高水压富水区裂隙岩体隧道渗流场的特征

高新强，艾旭峰，孔　超

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄　050043；2.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄　050043；3.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都　610031；4.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都　610031)

在高水压富水区修建隧道是隧道工程界的技术难题。大量的工程实践证明：在高水压富水区，围岩的稳定性、地下涌(突)水和衬砌水压力是关系到隧道能否修建成功的主要因素。同时，在当今环保要求较高的条件下，还必须重视隧道修建对地下水环境的影响[1-2]。

许多学者通过试验[3-4]或数值模拟[5-12]的方法，对隧道渗流问题进行了研究。目前，结合裂隙岩体隧道工程的开挖、注浆堵水、结构防排水等特点对裂隙岩体隧道渗流场所进行的数值分析多采用有限元连续介质方法，而裂隙岩体隧道渗流模型中应包含离散介质和连续介质，因此仅采用连续介质进行数值模拟存在诸多问题。针对这些问题，本文采用离散元法，基于三维离散元软件3DEC，仅考虑渗流场，忽略应力场与渗流场的耦合作用，建立裂隙岩体隧道渗流分析数值模型，分析隧道主要施工过程(开挖、喷混凝土、衬砌)中隧道渗流场的变化规律和特征，并分析围岩裂隙宽度、注浆圈厚度、注浆圈渗透系数及喷混凝土渗透系数等主要渗透参数对隧道渗流场的影响规律，为裂隙岩体隧道水荷载的确定提供理论支持。

1　离散元分析模型

1.1　模型尺寸

计算模型在x，y，z轴上的长度分别为200，190，4 m。隧道中心距模型的顶面100 m，距模型的底面90 m，距模型的左、右侧面均为100 m，如图1所示。计算模型中建有垂直于隧道轴向(z轴方向)的贯通裂隙，图1(b)中模型侧面不同颜色的交界处即为裂隙，假定裂隙为光滑平行，裂隙宽1 mm。

1.2　水压力边界条件

计算模型顶面边界外水压力为0，前后端面为不透水边界，其余边界按静水压力边界施加。水压力边界条件如图2所示。

图1　渗流数值模型

图2　水压力边界条件(单位：MPa)

2　隧道施工过程中渗流场的变化规律

2.1　初始渗流场

隧道未开挖情况下的初始渗流场如图3所示。由图3(a)可知：初始渗流场的水压力仅与高度位置相关，即处于静水压力状态。由图3(b)可知：渗流速度为0，表明在外边界不透水的情况下初始渗流场为静水场。

图3　初始渗流场

2.2　毛洞渗流场

未注浆情况下开挖隧道，模型外部水压力边界条件不变，内部在开挖轮廓面处设置1个固定孔隙水压力为0的渗流边界条件，渗流平衡后毛洞的渗流场如图4所示。由图4可知：隧道开挖后，裂隙中的地下水向隧道中心流动，在开挖暴露面上流速最大，在隧道周围形成降水漏斗，导致地下水大量流失(16 600 m3·(m·d)-1)，隧道上部地下水水位明显下降。

图4　毛洞渗流场

计算过程中对隧道各部位径向围岩中水压力的分布进行监测，监测线位置如图5所示。

图5　水压力监测线位置

渗流平衡后，裂隙中各监测线上不同部位的水压力如图6所示，图中横坐标表示监测线上的点到开挖轮廓面的径向距离。由图6可知：隧道开挖后对其上部和隧道周边0～30 m范围内的渗流场影响最为显著；到开挖轮廓面的径向距离越远开挖对水压力的影响越小。

2.3　施作5 m注浆圈并开挖后隧道渗流场

注浆后，注浆区域裂隙的渗透性将减小，因此模型中通过减小注浆区域裂隙的宽度来模拟注浆效果。设注浆区域裂隙宽度为0.05 mm，为未注浆区域裂隙宽度的1/20，注浆圈区域裂隙的渗透系数为未注浆区域裂隙渗透系数的1/400。注浆圈厚度为5 m，内外部水压力边界条件不变。

