考慮滲流作用的富水區(qū)域公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究

鄧皇根

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

當(dāng)修建隧道處于地下水發(fā)育區(qū)域或雨季時(shí)候，開挖過程中需考慮地下水的影響，隧道相關(guān)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中明確規(guī)定了如遇地下水如何處理，如采取“放排截堵”等措施，當(dāng)隧道穿越富水區(qū)域，在施工過程中地下水滲漏等問題屢見不鮮，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)垮塌涌水等工程災(zāi)害[1]。在隧道修建施工過程中，地下水會發(fā)生流動遷移，圍巖應(yīng)力重新分布形成應(yīng)力場，其與地下水滲流場之間發(fā)生相互作用，不同于干旱區(qū)域，隧道開挖時(shí)考慮滲流作用顯得非常重要，兩者相互影響將導(dǎo)致圍巖物理性質(zhì)與滲透性質(zhì)發(fā)生改變，因此如對隧道富水區(qū)域圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，那么地下水滲流作用一定要考慮進(jìn)去[2]。處于富水區(qū)域的隧道無論是在修建過程中或者是在運(yùn)營過程中，地下水的影響都是非常明顯的，國內(nèi)外許多專家學(xué)者們對海底隧道或者是富水隧道進(jìn)行研究分析，其考慮滲流作用且延伸到流固耦合理論，利用相關(guān)軟件與基礎(chǔ)知識進(jìn)行數(shù)值模擬，得出相關(guān)結(jié)果更接近于真實(shí)數(shù)值[3-4]?？紤]地下水的滲流作用，鑒于FLAC3D已經(jīng)成熟地將滲流與耦合理論結(jié)合起來得到較好的數(shù)值模擬結(jié)果，通過模擬考慮滲流作用下的單向兩車道公路隧道，對評價(jià)考慮滲流作用的隧道圍巖穩(wěn)定性提供參考。

鑒于隧道所處位置有著不同地理?xiàng)l件、地下水位與施工方案，考慮滲流作用的富水區(qū)域公路隧道圍巖穩(wěn)定性也有所不同，為更加接近實(shí)際情況，模擬中要更加貼近真實(shí)水位與圍巖真實(shí)物理力學(xué)性質(zhì)等[5]。運(yùn)用FLAC3D軟件設(shè)置滲流模式實(shí)現(xiàn)富水區(qū)域隧道的地下水滲流，通過分析隧道圍巖位移、塑性區(qū)及滲流場分布規(guī)律，總結(jié)相關(guān)結(jié)果對隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評估，為公路隧道富水段設(shè)計(jì)加固與施工提供參考意見。

1 工程概況

以山西某單向兩車道公路隧道富水段為研究對象，隧道全長860m，其中富水段長度為233m，最大埋深132m，最高水位距離隧道頂部20m左右，隧道上覆地表為硬塑狀的第四系殘坡積層粉質(zhì)粘土，下穿為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)厚層狀構(gòu)造的侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組紫紅色泥巖地層，主要由水云母等粘土礦物組成，隧道區(qū)域地下水主要由裂隙水組成，據(jù)相關(guān)地質(zhì)與水文資料，結(jié)合鉆探以及土體測驗(yàn)等結(jié)果分析得出圍巖劃分為IV級圍巖。

2 隧道數(shù)值模型與物理力學(xué)參數(shù)

隧道寬11m，高9m，數(shù)值模型軸向取2m開挖步長，據(jù)圣維南原理確定影響范圍為3～6倍洞直徑[6]，建立100m×100m×2m的數(shù)值模型，采用M-C彈塑性本構(gòu)模型，設(shè)置滲流邊界條件：頂部施加相應(yīng)水深下的地下水壓力邊界，兩端與底部位置設(shè)置為不透水，圍巖掘進(jìn)面設(shè)置為透水；數(shù)值模型力學(xué)邊界：左右兩端為水平約束，底部為豎直約束，隧道頂部為自由。初支設(shè)置為厚度26cm的C25噴射混凝土，二襯設(shè)置為55cm的C30鋼筋混凝土，由于錨桿等加固措施使得周邊圍巖形成一定范圍加固區(qū)，數(shù)值模擬中可提高周邊巖土體參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)，初支采取shell單元，加固圈與二襯采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，富水區(qū)域公路隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值如下表1。針對IV級圍巖通過是否設(shè)置滲流模式對有無滲流作用的隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值

3 富水區(qū)公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析

圍巖位移、應(yīng)力與塑性區(qū)呈現(xiàn)一定關(guān)系，塑性區(qū)越發(fā)展則圍巖塑性變形越大，由于工程在施工前存在不可預(yù)測危險(xiǎn)，需對相關(guān)問題進(jìn)行建模，分析隧道施工安全性以及運(yùn)營隧道耐久性，通過分析模擬結(jié)果初步判斷隧道結(jié)構(gòu)是否存在失穩(wěn)破壞的可能性。隧道施工若在富水區(qū)域或者雨季期間，地下水發(fā)育且發(fā)生遷移流動，那么考慮滲流作用對隧道的影響更接近于實(shí)際工況，建立是否考慮滲流作用的數(shù)值模型，對隧道圍巖滲流場、位移場、塑性區(qū)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，評價(jià)富水區(qū)域隧道穩(wěn)定性。由于公路隧道結(jié)構(gòu)表現(xiàn)對稱，取左半部分進(jìn)行分析，在拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、拱底部位建立監(jiān)測點(diǎn)對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 滲流作用下的圍巖滲流場

