富水公路隧道渗流场数值模拟及应用

秦世华

（山西省运城高速公路有限责任公司，山西 运城 044000）

0 引言

随着我国公路隧道的建设数量与规模不断地增加,隧道运营中越来越多地出现了洞内渗漏水现象[1]。隧道工程中的水害是由于水与围岩相互作用而导致的，隧道开挖卸载后形成的应力场改变了原岩应力场与渗流场的分布，从而引起隧道周边地下水位和水压的变化，继而引起岩体结构的改变。水的渗透力改变了岩体的渗透性，增加了岩体的孔隙度和连通性，影响了岩体的稳定性，对隧道工程而言，最不利的是水降低了岩土体的强度[2]。

目前，针对岩土体的渗流规律、力学性质及流—固耦合问题国内学者开展了一系列的研究工作。陈伟[3]采用三维数值方法模拟降雨入渗对偏压隧道的影响。比较了在有无排水两种工况下，隧道上覆盖层长时间遭受雨水冲刷，围岩和支护结构的受力和变形情况。邹金锋[4]求得了具有衬砌的圆形隧道在考虑水—力耦合时的弹塑性非线性解析。魏纲[5]等采用有限元软件对盾构出洞口时的涌水涌砂灾害的影响因素做了深入分析。孙志杰[6]等对某高速公路富水黄土隧道开挖过程的水—力耦合效应进行了研究。对常水位作用下支护结构渗透系数对渗流场及围岩位移的影响进行了分析。

对于富水隧道而言，衬砌水压力的大小与地下水水头、围岩渗透性以及围岩内的应力状态有关，这就是渗流场与应力场耦合作用的问题[7]，从理论上来讲考虑渗流场与应力场的耦合作用是最接近工程实际的分析方法，但目前渗流场与应力场耦合作用研究成果在坝基工程领域较多，多用于对涌水量的研究，针对隧道工程的排水问题，相关研究不多。

基于此，本文以中条山隧道富水区段为研究对象，把隧道开挖过程与渗流场边界的变化紧密联系起来，建立二维渗流—应力耦合数值模型，对不同围岩级别下采取止水措施前后的隧道周边围岩中水头分布以及排水量变化进行对比分析，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况及计算模型

依托工程中条山特长公路隧道，全长9 671 m，最大埋深681 m，属深埋特长公路隧道。隧道穿越地层有变质岩、页岩、砂岩、灰岩、侵入岩以及第三系和第四系松散堆积层，岩性复杂，构造发育，地下水赋存条件较好。隧道通过基岩山区的裂隙水、岩溶水，洪积扇裙区承压孔隙水及阶地区孔隙水。其中洪积扇裙区胶结、半胶结砾岩及砂卵石层稳定性差，承压水头高，含水丰富，在泉水调查中有4处泉水出露于此段地层，该段地下水富水程度相对较强，对隧道的施工影响较大。

富水Ⅲ级围岩段超前注浆加固圈厚3.0 m，拱墙及仰拱铺设柔性防水板，纵向每10 m一道环向排水盲管和墙脚通长纵向排水盲管。富水Ⅳ级围岩段采用帷幕注浆堵水，注浆范围开挖线外5 m，止浆盘厚度为5 m。拱墙及仰拱铺设柔性防水板，纵向每6 m一道环向排水盲管和墙脚通长纵向排水盲管。在隧道围岩裂缝渗漏水集中处铺设φ50 mm软式弹簧透水圆管，原则上在渗漏水较集中处铺设，纵向间距按Ⅲ、Ⅳ级围岩10 m、5 m设置，具体可根据施工中实际渗漏水情况适当调整。

计算模型选取两侧边界至隧道中心线距离为75 m，底部边界至隧道距离约为55 m，上部取至地面。边界条件：模型两侧及底部不透水，初支、加固圈和围岩紧密接触，联合作用，地表以下5 m取静水头110 m，隧道内表面取水头为零。

根据施工图纸和现场实际施工情况，喷混凝土抗渗等级在S3左右，围岩注浆加固圈抗渗等级较喷射混凝土低，参考文献[8]取注浆圈和喷混凝土综合渗透系数如表1所示。

表1 围岩及支护材料渗透系数表

2 隧道开挖渗流—应力耦合分析

2.1 Ⅲ级围岩计算结果

Ⅲ级围岩条件下地下水水头等值线如图1所示。

图1 不同工况地下水水头等值线（Ⅲ级围岩）

由于隧道的开挖，改变了地下水初始渗流场的排泄途径，围岩内的渗流场也发生了相应的变化，从图1中可以看出，隧道开挖后，无注浆圈工况下排水量较大，达到6.3 m3/d，且水头等高线在围岩中分布较均匀。

隧道施作注浆圈后，隧道附近一定范围内围岩的综合渗透系数被改变，对渗流场有一定影响，隧道周围的渗流场再次发生改变，排水量显著减小，只有1.2 m3/d。

2.2 Ⅳ级围岩计算结果

Ⅳ级围岩条件下地下水水头等值线如图2所示。

图2 不同工况地下水水头等值线（Ⅳ级围岩）

从图2中可以看出，隧道开挖后，无注浆圈工况下排水量较大，达到4.8 m3/d，且水头等高线在围岩中分布较均匀。

隧道施作注浆圈后，隧道附近一定范围内围岩的综合渗透系数被改变，对渗流场有一定影响，隧道周围的渗流场再次发生改变，排水量显著减小，只有1.3 m3/d。

综上所述，隧道施作注浆圈时，改变了隧道附近一定范围内围岩的综合渗透系数，减小了隧道内的排水量。

3 结论

应用有限元软件分别针对两种围岩级别下有无注浆加固圈4种工况，对某高速公路隧道富水区段开挖过程的水—力耦合效应进行了分析。结果表明：注浆圈的施作改变了水头等高线在围岩中的分布情况，无注浆圈时，水头等高线在围岩中分布较均匀，有注浆圈时，水头等高线绝大多数都密集分布于注浆圈区域内。注浆圈的施作，改变了隧道附近一定范围内围岩的综合渗透系数，减小了隧道内的排水量。但排水量并不随注浆圈厚度的增大而有明显减小。数值分析可以很好地反映注浆圈对围岩的止水作用，可为同类工程问题的解决提供依据。