引汉济渭椒溪河隧道主洞涌水机理分析及处理技术研究

范亦农，魏毅萌，柴军瑞，3，覃源

（1.中国水电建设集团十五工程有限公司，陕西西安 710065；2.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培养基地，陕西西安 710048；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002）

引汉济渭椒溪河隧道主洞涌水机理分析及处理技术研究

范亦农1，魏毅萌2，柴军瑞2，3，覃源2

（1.中国水电建设集团十五工程有限公司，陕西西安 710065；2.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培养基地，陕西西安 710048；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002）

以引汉济渭工程椒溪河工区隧道主洞为主要研究对象，结合此处复杂的地质水文条件，对椒溪河隧道岩体的地质水文情况进行归纳分析，采用工程力学性质、数值模拟方法定性、定量地分析了施工过程中出现的多次涌水问题，总结出该工程隧道涌水的机理，对该工程建设过程中隧道涌水的预防和工程处理提供理论依据。

隧道；涌水；渗流；数值模拟

我国水资源丰富，但南北分布极不平衡，跨流域调水是解决我国水资源优化配置，改善生态环境的重大举措。引汉济渭工程是陕西境内跨流域调水的典例工程，该工程促进了秦岭南北水资源合理利用，对改善关中地区高速发展中日益突出的水资源不足等问题也有着举足轻重的战略意义。引汉济渭工程地跨黄河长江两大流域，横穿秦岭山脉，输水隧洞长度达98 km。输水隧洞是引水工程最重要的组成部分，而秦岭山脉地质条件复杂，隧洞建设中出现了很多的技术问题，其中涌水突泥问题尤为严重，一旦发生，不但会延长施工工期，还会对施工人员的生命安全造成威胁。

引汉济渭工程秦岭隧洞椒溪河工区勘探试验洞，位于秦岭岭南子午河支流椒溪河上游黄泥咀附近。椒溪河工区勘探试验洞支洞洞长324 m，综合纵坡10.44%，交叉口里程K2+575。于2012年10月开工建设，至2012年12月24日勘探试验洞支洞施工完成。椒溪河工区勘探试验洞主洞施工段落为K0+ 046～K6+638，工程长度6 592 m，洞内坡降为1/2527。椒溪河工区勘探试验洞主洞段位于秦岭岭南中低山区，地形起伏，山高坡陡。海拔高度位于750～1 150 m，隧洞洞室的最大埋深为610 m。

从椒溪河隧道的工程地质条件来看，其围岩岩体比较破碎，节理裂隙发育，这些地质条件都会为涌水通道的形成提供有利的条件。

1 定性分析

涌水事故的发生是一个复杂的力学问题。断层、河道水渗流、开挖造成卸荷作用、隧道掌子面核心土、顶地板等都是影响涌水事故的重要因素[1]。现在从力学方面对椒溪河涌水的发生机理进行分析，为简化起见，双向受压概化模型如图1所示。

图1 隧洞双向受压模型Fig.1 Bi-directional compression model of tunnel

图1中，断层倾角为α，断层受到主压应力为σ1，最小压应力为σ3，断层充填物黏聚力与内摩擦角分别为cf和φf，断层面上的应力可以表示为

断层面发生活化涌水的准则为

在隧道开挖前或者开挖掌子面还未到达影响区，称之为“正常掌子面”。这时，涌水段的破碎岩体饱水度增高，河道水此时基本静止，因为外力作用，此时涌水段很难排水，从而逐渐产生孔隙水压力，隧道岩体中的压碎岩、角砾石等骨架所受到的压力相对变小，导致岩体强度迅速降低[2-4]。根据Mohr-Coulomb强度准则推算，孔隙水压力作用下的岩体剪切强度为

式中：σ′为有效应力；pw为孔隙水压力。

隧道在该段埋藏较浅，位于椒溪河河道下方，所以造成此段岩体水头高于周围岩体，隧道施工开挖至该段前面一定距离时，河道水沿着断裂带下渗，形成带状含水层，造成孔隙水压力上升，导致岩体剪切强度逐渐下降。

