渗流作用下不良地质段隧道变形研究

潘 建

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

随着隧道工程数量的不断增加，越来越多的隧道在不良地质环境下进行建设。关于不良地质环境下的隧道施工，现已有较多研究，如邓思远等人探讨了FLAC渗流模型中的建模问题［1］、李地元等人以某隧道为背景，探讨了隧道施工时的渗流机制［2］、李鹏飞等人对不良地质隧道在不同施工阶段下的孔隙水压力情况进行分析［3］。对于不良地质段的隧道而言，其施工过程中极易遇见大变形和局部坍塌等事故，特别是有着较高孔隙率的不良地质段，当其存在较高的地下水位时，隧道施工时存在渗流场作用，导致衬砌结构的受力状态会有所变化。从确保施工安全和质量的角度上看，对该种隧道施工进行进一步的分析研究具有实用价值。

2 工程概况

以香炉山隧道项目为研究对象，根据施工图纸地质资料，洞内Ⅲ类围岩占30.3%，Ⅳ、Ⅴ类围岩约占69.7%，洞内围岩特别是穿越断层破碎带的围岩稳定问题突出，斜井末端穿越龙蟠—乔后断裂带岩体破碎，透水性较好，具较好的赋水性，存在沿断层破碎带的高外水压力与洞内涌水问题。在桩号K1+050～K1+227段（长177m）围岩稳定性差，穿越F10-1断裂带、构造岩层为角砾岩、碎砾岩，胶结差，结构较松散，会发生中等挤压变形，局部穿越F10-1主断带的碎粉岩时，叠加相对丰富的地下水影响，洞内围岩有产生较大变形的可能性。

2#施工支洞的下平段位于龙蟠—乔后断裂影响带上，开挖边墙较高，达11.5m，且还设计一条岔洞，支洞、岔洞和输水主洞之间存在交叉部位问题，均位于Ⅴ类围岩段，因而不良地质段的渗漏水问题是本项目的重难点所在。

3 隧道施工模拟

开挖不良地质段隧道有较大风险，特别是存在地下水的不良地质段［4］。本文使用ABAQUS有限元分析软件模拟渗流作用下该隧道不良地质段的施工。以100×100m的尺寸模拟隧道围岩，建模时以隧道的施工设计尺寸为准，模拟网格如下图1所示。

图1 有限元网格图

在拱脚位置设置透水孔以模拟支护结构的透水情况。

3.1 孔隙水压力和孔隙比

随着施工的推进，孔隙水压力和孔隙比的变化如图2所示。

图2 孔隙水压力和孔隙比随隧道施工的变化情况

从结果上看，受到周边渗流效应的影响，边界开挖时对孔隙水压的约束有所减小，使得孔隙水压的数值有所减小。衬砌通过不透水层进行模拟，并将透水层数值到拱脚位置，在衬砌完工后，因限制了边界渗流，使得拱顶和拱底孔隙水压减小为负数，即该位置没有水存在。因将拱脚设置到透水层，因此在支护施加之后，拱顶和拱底孔隙水压不断上升。拱顶和拱底孔隙比随着隧道施工的不断开展而不断增加，但拱腰处则不断减小，整体上表现为对称分布，对比拱顶位置的孔隙比增长情况可知，拱腰的孔隙比减小得更多，竖向位移是使得拱顶孔隙比增长的原因，水平位移是拱腰孔隙比降低的原因。对孔隙比和孔隙水压力随施工时间增长而出现的变化可知，两者整体上表现出先降低，支护完成上台阶后逐渐提高，最终趋于稳定的情况。总体上看，下断面支护对孔压影响较小，在开挖完成上台阶后孔压不断被释放。两侧拱脚有基本相似的变化情况，并且有相对较小的孔压变化。相比于拱底位置，拱顶孔压仅有较小变化，原因在于拱顶下部初始孔压较大，在上台阶开挖完成后孔压不断释放，但施加支护之后，预留的排水孔为其仅有的排水边界，因此孔压随时间增加不断增加，但最后仅有较小的释放。孔隙比的变化和孔隙水压力基本一致，两侧拱脚不断减小，拱顶和拱底逐渐上升，且拱底增长量更大。

