岑溪大隧道涌水原因及数值模拟分析

陈永康

(广西建设职业技术学院，广西 南宁 530003)



岑溪大隧道涌水原因及数值模拟分析

陈永康

(广西建设职业技术学院，广西 南宁 530003)

文章以广西岑溪大隧道上行线CK7+570涌水为例，结合现场地质资料，依据地下水运动规律及试验所得围岩渗透参数，采用ADINA建立岑溪大隧道三维有限元模型，分析隧道涌水的成因机理及地下水渗流特征，并根据相关文献测算出涌水流量，与隧道现场测试最大涌水量进行比较，发现模拟测试结果和现场测试结果接近，说明隧道涌水模拟分析非常有效，可为隧道后续开挖及支护提供理论依据。

岑溪大隧道；涌水；机理分析；数值模拟

0 引言

近年来，我国交通事业得到了长足的发展。为了满足现代运输及人们出行的方便，修建的隧道也越来越多，目前隧道呈现出越修越长、越修越宽、技术越来越难的趋势。隧道在修建过程中各种地质灾害越来越频繁，其中隧道涌水是一种相当普遍且极其容易造成严重后果的工程灾害，对施工人员和设备造成严重甚至灾难性损害[1]。因此，加强隧道涌水的研究，对保障隧道施工，拟定有效

的防治措施，均有非常重要的意义。

岑溪大隧道是广西岑水至水汶高速公路的控制性工程，位于广西岑溪市南部山区内，为上下分离式隧道，上行线长4 288 m，下行线长4 270 m，隧道埋深最大约为645 m。隧址区内有4条发育断裂，地下水补给条件复杂，地应力高，发生涌水的概率非常大，本文以岑溪大隧道上行线CK7+570涌水为例，分析隧道涌水原因，并采用ADINA有限元软件分析地下水渗流特征，并与现场涌水量测算进行对比，从而验证隧道涌水渗流特征，为后续隧道施工预防涌水灾害发生提供理论依据。

1 隧道地质条件

1.1 地形地貌

隧道位于广西东南部的构造侵蚀型低山地貌区，云开大山北麓的东段，峰脊线为西-东北西-南东走向，高程为245～845 m，相对高差600上下，在地表径流侵蚀及长期构造作用下，地形起伏较大，山高坡陡，“V”型沟谷发育，地表植被茂盛。

1.2 地层岩性

表层以第四系残坡积层覆盖为主，局部有风化混合物出露，基岩主要是变质作用下的混合岩(如花岗片麻岩、片麻状花岗岩、石英岩、片麻岩等)组成，岩性以花岗岩为主，存在局部侵入岩脉。矿物成分主要是长石、石英和云母，中～粗粒状颗粒，变质结晶后为块状、片麻状。

1.3 地质构造

隧道区域内受不同规模和不同等级的断层、破碎带发育，在地质勘查时，发现较大的破碎带及断层，分别为岑溪至容县断层和大隆到水汶断层。断层和破碎构造带走向多为NW、SN，其中以NW向为主，与隧道轴线斜交。

2 隧道涌水原因分析

2.1 隧道涌水经过

隧道上行线进口端掘进至CK7+560时围岩出现变化，围岩破碎，节理、裂隙发育。2012年6月22日凌晨3点掘进至CK7+570时，掌子面出现渗水现象，开始是点滴状，随着时间推移变为股状出水并夹泥，掌子面拱顶围岩经常掉块，破碎处围岩出现小规模滑移。经过现场测试，从6月22日下午开始涌水量为2 550 m3/d，直到8月21后一直稳定在2 000 m3/d左右，见图1～2。

图1 隧道涌水示例图

图2 掌子面涌水示例图

2.2 涌水原因分析

根据地质勘查及现场涌水等资料，经过分析，涌水主要由以下4方面造成：

(1)储存条件

隧道在CK7+570附近埋深80 m左右，地势较周边低洼，在长期的地表径流和地质构造作用下形成了一个大垭口。周边的岩体经过挤压机拉伸反复作用，岩体极其破碎，节理裂隙发育，透水能力强，是一个天然的储水库。