渗流平衡后隧道渗流场如图7所示。由图7(a)可知：裂隙中的水压力受影响的范围主要集中在注浆圈区域，注浆圈以外区域基本恢复静水压力状态。由图7(b)可知：水压力在开挖轮廓面处为0，然后沿径向递增，在注浆圈范围以外逐渐趋近静水压力，说明注浆圈起到了堵水的目的。由图7(c)可知：裂隙中的地下水在注浆圈区域内较注浆圈以外区域流速大，注浆圈区域流速在0.02～0.06 m·s-1范围内，此时，由裂隙渗入隧道的水量约为9.5 m3·(m·d)-1，约为注浆前渗水量(16 600 m3·(m·d)-1)的1/1 660。

图6　毛洞渗流场各监测线上各点的水压力

图7　施作5 m注浆圈并开挖后隧道渗流场

2.4　施作喷混凝土后隧道渗流场

3DEC 4.10版本中，流体仅能在裂隙中渗透，块体是不透水的。因此，在模拟喷混凝土等连续介质的渗透性时，需要用裂隙介质的渗透性来等效。模型中喷混凝土块体的渗透性采用对应裂隙的渗透性来等效，等效过程中主要考虑流体径向的渗流，用多条径向裂隙来模拟，如图8所示。

图8　喷混凝土层数值模型

喷混凝土的厚度为0.28 m，渗透系数为1×10-8m·s-1；模型外部渗流边界条件不变；在喷混凝土内表面设置1个固定孔隙水压力为0的渗流边界条件，模拟施作喷混凝土后的渗流状态。

施作喷混凝土后隧道渗流场如图9所示。由图9(a)可知：注浆圈与喷混凝土接触面上水压力显著增加，增加至0.40～0.45 MPa，而注浆圈和围岩分界面与施作喷混凝土前相比未发生显著变化。由图9(b)可知：施作喷混凝土后，对渗流场的主要影响范围在注浆圈区域和喷混凝土区域，在喷混凝土区域(0～0.28 m)内，水压力变化迅速，其变化范围约为0.45 MPa；注浆圈区域(0.28～5 m)内，水压力变化值相比喷混凝土施作前有所减小，由施作前的约1 MPa减小为施作后的约0.55 MPa。由图9(c)可知：施作喷混凝土后，由于喷混凝土渗透系数小，起到了限流作用，注浆圈区域内裂隙中地下水的流速有所减小，流速在0.015～0.04 m·s-1范围内，流动方向基本未发生变化。

施作喷混凝土后由裂隙渗入隧道的总水量约为5.6 m3·(m·d)-1，约为喷混凝土施作前渗水量(9.5 m3·(m·d)-1)的3/5。

图9　施作喷混凝土后隧道渗流场

2.5　施作二次衬砌后隧道渗流场

模型中在左、右墙脚位置各设置φ10 cm纵向盲管，纵向盲管与垂直裂隙贯通。模型外部渗流边界条件不变，内部在纵向盲管出口位置设置固定孔隙水压力为0的排水边界条件，模拟全排的情况。

渗流平衡后隧道渗流场如图10所示。由图10(a)可知：施作二次衬砌后，喷混凝土区域内，水压力的变化范围与施作二次衬砌前相比有所增大，约为0.6 MPa，注浆圈区域水压力变化范围相应减小，约为0.4 MPa；由图10(b)可知：对渗流场的主要影响范围为注浆圈和喷混凝土区域；由图10(c)可知：施作二次衬砌后，裂隙中的地下水经过围岩、注浆圈、喷混凝土，在二次衬砌背后向纵向盲管处汇集、排出。此时，由裂隙渗入隧道的总水量约为3.5 m3·(m·d)-1，约为施作二次衬砌前渗水量(5.6 m3·(m·d)-1)的7/10。