当隧道施工开挖至易涌水段时，此时开挖施工过程会导致围岩卸荷，洞室围岩会产生破裂区，导致河椒溪河河道水的水流方向发生改变，水流由静止状态逐渐变为流动状态，水流会逐步冲刷岩体裂隙、空隙，具体表现是在已开挖段出现淋水、股状涌水等现象。地下水会不断向已开挖隧洞洞室汇集，而破碎带的岩体非常松散，空隙率较大，岩块之间的泥钙质胶结可溶于水的物质较多，从而逐渐被河水带走，导致岩块之间的空隙越来越大，最后相互连通，逐渐被水冲淘成大小不等的空腔。空腔随着水量聚积而不断扩大，形成突涌混合物的储存空间，并不断向掌子面扩展，同时地下水运动、搬移压碎岩、角砾石，也会形成相当大的冲击力[5-6]。

当隧道开挖施工到断层带时，因为开挖卸荷，如果隧道掌子面不能及时得到工程上的支撑、施工方法不当或者水的浸泡会造成核心土松散，得不到充分的支撑力时，σ3会变得非常小，近乎0，而地下水的静力侵蚀和开挖后的动力冲蚀也会造成cf与φf减小，活化应力强度[σ1]active也会随之降低[7-8]。

涌水突泥事故的发生就是由于隧道掌子面不足以支撑突涌混合物的重力、侵蚀力和冲击力[9]。

通过分析研究发现：椒溪河工区隧道涌水的水源来自于椒溪河的河水，而涌水的通道是贯通于椒溪河河道和隧道之间的集中渗漏通道，这一点从隧道内冲出小鱼可以反映出来。该渗漏通道是在隧道围岩的岩性，围岩的地质构造，岩溶作用及隧道的施工扰动等4个因素的共同作用下形成的。

2 定量分析与计算模型

通过对涌水机理的分析，可以断定涌水大多是来自于椒溪河的河水，现对涌水进行数值计算分析。由于隧道开挖的扰动，隧道围岩的初始渗流场和应力场发生变化，并且两场进行相互作用，该作用称为水岩耦合作用[4]。分别对河道水位为570 m、573 m、576 m进行隧道开挖前后渗流场及涌水量的数值模拟计算。

现应用有限元软件对引汉济渭椒溪河隧道主洞在开挖过程中，在不同河道水位的情况下，隧道开挖前后隧道围岩渗流场分布特性及隧道涌水量大小进行分析研究。

2.1 有限元渗流计算分析原理

基本可以认定，地下水的运动服从不可压缩流体的饱和稳定达西渗流规律。

2.1.1 渗流的基本微分方程

稳定渗流的基本微分方程可根据水流连续性方程表示为

研究稳定的渗流过程，基本微分方程的定解条件仅含边界条件。

2.1.2 渗流有限元分析的基本方程

当渗流主轴的方向和坐标轴方向相同时，依据变分原理，三维渗流定解问题基本类似于求能量泛函的极值问题[10]，即：

2.1.3 渗流量的计算

渗流量计算是指通过某一指定过水断面的流量。若指定过水断面是由一系列平面单元组成，则通过该过水断面的流量为

式中：q（ηi，ζi）为被积函数；n为积分点数；Hi为加权系数。

2.2 计算模型

本次计算模拟的对象选取隧道里程桩号范围为K2+735～K2+855。椒溪河隧道主洞标准断面为马蹄形。

在图3所示三维有限元模型中，共剖分为28 181个节点，91 428个单元，计算所取边界条件为：1）河床处为第一类（已知）水头边界，水头为河床水位；2）模型隧洞开挖面按透水边界考虑。各材料均按各向同性材料考虑。

图2 椒溪河隧道主隧洞断面示意图Fig.2 Sketch map of the main tunnel section of Jiaoxihe Tunne

图3 三维有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model

表1 隧道围岩渗流力学计算参数Tab.1 Mechanical parameters of tunnel surrounding rock seepage

对各工况进行了数值模拟，得到各工况下的总水头云图，为了更好的观察隧洞周围的水头分布情况，对模型进行了切片处理，切片分别为x=0 m和y= 1.5 m，分21个工况进行切片分析，本文只展示了其中2个工况的切片分析图。

