隧道下穿新大力寺水庫施工穩(wěn)定性分析

周冠南 付軍恩 楊騰添，2

（1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710055）

1 引言

巖體滑坡、隧道滲漏和襯砌變形都與水有很大的關(guān)系［1-4］，但目前我國對富水地區(qū)隧道開挖的研究還不夠深入。目前的研究集中于地表雨水滲透對隧道邊坡所造成的影響，主要采用的方法有:（1）收集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)水與巖體滑坡的關(guān)系［5］；（2）利用數(shù)值模擬分析軟件研究滲透水對巖體穩(wěn)定性的影響［6-7］。楊卓（2013）［8］研究了流固耦合作用的原理以及應(yīng)力場與滲流場之間的相互作用，依托實(shí)際工程探討了地下水對隧道主體的影響；李雙元（2015）［9］通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，研究了青島所特有的上軟下硬地質(zhì)條件下隧道穿越飽和礫砂層；采用室內(nèi)模型試驗(yàn)及有限元數(shù)值仿真分析相結(jié)合，周超月（2016）［10］對巖溶區(qū)的隧道開挖引起的圍巖、支護(hù)位移及應(yīng)力情況進(jìn)行了綜合分析和研究；吳勝番（2012）［11］采用數(shù)值分析的方法研究了滲入水對襯砌造成的影響。以上學(xué)者都對降水對隧道邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著的成果，但針對隧道下穿水庫所造成的隧道內(nèi)部施工力學(xué)特性變化的研究較少，需在日后的研究中加以關(guān)注。

本文依托新建新大力寺隧道下穿水庫，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了隧道穿越大力寺水庫時(shí)隧道的穩(wěn)定性與滲透系數(shù)之間的規(guī)律，給出了不同巖石擾動造成的圍巖滲透系數(shù)變化時(shí)隧道及圍巖的變形、應(yīng)力及塑性區(qū)的變化。

2 工程概況

位于巢湖市境內(nèi)的在建商合杭鐵路新建大力寺隧道，全長3 354.0 m，隧道的最大埋深236.0 m。新建的大理寺隧道在DK448+550～DK448+590區(qū)域穿過大力寺水庫。洞穴圍巖以泥盆系上統(tǒng)五通組（D3w）強(qiáng)～弱風(fēng)化石英砂巖和石英礫巖為主，巖性柔硬相間，洞穴附近有水庫地表漏水的可能性。隧道地表水以大氣降水為主，大部分從斜坡排放到邊坡。隧道DK446+690～DK446+940段下穿大水量水塘；DK448+510～DK448+710段右側(cè)為大力寺水庫，水庫占地約86 000 m2。通過降水入滲法計(jì)算，隧道最大涌水量為3 061.5 m3／d。隧道入口和出口的DK446+810儲層段為淺埋段，埋深5～6 m。

3 數(shù)值分析

隨著工程類軟件的快速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究地下工程圍巖穩(wěn)定性的一種重要手段。為了全面研究在三種不同工況下隧道下穿水庫段掘進(jìn)全周期引起的孔隙水壓、地表沉降、圍巖塑性區(qū)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的變化特性，本文通過數(shù)值模擬進(jìn)行對比分析。

3.1 數(shù)值模型與邊界條件

在數(shù)值模型中，規(guī)定Y軸正向?yàn)樗淼篱_挖方向，Z軸正向?yàn)樨Q直向上。新大力寺隧道下穿水庫數(shù)值模型如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，把地層等效為三個(gè)均質(zhì)水平層。為減小邊界尺寸對數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，模型左右和底部邊界距隧道軸線的間距均取3倍洞徑；模型長80.00 m、寬40.00 m、高55.80 m；地表處總壓力水頭按12.00 m計(jì)。巖土層選取四面體實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為Mohr-Column；襯砌選取板單元模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)；錨桿采用植入式梁模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)。根據(jù)新大力寺隧道下穿水庫段的勘探及設(shè)計(jì)資料，巖土層的物理力學(xué)參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。模型的4個(gè)立面和底部界面采用法向位移約束，地表為自由邊界。在分析水庫滲流對隧道掘進(jìn)的影響時(shí)，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，總水頭和壓力水頭應(yīng)分別設(shè)在模型邊界和隧道襯砌上。地表處應(yīng)布置水庫水對地表產(chǎn)生的等效荷載［12］。

