富水裂隙巖體隧道裂隙形式對滲流場影響研究

趙 毅

富水裂隙巖體隧道裂隙形式對滲流場影響研究

趙 毅

(天津市合興工程管理咨詢有限公司，天津 300202)

采用數(shù)值分析的方法，對不同裂隙形式的富水巖體隧道滲流場進行分析。根據(jù)隧道特點，用三維離散元軟件3DEC建立模型，分析計算了存在豎直方向與存在豎直與水平方向的交叉裂隙巖體隧道滲流場特征，將計算數(shù)據(jù)進行比較，得到裂隙形式與富水隧道滲流場的關系。分析表明：裂隙巖體隧道開挖暴露面5 m范圍內(nèi)，滲流場最容易受到隧道施工的影響，注漿圈外絕大部分區(qū)域水壓力為靜水壓力；存在豎直方向交叉裂隙時比存在豎直與水平方向交叉裂隙時，滲入隧道中的水更多，導致襯砌背后水壓力更大；當裂隙水向隧道中心流動時，不同方向的裂隙會導致水的分流。

隧道；交叉裂隙；離散元模擬；滲流場

我國是多山國家，隧道占線路總里程的比例日益增加，而隧道作為地下建筑物，不同水文地質、工程地質條件的裂隙巖體是隧道工程中經(jīng)常面臨的介質[1]。裂隙水是一種地下水，廣泛分布在巖體中[2]。在隧道建設過程中，裂隙水經(jīng)常會引起如塌方、冒頂、涌水以及隧道大變形等問題[3]。為了保護生態(tài)環(huán)境，近年來治水方案由“以排為主”變?yōu)椤耙远聻橹鳌盵4]。不同裂隙形式排水量也有所不同，若采用統(tǒng)一的設計標準，可能會達不到設計要求，若滲透的水量超過排水系統(tǒng)的最大排水量，襯砌外水壓力會逐漸上升，從而威脅到隧道的安全使用[5]。本文以存在兩種不同裂隙形式的隧道為研究對象，將裂隙等效為連續(xù)介質[6]，通過三維離散元軟件3DEC建立模型，分析計算了兩種不同裂隙形式對隧道滲流場的影響，研究結果有助于隧道設計與工程建設。

1 模型建立

模型尺寸為200 m×190 m×4 m，裂隙分為兩種形式：豎直方向交叉裂隙、豎直與水平方向交叉裂隙。

在模擬注漿圈時，由于3DEC軟件的限制，并不能很好模擬裂隙中有填充的狀態(tài)，因此將其轉化為注漿后巖體裂隙寬度的變化。選定注漿區(qū)域，減小注漿區(qū)域巖體裂隙寬度，移除隧道開挖部分，即模擬了隧道注漿開挖，注漿圈厚度定為5 m。

在模擬噴射混凝土時，由于3DEC特性決定其只能模擬水在裂隙中流動，而混凝土為連續(xù)介質，因此無法進行水的滲流，此時需要使用一種合理的等效方法。即把噴射混凝土等效為不連續(xù)的塊體，將噴射混凝土的滲透系數(shù)轉化為模型中塊體間裂隙的滲透系數(shù)。通過立方定律以及達西定律可以推導出噴射混凝土的等效滲透系數(shù)：

(1)

根據(jù)噴射混凝土滲透系數(shù)和裂隙間距換算出等效的裂隙寬度，由式(1)可得：

(2)

如噴射混凝土滲透系數(shù)為Kp=1×10-8m/s，代入(2)，可得模擬噴射混凝土的裂隙寬度b≈1.946×10-5m[7]。

襯砌為不透水邊界，在噴射混凝土內(nèi)創(chuàng)建一層一體的塊體即可，二襯厚度選50 cm。

排水系統(tǒng)主要通過設置盲管進行模擬，即將盲管轉化為分布在二襯上的裂隙?？v向盲管距原點2.5 m，模擬縱向盲管時裂隙寬度設置為0.08 m；不再設置環(huán)向盲管，通過設置縱向盲管及襯砌背后水壓力邊界條件來代替。