地下水在隧道開挖后會發(fā)生一定范圍流動，在隧道施工階段不斷變化，許多學(xué)者們已得出隧道開挖面會形成臨空零水壓力面，周邊地下水會向隧道開挖面周圍發(fā)生滲流，隧道周圍地下水壓力在開挖后可能會迅速增大，所以防水措施顯得尤其重要。FLAC3D通過設(shè)置滲流模式實(shí)現(xiàn)滲流作用，無滲流作用則直接以靜水壓力施加。

圖1、圖2分別為考慮滲流作用的圍巖滲流場與滲流矢量圖，對其進(jìn)行分析得出以下觀點(diǎn)：

(1)周邊圍巖地下水壓力隨隧道開挖后逐漸下降，在自重引力作用下地下水向隧道開挖臨空面進(jìn)行遷移滲流，由于隧道開挖面地下水壓力為0與周邊圍巖存在水力差會導(dǎo)致滲流場的變化，隧道上部圍巖地下水壓力迫降形成了一個“漏斗狀”的滲流場。

(2)隧道圍巖滲流場受隧道施工影響，距開挖面越遠(yuǎn)受隧道開挖影響越小，地下水壓力也較為接近初始狀態(tài)，隧道拱腳滲流矢量顯著大于其余部位，說明拱腳處水壓力較大將可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞，所以在隧道施工期間的拱腳防排水措施顯得尤為重要。

圖1 考慮滲流作用的圍巖滲流場云圖(單位：Pa)

圖2 考慮滲流作用的圍巖滲流矢量分布

3.2 有無滲流作用下的圍巖位移場

對隧道圍巖拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、拱底(左半部分)的位移場數(shù)值結(jié)果進(jìn)行分析，得出有無滲流作用下隧道圍巖位移變化規(guī)律，以對隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。隧道不同部位的位移不同，同一位置是否考慮滲流作用的圍巖位移也有所不同。圖3與圖4分別為不考慮滲流作用及考慮滲流作用的隧道圍巖豎向位移場云圖(水平位移數(shù)值結(jié)果較小，本文不再贅述)，圖5為有無滲流圍巖豎向位移對比圖，豎向位移表示為沉降或隆起，不區(qū)分正負(fù)號。

圖3 不考慮滲流作用的隧道圍巖豎向位移(單位：m)

圖4 考慮滲流作用的隧道圍巖豎向位移(單位：m)

圖5 有無滲流作用的隧道圍巖豎向位移

由圖3～圖5的有無滲流作用下的圍巖豎向位移可以看出：

(1)考慮地下水的滲流作用，滲流場影響應(yīng)力場，應(yīng)力場改變導(dǎo)致位移變化，由于地下水作用導(dǎo)致圍巖性質(zhì)變差?？紤]滲流作用的隧道各部位的豎向位移均增大。究其原因，是由于考慮滲流作用，地下水往隧道開挖面涌入導(dǎo)致圍巖總應(yīng)力增加，圍巖遇水性質(zhì)變差，據(jù)相關(guān)力學(xué)理論，圍巖變形將同步增大，可以看出地下水的存在對隧道穩(wěn)定性存在著巨大影響，如水位繼續(xù)上升，隧道位移將持續(xù)增大，應(yīng)重視地下水的影響，做好防排水設(shè)計(jì)與施工。

(2)無論有無滲流作用，豎向位移較大處發(fā)生在拱頂與拱底，這一點(diǎn)符合相關(guān)研究結(jié)果，拱頂均發(fā)生沉降，拱底均發(fā)生隆起。有無滲流作用差值較大處發(fā)生于拱腰與邊墻，是由于拱腰與邊墻周圍地下水壓力內(nèi)外相差較大，地下水?dāng)D入導(dǎo)致變形較大，雖然拱腳位置滲流量較大，但由于封閉成環(huán)主要是剪切變形，其豎向變形反而不大。

(3)考慮滲流作用的拱頂沉降為5.2mm，較之不考慮滲流的4.9mm增大了0.3mm；考慮滲流作用的拱底隆起為6.9mm，較之不考慮滲流的6.6mm也增大0.3mm；地下水在拱頂處向內(nèi)涌入，圍巖失水固結(jié)產(chǎn)生沉降，地下水于拱底向上發(fā)生遷移流動，在拱底到拱腳處，隧道整體仰拱圈部位均向上移動，對隧道形成一個向上浮動的力導(dǎo)致拱底及拱腳隆起均增大，拱頂與拱底位移過大將導(dǎo)致隧道失穩(wěn)。

3.3 有無滲流作用下的圍巖塑性區(qū)