图10　施作二次衬砌后隧道渗流场

3　渗透参数对隧道渗流场的影响

围岩裂隙宽度、注浆圈厚度、注浆圈渗透系数及喷混凝土渗透系数等渗透参数对隧道施工过程中隧道渗流场会产生影响。

模型采用施作喷混凝土后的渗流离散元数值模型，其各参数的初始值见表1。

3.1　岩体裂隙宽度对隧道渗流场的影响

围岩裂隙宽度范围取0.2～1.8 mm，每次变化0.2 mm，其他参数不变，不同围岩裂隙宽度时的水压力和渗水量如图11和图12所示，图中“1点”指监测线1与喷混凝土和围岩接触面的交点处，其余类同。由图11可知：随着裂隙宽度的增大，喷混凝土与注浆后围岩接触面处的水压力也逐渐增大，水压力变化范围约为0.2 MPa。由图12可知：渗入隧道的水量随着围岩裂隙宽度的增加而增大，其变化趋势与水压力变化趋势基本一致，渗水量变化值约为0.3 m3·(m·d)-1。

表1　模型参数的初始值

图11　水压力与围岩裂隙宽度的关系

图12　隧道渗水量与围岩裂隙宽度的关系

3.2　注浆圈厚度对隧道渗流场的影响

注浆圈厚度的取值范围为0～20 m，每次增加2 m，其他参数保持不变。水压力与注浆圈厚度的关系如图13所示。由图13可知：随着注浆圈厚度的增加，水压力逐渐减小；对裂隙岩体进行注浆后，注浆圈的厚度在0～8 m之间变化时对喷混凝土背后的水压力的影响最为显著，水压力变化值约为0.7 MPa；随着注浆圈厚度的进一步增大，影响减弱。考虑到施工水平和经济效益，堵水时建议注浆圈厚度采用3～8 m。

图13　水压力与注浆圈厚度的关系

隧道渗水量与注浆圈厚度的关系如图14所示。由图14可知：随着注浆圈厚度的增加，隧道渗水量逐渐减小，其变化趋势与水压力的变化趋势基本一致；注浆圈厚度在0～8 m之间变化时对隧道渗水量影响较为显著，渗水量变化值约为8 m3·(m·d)-1；超过8 m以后，影响减弱，渗水量变化值仅为2 m3·(m·d)-1左右。

图14　隧道渗水量与注浆圈厚度的关系

3.3　注浆圈渗透系数对隧道渗流场的影响

分析中注浆圈渗透系数采用等效渗透系数，逐渐减小围岩裂隙宽度，以实现注浆圈渗透系数由大到小的变化。

水压力与注浆圈等效渗透系数的关系如图15所示。由图15可知：各监测点的水压力随着注浆圈等效渗透系数的增加而增加，注浆圈等效渗透系数小于2.0×10-7m·s-1时对喷混凝土背后水压力影响显著，注浆圈内水压力变化值约为0.9 MPa，当注浆圈等效渗透系数大于2.0×10-7m·s-1之后，水压力变化较为平缓，变化值约为0.1 MPa；当注浆圈渗透系数大于1.0×10-7m·s-1时，喷混凝土背后的水压力较大。因此采用注浆堵水时，建议注浆圈等效渗透系数小于1.0×10-7m·s-1。

图15　水压力与注浆圈等效渗透系数的关系

隧道渗水量与注浆圈等效渗透系数的关系如图16所示。由图16可知：隧道渗水量随着注浆圈等效渗透系数的增大而增加，其变化趋势与喷混凝土背后水压力变化趋势基本一致；注浆圈等效渗透系数小于2.0×10-7m·s-1时，对隧道渗水量影响显著，渗水量的变化值约为11 m3·(m·d)-1；注浆圈等效渗透系数大于2.0×10-7m·s-1后，影响大大减弱，在2.0×10-7～1.0×10-6m·s-1范围内，渗水量的变化值不足2 m3·(m·d)-1。由此可知，注浆圈等效渗透系数小于2.0×10-7m·s-1时堵水效果最为显著。