2 模型參數(shù)及監(jiān)測點布置

2.1豎直方向交叉裂隙巖體隧道模擬

豎直方向交叉裂隙巖體隧道模型見圖1。豎直方向交叉裂隙巖體隧道模型參數(shù)見表1。

圖1 豎直方向交叉裂隙巖體隧道模型

表1 豎直方向交叉裂隙巖體隧道模型參數(shù)

數(shù)據(jù)監(jiān)測線分布情況見圖2，監(jiān)測線上自隧道開挖面開始，每1 m設置一個監(jiān)測點，每條線共設置9個監(jiān)測點。

圖2監(jiān)測線與監(jiān)測點布置圖圖3豎直水平交叉裂隙監(jiān)測線布置圖

2.2豎直與水平方向交叉裂隙巖體隧道模擬

隧道上數(shù)據(jù)監(jiān)測線分布情況見圖3，共設置3條監(jiān)測線，相鄰監(jiān)測線之間的夾角為90°，監(jiān)測線上自隧道開挖面開始，每1 m設置一個監(jiān)測點，每條線共設置9個監(jiān)測點。

豎直與水平方向交叉裂隙巖體隧道模型見圖4。模型中水平方向交叉裂隙寬度為1 mm。

圖4 豎直水平方向交叉裂隙巖體隧道模型

3 邊界條件的設置

在隧道施工過程中，假定模型整體的外部滲流邊界條件不變，即靜水壓作用下的水力邊界條件，模型頂面為自由面因此水壓力固定為0，只考慮重力作用，且不考慮地下水補給及從底部流失，因此模型底面水壓力固定為1.9 MPa，模型內(nèi)部水壓力自上而下遞增，由于隧道開挖會造成內(nèi)部水壓力變化，因此前后兩個面不固定水壓力。此時，將隧道的滲流場等效為裂隙巖體、注漿圈和噴射混凝土三層等效連續(xù)介質加管道流模型，襯砌作為不透水邊界。

4 計算結果及分析

4.1豎直方向交叉裂隙巖體隧道

經(jīng)過分析計算后，得出水壓力分布情況見圖5，滲流場矢量圖見圖6，監(jiān)測線水壓力變化見圖7。

圖5 豎直方向交叉裂隙巖體隧道滲流場水壓力等值線云圖(單位：Pa)

圖6 豎直方向交叉裂隙巖體隧道滲流場矢量圖(單位：Pa)

圖7 豎直與方向交叉裂隙巖體隧道監(jiān)測線處水壓力

通過圖5、圖6和圖7可以看出隧道二次襯砌背后與噴射混凝土交界處水壓力值很小，開挖暴露面5 m范圍內(nèi)，滲流場最容易受到隧道施工的影響，注漿圈外絕大部分區(qū)域水壓力為靜水壓力。噴射混凝土區(qū)域流速比較大為0.06～0.095 m/s左右，隧道中流速最大的地方為拱腳處，流速為0.095 m/s，裂隙巖體中滲入隧道中的水量大約為5.6 m3/d。隨著與隧道開挖暴露面距離的增加，注漿區(qū)域內(nèi)水壓力值逐漸增大，水壓力變化值逐漸減小。水壓力值在注漿區(qū)域變化比較大，注漿區(qū)域外變化很小。

4.2豎直與水平方向交叉裂隙巖體隧道

經(jīng)過分析計算，當存在豎直方向與水平方向交叉裂隙巖體進行隧道施工時，襯砌背后水壓力分布情況如圖8，滲流場矢量圖如圖9，監(jiān)測線水壓力變化如圖10。

圖8豎直與水平方向交叉裂隙滲流場水壓力等值線云圖(單位：Pa)圖9豎直與水平方向交叉裂隙巖體隧道滲流場矢量圖(單位：Pa)