(2)地下水的补给

涌水区域地表无较大的储水库，地表水主要是各沟谷的泉水，地表流径发育，溪流密度较大，补给主要是来自松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，其中松散孔隙水主要是大气降雨渗入补给和基岩裂隙水侧向补给；基岩裂隙水主要是大气降雨渗入补给和松散岩孔隙水渗入补给，而发生涌水时正处于丰水期，大气降水给予地下水源源不断的补充。

(3)连通条件

涌水区CK7+560～CK7+980段由于受到地质构造作用下，围岩主要呈破碎状结构，节理、裂隙极其发育，粘性土充填，在断层的影响下岩体裂隙张大、连通性发育，成为了地下水及地表水涌水的连通渠道。

(4)施工影响

地下水的循环早在历史的长久作用下已经稳定，而随着隧道开挖，改变了原有的应力场，并将原来地下水渗流场改变，地下水流动、迁移发生变化，隧道的开挖成为地下水迁移的新廊道，所有的地下水都向这条新廊道中汇集。隧道爆破施工又扰动周边围岩，使得围岩变形，裂隙张大，加速地下水渗流。

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立

地下水的无压渗流是三维自由面渗流问题，因此可以忽略地表水的蒸发量或渗入[2]，根据地质资料及隧道实际开挖断面，利用ADINA建立岑溪大隧道三维有限元模型。

模型区域范围取CK7+560～CK7+680，共120 m(X方向)，隧道埋深度为60～80m。根据现场所测最初最大涌水量，利用隧道涌水量预测的大岛洋志公式进行计算：

(1)

式中：q0——单位长度隧道的最大涌水量，m3/d；

K——围岩渗透系数，m/d；

H——含水层初始顶面到隧道底面高度，m；

r0——隧道洞室半径，m；

d——隧道洞室直径，m；

m——转换系数。

其中q0取2 550m3/d，π取3.14，转换系数m取0.86，隧道横断面用等价圆半径r0取5.25m，d取10.5m，K为25m/d，将这些数据代入式(1)，可以算出含水层厚度为68.63m，根据地勘及水位观测资料知地下水位于地表以下5m，从而隧道中线距离地下水位面65～75m。因此，模型顶面为地下水位线，模型底面取隧道底面以下15m，共85m(Z方向)；横向为隧道中线沿两侧各延伸100m(Y方向)，见图3。

图3 隧道剖面示意图

隧道模型由三个单元组组成：第一组是围岩；第二组是隧道开挖洞身；第三组是隧道衬砌。模型共有539 894个节点，65 120个单元，640个体，采用8节点六面体的方式进行网格划分，见图4。

图4 隧道网格划分示意图

3.2 计算边界条件和参数

目前有限元计算渗流时采用的边界条件有两类：(1)流量边界条件；(2)水头边界条件[3][4]。本次计算模型底面为不透水边界，属第二类边界条件；根据隧道纵断面图及地下水位线，模型最大水头为1 000kPa，属第一类边界条件。

模型中所涉及到的岩土计算参数主要包括围岩等级、岩性、重度、渗透系数、变形模量、泊松比、内摩擦机、粘聚力。根据地质勘查及试验资料确定各参数，见表1。

表1 数值计算参数表

3.3 数值结果分析

(1)水头分析

图5 隧道开挖前总水头云图

图6 隧道开挖一半水头云图

图7 隧道全开挖水头云图

隧道没有开挖时，水头没有发生变化，最大水头是1 000kPa，见图5；隧道上台阶开挖时水头变化情况，最大水头是980kPa(见图6)，比没有开挖的时减少了20kPa；隧道下台阶开挖后的水头变化情况，最大水头是970kPa(见图7)，比上台阶开挖的时候又降低了10kPa，较隧道没开挖时降低了30kPa。说明隧道从开挖到上台阶开挖水头变化较下台阶开挖大，符合水压力消散原理，刚开挖水压力较大，水头变化明显，随着水压的消散，水头变化降低。

(2)自由液面分析

图8 隧道开挖12 m的自由水面云图

图9 隧道全开挖的自由水面云图

图8、图9分别为隧道开挖到12m和完全开挖后的自由液面变化。由图8可知，刚开挖时，自由液面变化不大，主要在模型顶面、底面积隧道周边(特别是隧道拱顶上方)一定范围，而距隧道较远的两侧变化不大。由图9可知，等隧道完全开挖后，地下水不断从隧道流失，自由液面变化较明显，特别是隧道拱顶及拱腰处，降低明显，说明隧道拱顶、拱腰处水位下降范围较大，是涌水的主要来源；隧道底部的自由液面也有一点变化，但范围非常小，说明隧道开挖时，隧道底部涌水有限，量不大。因此对该涌水治理重点是对拱顶及拱腰处。