图16　隧道渗水量与注浆圈等效渗透系数的关系

3.4　喷混凝土渗透系数对隧道渗流场的影响

喷混凝土厚度多在20～30 cm之间，其变化范围较小，对渗流场的影响不显著，故仅分析喷混凝土渗透系数对隧道渗流场的影响。

水压力与喷混凝土渗透系数的关系如图17所示。由图17可知：喷混凝土渗透系数在小于4×10-8m·s-1时，对其背后水压力影响显著，水压力变化值最大可达0.9 MPa；当喷混凝土渗透系数大于4×10-8m·s-1(此时，喷混凝土渗透系数与注浆圈渗透系数的比值约为1.54，即两者渗透系数基本相当)后，对水压力的影响逐渐减弱，水压力变化值很小，仅为0.1 MPa左右。

图17　水压力与喷混凝土渗透系数的关系

隧道渗水量与喷混凝土渗透系数的关系如图18所示。由图18可知：在围岩裂隙宽度为1 mm，注浆圈等效渗透系数为2.6×10-8m·s-1的情况下，喷混凝土的渗透系数在0～4.0×10-8m·s-1范围内变化时，对隧道渗水量的影响最为显著，其变化值约8 m3·(m·d)-1；当喷混凝土渗透系数大于4.0×10-8m·s-1后，影响大大减弱，渗水量变化值不足2 m3·(m·d)-1。随着喷混凝土渗透系数继续增大，隧道渗水量趋于此种情况下的上限值，约为10 m3·(m·d)-1。

图18　隧道渗水量与喷混凝土渗透系数的关系

分析中，裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土三者渗透性的初始比是恒定的，当三者的渗透系数之间初始比变化时，喷混凝土背后水压力或隧道渗水量的变化规律基本一致，影响显著的范围有所不同，即曲线的陡缓不同。文献[11—14]做过类似的分析计算。

4　结　论

(1)高水压富水区裂隙岩体隧道施工过程中渗流场特征：①隧道开挖前，初始渗流场为静水场；②在未注浆情况下开挖隧道，对隧道渗流场影响显著，地下水大量流失(16 600 m3·(m·d)-1)，隧道上部地下水的水位面明显下降；③注浆后开挖隧道，对注浆圈(厚5 m)范围内的渗流场影响显著，对注浆圈外裂隙围岩渗流场影响不显著，隧道渗水量约为9.5 m3·(m·d)-1，约为注浆前的1/1 660；④施作喷混凝土后，对喷混凝土和注浆圈范围内渗流场影响显著，对注浆圈外裂隙围岩渗流场影响不显著，隧道渗水量降低为5.6 m3·(m·d)-1，约为施作前的3/5；⑤施作二次衬砌后，喷混凝土内水压力变化范围有所增大，注浆圈区域内水压力变化范围相应减小，隧道渗水量降低为3.8 m3·(m·d)-1，约为施作前的7/10。

(2)围岩裂隙宽度、注浆圈厚度、注浆圈等效渗透系数及喷混凝土渗透系数等对裂隙岩体隧道渗流场的影响规律：①围岩裂隙宽度在0.2～1.8 mm之间时，喷混凝土背后的水压力及隧道渗流量均随着裂隙宽度的增大而增大，但变化范围较小；②随着注浆圈厚度的增加，喷混凝土背后水压力和隧道渗水量均减小，注浆圈厚度在0～8 m之间时，对喷混凝土背后水压力和隧道渗水量影响均显著，而超过8 m后，影响大为减弱；③随着注浆圈等效渗透系数的增加，喷混凝土背后水压力和隧道渗水量均增加，注浆圈等效渗透系数小于2.0×10-7m·s-1时，对喷混凝土背后水压力和隧道渗水量影响显著，而大于2.0×10-7m·s-1后，影响大为减弱；④喷混凝土背后的水压力随着喷混凝土渗透系数的增加而减小，而隧道渗水量随着喷混凝土渗透系数的增加而增大，喷混凝土渗透系数小于4.0×10-8m·s-1时，对喷混凝土背后水压力和隧道渗水量影响均显著，而大于4.0×10-8m·s-1后，影响不再明显。

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