ＬｏＷ ｃＡＲＢｏＮ ＷｏＲＬＤ ２ｏｌ３，５ 交通建设 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１３）１０—０２９１—０２ 连拱隧道施工对地下水渗流场的影响研究 唐宇霆（中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南长沙４１０００４） 【摘 要】通过对莱高速公路中Ａ连拱隧道的研究、现场试验以及数值的模拟计算，我们发现导致地下隧道中地下水渗流场变化的主要因素 有：隧道的埋深，围岩松动圈的大小，裂隙的发育状况和施．７２７－序的差别等［＿１】，要达到连拱隧道的结构性防排水的优良效果，就要充分重视地下 水渗流场的变化。本文结合笔者多年的工作经验并针对连拱隧道结构渗水的问题，通过对主要参数的模拟和计算，提出注浆固结ｖ形区地层， 从而极大的改善地下水渗流层的现状。 【关键词】连拱隧道；模拟计算；渗漏水；结构防排水；渗流场 引声 岩体应力场的变化会导致岩体裂隙几何参数的巨大变 化．同时岩体的几何参数尤其是裂隙宽对岩体的渗流性影响 极大．因此人们对岩体应力场与裂隙岩体渗流场之间的联动 效应已达成共￣Ｒ［２１ 由施工导致的连拱隧道地下渗流场的差异和一般分离式 隧道并不一样．隧道结构性防排水所受到的影响情况也不一 样 要从源头上解决连拱隧道渗漏水的问题，并提高运营和使 用的安全系数．对于连拱隧道Ｖ形汇水区地下渗流场的研究 变得尤为重要 图１隧道防排水结构设计断面 度场与应力场的改变均能作用到渗流场．三种作用共同发生 从而对渗流场的产生带来干扰。 １工程概况 该隧道长４４５ｍ，设计行车速度８０ｋｍ／ｈ；单洞净宽９．７５ｍ， 行车道宽７．５ｍ．限界净高５ｍ，最大纵坡＜３％。隧道位于黄泥塘 ４．２数学控制 对于隧道的地层情况和岩体特征，选取等效连续介质渗 流数值模拟计算法，把裂隙中的水流均分到所有岩体中，根据 连续介质要求来讨论，把岩体非连续介质看作是有对称渗透 张量的各向异性连续介质。再由连续性原理可得下式： 背斜北东倾伏端。相对高差１２０ｍ，岩层在隧道范围内呈单斜 构造，进出口洞顶有居民分布。 隧道范围内大气降水和地表水发育，基岩裂隙水主要由 大气降水补给。基岩裂隙水赋存于砂岩、泥岩裂隙、层间空隙 与风化孔隙中．设计涌水量是９０ｔ／ｄ．实测涌水量是１４０ｆｆｄ。 （Ｋ ）＋ （ ）＋￣－ｚ（Ｋ ）一 鲁 （１） 考虑到各向异性与非均质性的裂隙岩体。而且还存在地 下水补给的情况，采取渗透系数张量描述岩体裂隙的渗透特 征。进而，上式也可以写成如下公式： ２作业方法 隧道用中导洞法，在洞口软弱围岩段采用大管棚等辅助 方法。 ３隧道防排水结构设计 图１为示意图 在隧道初期支护与二次衬砌间设防水层， 通过中墙顶防水层与左右洞防水层连为一个整体．共同形成 鲁ｃＫ （Ｋ ｄｙ ＋ 一＋Ｋ 仆 ＋Ｋ塑）＋ 掣ｄｚ ”ｄｘ ＂ｄｙ 隧道的防水体系．防水层材料为ＣＣＲＰⅡ型橡胶板和无纺布。 ０ （Ｋ ）＋ｗ一 （２） 隧道排水体系由防水层背后环向软式透水管＋５０、中墙顶纵 向软式透水管小１００、中墙内竖向排水铜管 １００、路面下纵向 和排水侧沟共同组成。 