对各个工况经过数值建模进行渗流分析可得，在未经任何处理的情况下，随着河道水位的逐步升高，隧洞的涌水量也显著增大，可知灌浆能显著降低隧洞的涌水量。对洞前进行灌浆和对隧洞周围岩体进行灌浆都能显著降低隧洞的涌水量，但不论是洞前灌浆还是对隧洞周围岩体进行灌浆，灌浆6 m相比灌浆3 m效果不明显。同时对隧洞洞前和对隧洞周围岩体进行灌浆时，隧洞涌水量降幅非常明显，在3种河道水位情况下，该措施都能降低隧洞涌水量达77%以上。在洞前和洞周同时灌浆的情况下，灌浆6 m虽比灌浆3 m能更多地降低隧洞涌水量，但降幅不大，建议可采用在可能发生隧洞涌水的情况下，在隧洞开挖前，对隧洞掌子面向隧洞开挖方向进行灌浆处理，灌浆深度视岩层性质而定，对椒溪河段，采用3 m即可，在隧洞开挖后，应尽快对隧洞周围岩体进行灌浆，灌浆深度视岩层性质而定，对椒溪河段，采用3 m即可。

通过数值计算表明，在不同河道水位高度作用下，分析总结了隧道开挖前后的渗流场的分布规律，以及涌水量大小的计算。通过对比分析可知，隧道围岩空隙水压力和隧道开挖涌水量同河道水位高度近似成正比例关系，但是，两者随河道水位高度的增长率不大。

图4 工况一Fig.4 Working condition I

图5 工况八Fig.5 Working condition VIII

3 结论

通过对椒溪河隧道开挖涌水事故的研究和分析，并对椒溪河工区隧道发生用水的机理进行定性和定量分析，可得以下结论：

1）为了预防涌水，可采用钻孔探水，直观明了，且较好的孔位布置探水成功率都在95%以上。

2）一旦发生涌水现象，必须立即实施封堵灌浆，封堵灌浆可有效控制涌水突泥现象，由于一般很难第一时间判断涌水水源和涌水量，加之施工用电及抽排水设备难以保证，对工期极易产生影响，进而施工成本增加，处理不当会造成淹洞甚至安全事故。

3）堵漏灌浆要取得较好的效果，必须最大限度地将涌水通道中的填充物清理掉。涌水通道常常不是一个单一的通道，很有可能出现旁通通道，这是特别要关注的。一般旁通通道很长时间才能被水冲开。

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AnalysisoftheWaterGushingMechanismoftheMainHoleoftheJiaoxiheTunnel and the Treatment Method of Hanjiang-to-Weihe Water Conveyance Project

FAN Yinong1，WEI Yimeng2，CHAI Junrui2，3，Qin Yuan2
（1.China Hydropower Construction Group No.15 Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710065，Shaanxi，China；2.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；3.College of Hydraulic and Environmental Engineering，Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

With the main hole of Jiaoxihe Tunnel of Hanjiang to Weihe Water Conveyance Project as the main research object，and considering the complex geological and hydrology conditions of the place，this paper explores the geological and hydrologic conditions of the rock mass of the tunnel.Using engineering mechanics properties and numerical simulation method itanalyzes the problem of repeated water gushing occurred in the construction process of both qualitatively and quantitatively.In the end the paper summarizes the mechanism of tunnel water gushing in the construction process in order to provide the theoretic basis for the prevention and treatment.

tunnel；water gushing；seepage；numerical simulation

2015-09-02。

（编辑 李沈）

1674-3814（2016）05-0123-05

U452.1+2

A

动荷载作用下混凝土细观缺陷结构的损伤演化机理研究（No.51409208）。

Project Supported by the National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China（No.51409208）.

范亦农（1966—），副总工程师，企业发展部主任，高级工程师，从事水利施工、安全、管理等方面研究及工作。