從位移場數(shù)值結(jié)果已發(fā)現(xiàn)是否考慮滲流對隧道穩(wěn)定性有著較大影響，考慮滲流的圍巖位移有所增大，說明圍巖塑性變形也隨之增加，位移與塑性區(qū)最能直觀反映出圍巖的變形趨勢，所以分析位移與塑性區(qū)是非常有需要的。從塑性區(qū)可以看出隧道各部位分別可能發(fā)生哪種類型破壞，有三種類型：拉伸破壞、剪切破壞與拉伸剪切復(fù)合破壞。圖6與圖7分別為有無滲流的隧道圍巖塑性區(qū)分布圖，圖中，隧道輪廓中心陰影區(qū)為拉伸塑性區(qū)、兩底角為剪切拉伸復(fù)合塑性區(qū)，其余為剪切塑性區(qū)。利用FLAC3D的FISH語言編寫求解出隧道圍巖塑性區(qū)體積如表2所示。

圖6 不考慮滲流作用的隧道圍巖塑性區(qū)

圖7 考慮滲流作用的隧道圍巖塑性區(qū)

表2 隧道圍巖塑性區(qū)體積 m3

對圖6、圖7與表2的隧道圍巖塑性區(qū)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行分析得出：

(1)無論是否考慮滲流，塑性區(qū)均會隨隧道開挖過程逐漸發(fā)展，拱頂與拱底存在拉伸塑性區(qū)，說明兩者位置存在拉伸破壞的可能性；拱腰、邊墻與拱腳處的塑性區(qū)變現(xiàn)為剪切塑性區(qū)，三者位置存在剪切破壞的可能性；拱底與拱腳接觸位置存在拉伸剪切復(fù)合塑性區(qū)，有可能發(fā)生拉伸破壞也有可能發(fā)生剪切破壞；一般而言危險(xiǎn)程度劃分為拉伸剪切復(fù)合塑性區(qū)>拉伸塑性區(qū)>剪切塑性區(qū)，拱頂拉伸破壞易掉塊，拱腳與拱底易發(fā)生拉伸與剪切破壞。

(2)對比有無滲流作用下的隧道圍巖塑性區(qū)，可發(fā)現(xiàn)考慮滲流的各部位塑性區(qū)較之無滲流明顯增大，拱頂拉伸塑性區(qū)向上發(fā)展并且范圍顯著變大；拱腰與邊墻剪切塑性區(qū)向左右兩側(cè)發(fā)展且范圍也顯著增大；拱腳與拱底三種類型塑性區(qū)均明顯發(fā)展；由于考慮滲流更接近于實(shí)際，所以拱頂、邊墻與拱腳位置更易發(fā)生變形破壞。

(3)從塑性區(qū)體積分析，剪切塑性區(qū)發(fā)展較大，拉伸剪切復(fù)合塑性區(qū)發(fā)展最小，說明考慮滲流作用會引起隧道發(fā)生剪切變形，主要發(fā)生于邊墻與拱腳位置處，在隧道富水區(qū)域應(yīng)該對邊墻與拱腳處的位移及應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)控量測且做好防排水設(shè)計(jì)，防止由于地下水壓力過大引起塑性區(qū)過分發(fā)展，造成突水涌泥等工程災(zāi)害。

4 結(jié)論

以富水區(qū)域公路隧道為研究對象，在FLAC3D軟件中通過設(shè)置滲流模式實(shí)現(xiàn)地下水在隧道中的流動，通過分析有無滲流作用下隧道圍巖滲流場、位移場以及塑性區(qū)對隧道各部位是否穩(wěn)定作出評價(jià)，得到了以下結(jié)論：

(1)周邊圍巖地下水壓力差導(dǎo)致隧道形成“漏斗”滲流場，拱腳處地下水壓力變化最大使得拱腳圍巖存在失穩(wěn)破壞的可能性，因此在富水區(qū)隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)拱腳防排水設(shè)計(jì)，必要時(shí)加強(qiáng)該部位的結(jié)構(gòu)。

(2)考慮滲流的圍巖各位置豎向位移均增大，地下水于拱頂處向內(nèi)涌入導(dǎo)致失水固結(jié)產(chǎn)生沉降，地下水于拱底向上發(fā)生遷移流動導(dǎo)致仰拱圈向上浮動，其中拱頂與拱底位移過大將導(dǎo)致隧道失穩(wěn)。

(3)拱頂拉伸塑性區(qū)易發(fā)生掉塊風(fēng)險(xiǎn)，拱腳與拱底易發(fā)生拉伸剪切復(fù)合破壞，考慮滲流的各部位塑性區(qū)較之無滲流顯著增大，拱頂、邊墻與拱腳易發(fā)生變形破壞，邊墻與拱腳位置處剪切塑性區(qū)發(fā)展說明考慮滲流隧道會發(fā)生明顯剪切變形，應(yīng)在邊墻與拱腳加強(qiáng)防排水設(shè)計(jì)，以防發(fā)生突水涌泥等風(fēng)險(xiǎn)。