考虑渗流作用的富水区域公路隧道围岩稳定性研究

邓皇根

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

当修建隧道处于地下水发育区域或雨季时候，开挖过程中需考虑地下水的影响，隧道相关设计与施工规范中明确规定了如遇地下水如何处理，如采取“放排截堵”等措施，当隧道穿越富水区域，在施工过程中地下水渗漏等问题屡见不鲜，严重时出现垮塌涌水等工程灾害[1]。在隧道修建施工过程中，地下水会发生流动迁移，围岩应力重新分布形成应力场，其与地下水渗流场之间发生相互作用，不同于干旱区域，隧道开挖时考虑渗流作用显得非常重要，两者相互影响将导致围岩物理性质与渗透性质发生改变，因此如对隧道富水区域围岩稳定性进行研究分析，那么地下水渗流作用一定要考虑进去[2]。处于富水区域的隧道无论是在修建过程中或者是在运营过程中，地下水的影响都是非常明显的，国内外许多专家学者们对海底隧道或者是富水隧道进行研究分析，其考虑渗流作用且延伸到流固耦合理论，利用相关软件与基础知识进行数值模拟，得出相关结果更接近于真实数值[3-4]。考虑地下水的渗流作用，鉴于FLAC3D已经成熟地将渗流与耦合理论结合起来得到较好的数值模拟结果，通过模拟考虑渗流作用下的单向两车道公路隧道，对评价考虑渗流作用的隧道围岩稳定性提供参考。

鉴于隧道所处位置有着不同地理条件、地下水位与施工方案，考虑渗流作用的富水区域公路隧道围岩稳定性也有所不同，为更加接近实际情况，模拟中要更加贴近真实水位与围岩真实物理力学性质等[5]。运用FLAC3D软件设置渗流模式实现富水区域隧道的地下水渗流，通过分析隧道围岩位移、塑性区及渗流场分布规律，总结相关结果对隧道围岩稳定性进行评估，为公路隧道富水段设计加固与施工提供参考意见。

1 工程概况

以山西某单向两车道公路隧道富水段为研究对象，隧道全长860m，其中富水段长度为233m，最大埋深132m，最高水位距离隧道顶部20m左右，隧道上覆地表为硬塑状的第四系残坡积层粉质粘土，下穿为泥质结构厚层状构造的侏罗系中统沙溪庙组紫红色泥岩地层，主要由水云母等粘土矿物组成，隧道区域地下水主要由裂隙水组成，据相关地质与水文资料，结合钻探以及土体测验等结果分析得出围岩划分为IV级围岩。

2 隧道数值模型与物理力学参数

隧道宽11m，高9m，数值模型轴向取2m开挖步长，据圣维南原理确定影响范围为3～6倍洞直径[6]，建立100m×100m×2m的数值模型，采用M-C弹塑性本构模型，设置渗流边界条件：顶部施加相应水深下的地下水压力边界，两端与底部位置设置为不透水，围岩掘进面设置为透水；数值模型力学边界：左右两端为水平约束，底部为竖直约束，隧道顶部为自由。初支设置为厚度26cm的C25喷射混凝土，二衬设置为55cm的C30钢筋混凝土，由于锚杆等加固措施使得周边围岩形成一定范围加固区，数值模拟中可提高周边岩土体参数得以实现，初支采取shell单元，加固圈与二衬采用实体单元进行模拟，富水区域公路隧道围岩物理力学参数取值如下表1。针对IV级围岩通过是否设置渗流模式对有无渗流作用的隧道围岩稳定性进行研究。

表1 围岩物理力学参数取值

3 富水区公路隧道围岩稳定性分析

围岩位移、应力与塑性区呈现一定关系，塑性区越发展则围岩塑性变形越大，由于工程在施工前存在不可预测危险，需对相关问题进行建模，分析隧道施工安全性以及运营隧道耐久性，通过分析模拟结果初步判断隧道结构是否存在失稳破坏的可能性。隧道施工若在富水区域或者雨季期间，地下水发育且发生迁移流动，那么考虑渗流作用对隧道的影响更接近于实际工况，建立是否考虑渗流作用的数值模型，对隧道围岩渗流场、位移场、塑性区模拟结果进行分析，评价富水区域隧道稳定性。由于公路隧道结构表现对称，取左半部分进行分析，在拱顶、拱腰、边墙、拱脚、拱底部位建立监测点对围岩稳定性进行监测。