此处：ｈ是渗流场中任一点的水头（ｍ）；Ｋ…Ｋ、Ｋ 分别是 ｘ、ｙ、ｚ方向的渗透系数（ｃｍ／ｓ）；Ｋｉｉ是岩体的渗透系数张量（ｉ，ｊ＝ （ｓ）。 排水钢管击１００和边墙纵向透水软管＋１００、ＰＶＣ排水管＋６０ Ｘ，Ｙ，Ｚ）；Ｗ是地下水系统的源项（ｃｍ／ｓ）；Ｓ 是储水率；ｔ是时间 ４渗流场数值模拟计算 ４．１裂隙岩体渗流基本特性 隧道的开挖会使得地应力的情况产生变化，并且裂隙在 岩体中的形状特征和存在状况也随之发生变化．并在隧道的 其就是裂隙岩体等效连续介质渗流的数学控制方程。 ４－３边界条件 以隧道的横断面作为作业模拟模型．模拟模型中隧道的 上土层设定为３５ｍ．下土层也设定为３５ｍ．从而达到隧道开挖 ５～３．５倍的要求。为了更快获得模拟结果，运用二 外围形成围岩松动区。隧道开挖时．将会导致地下水的平衡状 影响区间２．态受到破坏．隧道开挖的方向会有流动的地下水流入，地下水 维平面对数值进行演算．结构与尺寸采用与原型保持一致．力 ５０ｍ￣８０ｍ，简化地下流场为水平分布并设置 的渗流场不同和围岩变动区有很大的联系且会带来不同寻常 学模拟尺寸为１的渗流运动，主因是非连续介质渗流的高度离散性和各向异 性，再加上虚拟流速跟真实情况之间存在的较大波动。并且温 空隙水压力为０ ４．４数学模型建立 交通建没 ＬＯＷ ＣＡＲ８ｔ）Ｎ ＷｏＲＬＤ ２０１３，５ ５．３衬砌后渗流特性 用于分析岩体渗流的数学模型一般有：不连续面网络渗 ４．流模型、等效连续介质渗流模型以及孔隙裂隙混合介质模型 混凝土因其良好的抗渗性致使采取衬砌施工的隧道．渗 目前，等效连续介质渗流模型以其计算结果直观、实用被广泛 透系数相比地层较低．可以有效的阻止地下水向隧道内渗流．隧道内的涌水量的减少，使得隧道内地下水位的降幅变缓，同 的运用于各种工程中 实际应用中，依据渗流数学控制方程与边界条件的组合 建立起隧道渗流场的数学模型．同时对模型中的隧道结构进 行平滑处理。原型隧道的埋深普遍大于计算边界条件值，为方 时使得空隙水压力的降幅随之变缓，地下水在隧道边界处的 流动方向向水平向转变 混凝土的衬砌收到各种因素的干扰．容易出现不密实的问 便计算。孔隙水压力作水平考虑．同时考虑隧道中墙上方Ｖ形 题，又由于处理施工缝、变形缝等防水工作的软肋比较难把控．区域渗透系数变化（计算模型见图２、图３）。 图２计算简化模型示意图 图３ ＦＬＡＧ计算模型 ４．５模型参数确定 表１中的数据是隧道围岩参数，依据水力学原理，空隙水 压力与地下水位的关系为： ｕ＝３＇ｗｈ 此处：Ｕ是渗流场中任一点的孔隙水压力； 是水的密 度；ｈ是渗流场中任一点的水头。 表１岩体物理力学参数 岩性 ①Ⅲ级围岩 ②Ⅳ级围岩 弹性模量（ＧＰａ） ｌ５．Ｏ １Ｏ．Ｏ 泊松比 Ｏ．２５ ０－３０ 凝聚力ｃ（ＭＰａ） １．０ Ｏ．７ 摩擦角 （。） ３９ ３５ 密度（ｋｇ／ｍ ） ２６５０ ２６５０ 渗透系数（ｅｍ／ｓ） ６４×１０４ ６４ｘ１０ ４．５．１开挖前渗流场特性 隧道未开挖时，该处地下水以动态平衡的状态进行运动．且 地下水的分布受地质构造、岩石属性、地形地貌等等自然因素的 影响。根据模型的计算，隧道横断面范围内的地下水压力呈水平 分布．