圖10 豎直與水平方向交叉裂隙巖體隧道監(jiān)測線處水壓力

通過圖8、圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，此種工況下噴混凝土處水滲流的速度比較大，滲水速度為0.055～0.065 m/s。不過由于向隧道滲水的裂隙跡長較小，因此滲水量并不大，為3.8 m3/d

4.3兩種工況進行對比

通過對兩種工況的滲流場水壓力分布情況、滲流場矢量分布情況、監(jiān)測線處水壓力變化值及所提取的數(shù)據(jù)進行分析比較，并將兩種工況下監(jiān)測線1、4、7的水壓力平衡值進行對比，分布情況如圖11。

圖11兩種工況監(jiān)測線1、4、7水壓力圖12平行裂隙間水壓力變化示意圖

經(jīng)過對比可知，開挖暴露面5 m范圍內(nèi)，滲流場最容易受到隧道施工的影響，注漿圈外絕大部分區(qū)域水壓力為靜水壓力。豎直方向存在交叉裂隙時比豎直與水平方向存在交叉裂隙時，水壓力值更大，滲入隧道中的水更多，但是噴混凝土區(qū)域滲流速度比較小。當裂隙中的水向著隧道中心流動，此時如果有垂直于水流方向或者與水流方向存在夾角的裂隙時，水流會發(fā)生分流，流速減小，水壓力減小。當存在一條裂隙垂直于兩豎直方向的裂隙時，連通這兩條豎直裂隙的水平裂隙中點處水壓力值最小，越接近豎直裂隙處的水壓力值越大，示意圖見圖12。

5 結論

(1)隧道施工對滲流場產(chǎn)生的主要影響范圍還是在開挖暴露面外5 m左右的區(qū)域，注漿圈1 m外絕大部分區(qū)域水壓力呈現(xiàn)靜水壓力分布。

(2)豎直方向存在交叉裂隙時比豎直與水平方向存在交叉裂隙時，水壓力值更大，滲入隧道中的水更多，但是噴混凝土區(qū)域滲流速度比較小。因此，若巖體中存在大量豎直方向交叉裂隙時，需加強堵水或者增加排水系統(tǒng)最大排水量，從而避免襯砌背后水壓力值過大。

(3)當裂隙中的水向著隧道中心流動，如果有垂直于水流方向或者與水流方向存在夾角的裂隙時，水流會發(fā)生分流，流速減小，水壓力減小。當存在一條裂隙垂直于兩豎直方向的裂隙時，連通這兩條豎直裂隙的水平裂隙中點處水壓力值最小，越接近豎直裂隙處的水壓力值越大。

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[2]周志芳,王錦國.裂隙介質水動力學[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

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[7]艾旭峰.裂隙巖體隧道滲流場特征研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學,2015.

Effectoffractureformonseepagefieldinwater-richfracturedrockmassoftunnel

ZHAO Yi

(TianjinHexingEngineeringManagementConsultingCo.,Ltd.,Tianjin300202,China)

In this paper,the seepage field of water-rich rock in different fracture forms is analyzed by means of numerical analysis.According to the characteristics of tunnel,the model is built with the three-dimensional discrete element software 3DEC.Then Seepage Field in vertical cross fractured rock mass tunnel and vertical horizontal direction cross fractured rock mass tunnel are analyzed and calculated.Based on the data obtained,the relationship between the fracture form and the seepage field of the water-rich tunnel is given.Analysis shows that the seepage field is most susceptible to the impact of tunnel construction in 5 meters of excavation exposed surface.Water pressure is hydrostatic pressure in those area which is outside the grouting ring.The amount of water flowing into the tunnel with vertical cross fissures is more than the amount of water flowing into the tunnel with vertical horizontal cross fissures.This makes the water pressure even bigger behind the lining.Different direction of the cracks will lead to water diversion when the water flow toward the center of the tunnel.

tunnel; cross fracture; discrete element simulation; seepage field

2017-04-10

國家自然科學基金(51378321)；河北省自然科學基金(E2014210131)

趙 毅(1990—)，男，河北石家莊人，碩士，工程師。

1674-7046(2017)03-0010-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.003

U452.1+1

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