(3)流速分析

为更好模拟分析流速的变化，在模拟分析时将隧道附近区域单独作为流速分析。

图10 隧道开挖一半流速矢量图

图11 隧道全开挖流速矢量图

由图10～11可知，地下水渗流主要是隧道拱顶、拱腰流向已经开挖区域，且离掌子面越近，水流速度越快，离掌子面越远其流速越小。主要是因为地下水在自重力及水压力作用下，由于掌子面为临空区，地下水的流通通道没有阻力障碍，流至掌子面时压力突然被释放，地下水的速度就明显增加。由图10可知隧道上台阶开挖时，掌子面渗水流速为0.003～0.008 6m/s。如图11所示，隧道下台阶开挖后，掌子面渗水流速为0.001 5～0.006 5m/s。这说明随着隧道掘进，地下水不断流失，水压力降低，致使水的流速慢慢变小。从隧道开挖至完成的时间内，地下水的平均流速为0.005m/s。根据涌水量Q=A*V[5]，其中A为渗水实际过水断面面积，根据勘察资料可知隧道涌水段裂隙率为5%，洞室大小为12.6×10.5m2，算出隧道涌水量为2 857.68m3/d，而隧道现场测试开始最大涌水量约为2 550m3/d，说明两者数值相近。

通过模拟总水头、自由液面、流速的分析，运用水压力公式P=ρgh计算隧道开挖前后地下水下降了3m，为了保障隧道附近居民的正常生活及周边生态环境，需要对涌水进行堵水处治。

4 结语

(1)本文根据隧址区域地形地貌及现场勘探，分析岑溪大隧道上行线CK7+570处发生涌水原因。

(2)运用ADINA有限元软件对隧道涌水进行数值模拟分析，得出隧道涌水主要发生在拱顶、拱腰处，这与实际相符。并算出涌水后地下水位下降3m，这为隧道涌水处治方案应以“堵”提供理论依据。

(3)在隧道现场测试开始最大涌水量约为2 550m3/d，数值模拟分析推算出最大涌水量为2 857.68m3/d，两者数值接近，肯定了数值模拟分析方法，为后续隧道掘进中计算涌水量大小提供参考，为隧道施工中采取预防措施提供依据。

[1]吴明玉，宁殿晶，谢秩琼.隧道涌水的原因分析及治理措施[J]，山西建筑，2010，36(12)：33-37.

[2]王 媛，王 飞，倪小东.基于非稳定渗流随机有限元的隧洞涌水量预测[J].岩石力学与工程学报，2009，10(28)：1183-1188.

[3]陈吉森.连拱隧道地下水渗流场及防排水技术研究[D].南京：河海大学，2006.

[4]李守巨，刘迎曦.岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析[J].岩土力学，2009，7(30)：25-30.

[5]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，2010，4(34)：12-15.

Cenxi Large Tunnel Gushing Causes and Numerical Simulation Analysis

CHEN Yong-kang

(Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning，Guangxi，530003)

With the gushing of Guangxi Cenxi Large Tunnel up-line CK7+570 segment as the example，combined with field geological data，and based on the movement rules of groundwater as well as the surrounding rock permeability parameters obtained from the test，this article established the dimen-sional finite element model of Cenxi Large Tunnel by using ADINA，analyzed the occurrence mechanism of tunnel water gushing as well as the seepage characteristics of groundwater，calculate the gushing flow according to related literature，compared with the largest gushing amount in field tunnel test，and it found that the simulation test results are close to the field test results，indicating that the tunnel gushing simulation analysis is very effective，which can provide the theoretical basis for subsequent tunnel exca-vation and supporting.

Cenxi large tunnel；Gushing；Mechanism analysis；Numerical simulation

陈永康(1975—)，男，硕士，高级工程师，主要从事公路、桥梁工程教学、设计与施工技术服务工作。

U453.6+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.008

1673-4874(2015)01-0033-05

2014-12-10