3.2 渗流速度

完成开挖后，隧道的渗流速度如图3所示。

图3 完成开挖后的渗流速度示意图

以5e-5m/h作为渗流系数，开挖断面上的渗流速度随着不断开挖的断面在不断增加，并且因为只有在拱脚处有排水层，拱顶和拱底渗流速度随着不断增加的时间而不断减小到初始状态，两侧拱腰渗流速度不断降低，拱脚排水层则有较大渗流速度。

4 渗流作用对隧道的影响

对比有无渗流作用时的隧道变形和受力情况，以此对渗流作用对隧道所产生的影响进行分析。

4.1 围岩变形

在无渗流作用以及渗流作用下隧道围岩的变形情况如图4、图5所示。

图4 水平位移变化曲线

图5 竖向位移

从结果上看，隧道拱腰在渗流作用存在是有最大的水平位移，拱肩在未考虑渗流作用时有最大的水平位移。整体上看，水平位移受渗流作用的影响较小，且其分布位置基本一致，仅数值上存在差异，两者普遍存在较小的位移，仅个别位置有较大的位移值出现，在渗流作用下，隧道围岩相对位移和位移分布区域相对较大。

拱部存在有竖向位移的最大值，拱腰处在考虑渗流作用时有更大的竖向位移影响范围。在拱顶和拱底处均有较大的竖向位移，且有基本相似的变化规律，但考虑渗流作用时有更大的竖向位移。并且，考虑渗流作用时拱底有更大的竖向位移，表现为底鼓现象，并且有相对较大的位移值。

4.2 围岩应力

在无渗流作用以及渗流作用下隧道围岩的应力变化如图6、图7所示。

图6 水平应力变化曲线

图7 竖向应力

隧道水平应力在施工时有较大改变，隧道拱部在渗流作用下有较大水平位移。在拱底位置无论是否考虑渗流作用都会有向右的水平应力出现，但对于拱顶位置而言，渗流作用下的水平应力向右，未考虑渗流作用时水平应力向左，总体上表现为对称状态。相比于未考虑渗流作用的隧道，考虑渗流作用的隧道有更小的水平应力。

隧道竖向应力变化规律在渗流作用是否存在时基本一致，但在存在渗流作用时有更大的变化范围。竖向应力和水平应力有基本相似的应力分布情况，但拱顶和拱底存在最大的竖向应力值，且应力释放更为明显的是隧道拱顶。隧道竖向应力在考虑渗流作用时更大。

4.3 衬砌结构受力

在无渗流作用以及渗流作用下隧道衬砌结构水平应力变化如图8所示。

图8 隧道衬砌结构水平应力云图

衬砌结构的水平应力在考虑渗流作用时更大，考虑渗流作用时在拱脚位置有衬砌结构的最大水平应力，未考虑渗流作用时在拱腰位置出现衬砌结构的最大水平应力，表明在较高地下水位条件下施工不良地质段隧道时应加固拱脚，但无水环境时应加固拱腰衬砌。隧道衬砌竖向应力在考虑渗流作用时较大，在未考虑渗流作用时隧道衬砌在拱肩位置出现最大的竖向应力，说明在较高地下水位时进行不良地质环境的隧道施工应预加固隧道拱部，且需对仰拱进行加固，避免隧道施工时完成支护后仰拱出现隆起，在无水条件下需加固拱肩。

5 结语

基于上述分析，主要得出如下结论：

（1）孔隙水压力随着隧道施工的开展不断降低，孔隙水压力越靠近隧道施工距离时降低越显著，但施工完衬砌后拱腰有较大的孔隙水压力，拱脚孔隙水压力则保持不变，原因在于在拱脚位置设置了衬砌排水口。

（2）渗流场作用下最大的水平应力出现在隧道拱腰，最大的竖向应力出现在仰拱及拱顶，在隧道衬砌施工时应对拱顶、拱腰和仰拱进行一定的加固。

（3）在渗流作用下，隧道围岩变形和应力的变化范围较大，且衬砌结构水平应力最大值随着时间的推移不断从拱肩下降到拱腰，在隧道开挖前应先对拱腰采用系统锚杆注浆的方式进行加固。