3.1 渗流作用下的围岩渗流场

地下水在隧道开挖后会发生一定范围流动，在隧道施工阶段不断变化，许多学者们已得出隧道开挖面会形成临空零水压力面，周边地下水会向隧道开挖面周围发生渗流，隧道周围地下水压力在开挖后可能会迅速增大，所以防水措施显得尤其重要。FLAC3D通过设置渗流模式实现渗流作用，无渗流作用则直接以静水压力施加。

图1、图2分别为考虑渗流作用的围岩渗流场与渗流矢量图，对其进行分析得出以下观点：

(1)周边围岩地下水压力随隧道开挖后逐渐下降，在自重引力作用下地下水向隧道开挖临空面进行迁移渗流，由于隧道开挖面地下水压力为0与周边围岩存在水力差会导致渗流场的变化，隧道上部围岩地下水压力迫降形成了一个“漏斗状”的渗流场。

(2)隧道围岩渗流场受隧道施工影响，距开挖面越远受隧道开挖影响越小，地下水压力也较为接近初始状态，隧道拱脚渗流矢量显著大于其余部位，说明拱脚处水压力较大将可能导致围岩失稳破坏，所以在隧道施工期间的拱脚防排水措施显得尤为重要。

图1 考虑渗流作用的围岩渗流场云图(单位：Pa)

图2 考虑渗流作用的围岩渗流矢量分布

3.2 有无渗流作用下的围岩位移场

对隧道围岩拱顶、拱腰、边墙、拱脚、拱底(左半部分)的位移场数值结果进行分析，得出有无渗流作用下隧道围岩位移变化规律，以对隧道的稳定性进行评估。隧道不同部位的位移不同，同一位置是否考虑渗流作用的围岩位移也有所不同。图3与图4分别为不考虑渗流作用及考虑渗流作用的隧道围岩竖向位移场云图(水平位移数值结果较小，本文不再赘述)，图5为有无渗流围岩竖向位移对比图，竖向位移表示为沉降或隆起，不区分正负号。

图3 不考虑渗流作用的隧道围岩竖向位移(单位：m)

图4 考虑渗流作用的隧道围岩竖向位移(单位：m)

图5 有无渗流作用的隧道围岩竖向位移

由图3～图5的有无渗流作用下的围岩竖向位移可以看出：

(1)考虑地下水的渗流作用，渗流场影响应力场，应力场改变导致位移变化，由于地下水作用导致围岩性质变差。考虑渗流作用的隧道各部位的竖向位移均增大。究其原因，是由于考虑渗流作用，地下水往隧道开挖面涌入导致围岩总应力增加，围岩遇水性质变差，据相关力学理论，围岩变形将同步增大，可以看出地下水的存在对隧道稳定性存在着巨大影响，如水位继续上升，隧道位移将持续增大，应重视地下水的影响，做好防排水设计与施工。

(2)无论有无渗流作用，竖向位移较大处发生在拱顶与拱底，这一点符合相关研究结果，拱顶均发生沉降，拱底均发生隆起。有无渗流作用差值较大处发生于拱腰与边墙，是由于拱腰与边墙周围地下水压力内外相差较大，地下水挤入导致变形较大，虽然拱脚位置渗流量较大，但由于封闭成环主要是剪切变形，其竖向变形反而不大。

(3)考虑渗流作用的拱顶沉降为5.2mm，较之不考虑渗流的4.9mm增大了0.3mm；考虑渗流作用的拱底隆起为6.9mm，较之不考虑渗流的6.6mm也增大0.3mm；地下水在拱顶处向内涌入，围岩失水固结产生沉降，地下水于拱底向上发生迁移流动，在拱底到拱脚处，隧道整体仰拱圈部位均向上移动，对隧道形成一个向上浮动的力导致拱底及拱脚隆起均增大，拱顶与拱底位移过大将导致隧道失稳。

