会影响其他力学性质的改变，围岩中裂隙、岩体破碎、断层等不良地质将扩大和劣化，隧道与椒溪河之间形成了过水通道，最后导致了突涌水的发生。另外，河道水的水位高低对隧道围岩渗流场和涌水量也有较大的影响，河道水位越高，隧道孔隙水压力越大，涌水量随着水位的增高而增大。

[1] 李术才, 石少帅, 李利平. 三峡库区典型岩溶隧道突涌水灾害防治与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(9): 1887-1996.

[2] 钱七虎. 地下工程建设安全面临的挑战与对策[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(10): 1945-1956.

[3] 《中国公路学报》编辑部. 中国隧道工程学术研究综述·2015[J]. 中国公路学报, 2015, 28(5): 1-52.

[4] 梁臣艺. 矿山测量与矿山安全[J]. 中国锰业, 2014, 32(4): 55-57.

[5] 韦志兴, 刘文安, 黎永杰. 露天与地下巷道交汇处安全开采研究[J]. 中国锰业, 2014, 32(1): 17-19.

[6] 江时雨, 陈建宏, 李涛. 水下隧道涌水灾害风险评价与预测[J]. 力学进展, 2013, 23(12): 101-106.

[7] 黄宏伟. 隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展[J]. 地下空间与工程学报, 2006, 2(1): 13-20.

[8] 钱富林. 关角隧道突涌水机理分析及处治技术[J]. 铁道建筑, 2014(10): 52-58.

[9] 李根, 唐春安, 李连崇. 水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展[J]. 力学进展, 2012, 42(5): 593-616.

[10] 李刚, 申金雷, 李广贺. 水岩耦合作用对软岩巷道变形影响的数值模拟[J]. 安全与环境学报, 2016, 16(5): 146-150.

[11] 田坤, 黄炳仁, 王瑞. 考虑渗流效应下的常吉高速公路隧道数值模拟[J]. 水利与建筑工程学报, 2007, 5(4): 26-31.

An Analysis of Gushing Water and Seepage Field of Surrounding Rockin Underground Engineering

JIANG Xiaozhou, ZHANG Qiang, CHAI Junrui, XU Zengguang

(Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shanxi710048,China)

Tunnel is a type of underground engineering, and gushing water in tunnel excavation is often encountered in the course of geological disaster. In tunnel construction of the numerical simulation analysis of the problem of gushing water, we have studied the construction disturbance and water level for different tunnel gushing water and rock mass seepage field of influence.

Underground engineering; Tunnel; Gushing water; Seepage field

2017-03-03

江晓洲(1989-)，男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：水工结构工程，手机：18792479467，E-mail：1015369596@qq.com.

U451

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.043