且孔隙水压力随着地下水埋藏深度的增加而增加 ４．５．２开挖后未衬砌前渗流场特性 围岩中含水层的结构会在隧道开挖后发生损坏，一些地 下水的管道也会因此裸露出来 由于变化了的水动力和平衡 情况下的围岩力学加上其他水体的共同作用会使得静止的岩 体力学产生流动现象。并且，要维护新动态的稳定，就要对岩 体力学的状态实施再次分配。岩体裂隙在发生此种变化的时 候，新的地下水渗流通道也随之产生了。 地下水通过渗水通道不断向隧道Ｉ晦空面流动并最终进入 隧道．其主要表现有：由于区域范围内的地下水位的降低，导 致孔隙内压力下降．促成隧道周围区域降低区的形成。不在范 围内的区域被隧道影响．在隧道的横断面，孔隙水压力对称分 布．孔隙水压力零值也随地下水位的下降而向下推移。 ２９２ 衬砌的渗透系数在１￣１０－８和１×１０ 。之间采取对比性计算 在１Ｘ１０ ｃｍ／ｓ和ｌ￣１０ ｏｅｍ／ｓ之间渗透系数的变化．减少 了流入隧道的地下水量，，具体表现为空隙水的压力降幅变 缓。地下水的渗流运动能够出现新的动态平衡源于与隧道保 持一些距离的孔隙水压力重新分布为正常。 ４．５．４ Ｖ形区域注浆处理后渗流特性 连拱隧道中墙上方有一Ｖ形区域．该区域依据计算表明 为水害危险区域，周围的水会不断的向此地聚集。人为的行动 改变了Ｖ形区的围岩的自然规律，变得更加松散．围岩的松散 致使裂隙形成，日积月累成为连拱隧道严重漏水区域 为了处 理好漏水区域，注浆技术采取了新的方案．实施后，Ｖ形区域 的围岩和空洞得到了填充以及加固．从而降低了该区域的渗 水系数．减少了该区域的储水量同时增强了结构的防水能力 ． 取渗透系数１０ ｍ／ｓ和１０ ｏｅｍ／ｓ的模拟实验．观察渗流场的 变化．从计算结果来看，对Ｖ形区采取注浆后，地下水渗透系 数明显降低，孔隙水压力与之前相比大幅增加．分布状况也趋 于合理。 该隧道１３０ｍ严重渗水区域都使用了Ｖ形区注浆技 术，灌注材料为超细泥浆。经过２年多的观察．确定了该技术 的事件成果。案例的成功说明，对Ｖ形区注浆能够解决该区域 的透水的问题．为连拱隧道中墙渗漏水的问题提供了切实可 行的方案。 ５结束语 连拱隧道的建筑与施工非常困难．结构防排水的施工工 程没有达到指标的话，将会给未来带来新的问题．再次维修也 会更加艰难，更加昂贵。多次实践证明，隧道建设中“宜分不宜 连”，如实际状况不允许，面对连拱隧道的建设必须加强对隧 道中墙Ｖ形区域的处理．采用注浆技术．保证隧道渗水系数处 于安全线以内．从而保障隧道的运营安全 参考文献 【１］李晓红，梁峰，卢义玉，康勇，付彩霞，何正．渗流引起的隧道施工 地质灾害分析与防治——以环山坪大跨度隧道为例 ．岩石力学与工 程学报。２００７（Ｓ１）：０２～Ｏ３． ［２］李武，朱合华．连拱隧道典型裂缝、渗漏水病害调查与分析研究Ｉ Ｊ１． 安徽理工大学学报（自然科学版），２００６（０２）：１５～１６． 【３】刘志春，高新强，朱永全．裂隙岩体隧道非均质、各向异性等效渗流 模型及应用『Ｊ】．石家庄铁道大学学报（自然科学版），２０１１（Ｏ１）：Ｏ９—１０． 收稿日期：２０１３－４—２７ 作者简介：唐宇霆（１９７２一），男，大学本科，工程师，主要从事铁 路专业项目管理工作。