3.3 有无渗流作用下的围岩塑性区

从位移场数值结果已发现是否考虑渗流对隧道稳定性有着较大影响，考虑渗流的围岩位移有所增大，说明围岩塑性变形也随之增加，位移与塑性区最能直观反映出围岩的变形趋势，所以分析位移与塑性区是非常有需要的。从塑性区可以看出隧道各部位分别可能发生哪种类型破坏，有三种类型：拉伸破坏、剪切破坏与拉伸剪切复合破坏。图6与图7分别为有无渗流的隧道围岩塑性区分布图，图中，隧道轮廓中心阴影区为拉伸塑性区、两底角为剪切拉伸复合塑性区，其余为剪切塑性区。利用FLAC3D的FISH语言编写求解出隧道围岩塑性区体积如表2所示。

图6 不考虑渗流作用的隧道围岩塑性区

图7 考虑渗流作用的隧道围岩塑性区

表2 隧道围岩塑性区体积 m3

对图6、图7与表2的隧道围岩塑性区数值结果进行分析得出：

(1)无论是否考虑渗流，塑性区均会随隧道开挖过程逐渐发展，拱顶与拱底存在拉伸塑性区，说明两者位置存在拉伸破坏的可能性；拱腰、边墙与拱脚处的塑性区变现为剪切塑性区，三者位置存在剪切破坏的可能性；拱底与拱脚接触位置存在拉伸剪切复合塑性区，有可能发生拉伸破坏也有可能发生剪切破坏；一般而言危险程度划分为拉伸剪切复合塑性区>拉伸塑性区>剪切塑性区，拱顶拉伸破坏易掉块，拱脚与拱底易发生拉伸与剪切破坏。

(2)对比有无渗流作用下的隧道围岩塑性区，可发现考虑渗流的各部位塑性区较之无渗流明显增大，拱顶拉伸塑性区向上发展并且范围显著变大；拱腰与边墙剪切塑性区向左右两侧发展且范围也显著增大；拱脚与拱底三种类型塑性区均明显发展；由于考虑渗流更接近于实际，所以拱顶、边墙与拱脚位置更易发生变形破坏。

(3)从塑性区体积分析，剪切塑性区发展较大，拉伸剪切复合塑性区发展最小，说明考虑渗流作用会引起隧道发生剪切变形，主要发生于边墙与拱脚位置处，在隧道富水区域应该对边墙与拱脚处的位移及应力进行详细监控量测且做好防排水设计，防止由于地下水压力过大引起塑性区过分发展，造成突水涌泥等工程灾害。

4 结论

以富水区域公路隧道为研究对象，在FLAC3D软件中通过设置渗流模式实现地下水在隧道中的流动，通过分析有无渗流作用下隧道围岩渗流场、位移场以及塑性区对隧道各部位是否稳定作出评价，得到了以下结论：

(1)周边围岩地下水压力差导致隧道形成“漏斗”渗流场，拱脚处地下水压力变化最大使得拱脚围岩存在失稳破坏的可能性，因此在富水区隧道施工过程中应加强拱脚防排水设计，必要时加强该部位的结构。

(2)考虑渗流的围岩各位置竖向位移均增大，地下水于拱顶处向内涌入导致失水固结产生沉降，地下水于拱底向上发生迁移流动导致仰拱圈向上浮动，其中拱顶与拱底位移过大将导致隧道失稳。

(3)拱顶拉伸塑性区易发生掉块风险，拱脚与拱底易发生拉伸剪切复合破坏，考虑渗流的各部位塑性区较之无渗流显著增大，拱顶、边墙与拱脚易发生变形破坏，边墙与拱脚位置处剪切塑性区发展说明考虑渗流隧道会发生明显剪切变形，应在边墙与拱脚加强防排水设计，以防发生突水涌泥等风险。