表1 基本分析參數(shù)

圖1 隧道數(shù)值模型及斷面示意

3.2 巖層滲透系數(shù)的選取

通過查閱相關(guān)資料以及借鑒類似地質(zhì)條件的滲透系數(shù)的取值，依次確定粗角礫巖（A）、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（B）和弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（C）的滲透系數(shù)取值區(qū)間為:1e-9～5e-7、3e-8～6e-4、3e-8～6e-4，見表2。

表2 三種地質(zhì)狀況下巖體的滲透系數(shù)值

3.3 模擬結(jié)果及分析

3.3.1 孔隙水壓

不同地質(zhì)狀況下巖體掘進(jìn)前后的孔隙水壓分布如圖2所示。由圖2可以看出，初始狀態(tài)下的最大孔隙水壓力分別為 1 173.1 kN／m2、834.5 kN／m2、660.5 kN／m2；開挖后的最大孔隙水壓力分別為1 142.4 kN／m2、825.3 kN／m2、657.1 kN／m2。通過對比同種工況下的初始狀態(tài)下和開挖后的最大孔隙水壓力可以發(fā)現(xiàn)，最大孔隙水壓力均出現(xiàn)在隧道垂直上方，并且與初始狀態(tài)相比，開挖后最大孔隙水壓降低。從開挖前到開挖完成后，孔隙水壓力云圖在地表的分布形狀從凹槽逐漸變成一個(gè)漏斗狀，這種現(xiàn)象表明滲透系數(shù)越大，地表的孔隙水壓力就會越小，但隧道施工會使地表受到的影響范圍增大。從掘進(jìn)完成后的隧道截面詳圖可以看出，隨著滲透系數(shù)的提高，圍巖受到的影響范圍也隨之?dāng)U大。

3.3.2 地表沉降

在具有良好地質(zhì)條件的巖體中進(jìn)行隧道工程建設(shè)都可能導(dǎo)致施工段上方地表變形，地表上方存在水庫的情況更是如此。圖3給出了分別在三種地質(zhì)狀況下施工完成后的整體豎向位移云圖。從中可以直觀地看出，由于巖體滲透系數(shù)的提高，水庫水下滲的深度也隨之增加，且隧道正上方的地表沉降也隨之增加。三種地質(zhì)狀況下最大沉降量為5.0 mm、6.4 mm、9.5 mm。

圖2 孔隙水壓分布云圖（單位：kN／m2）

圖3 豎向位移云圖（單位：mm）

3.3.3 塑性區(qū)分析

圍巖塑性區(qū)的分布可直接表征地下結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。3種地質(zhì)狀況下的圍巖塑性區(qū)分布見圖4。可以看出，圍巖塑性區(qū)多分布在拱頂、拱腰和拱底，三種地質(zhì)狀況下的最大塑性區(qū)均在拱頂位置，且整個(gè)塑性區(qū)隨著滲透系數(shù)的增加而擴(kuò)大。

圖4 塑性區(qū)分布圖

3.3.4 變形特征

在隧道建設(shè)階段，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形可直接反映圍巖的穩(wěn)定性和施工的安全，圖5a、5b為三種地質(zhì)狀況下拱頂和拱底處的豎向位移曲線。通過對比分析不難看出，拱頂和拱底處豎向位移值在地質(zhì)狀況Ⅲ和地質(zhì)狀況Ⅰ中分別取得最大值和最小值，由此可知，隧道在下穿水庫時(shí)巖體滲透性能會對巖體的開挖產(chǎn)生一定的影響。由于開挖卸荷導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，因此，在不同種地質(zhì)狀況中第一個(gè)全斷面掘進(jìn)階段，拱頂、拱底均產(chǎn)生較大豎向位移，在接下來的施工過程中，拱頂和拱底處的豎向位移會過渡到一個(gè)穩(wěn)定值。隧道正上方的地表土層也會由于水庫滲水和開挖卸載的雙重作用下產(chǎn)生略微的滑動，這與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果是相符的。

圖5 拱頂和拱底豎向位移對比曲線

隧道在三種地質(zhì)條件下施工結(jié)束后，所得到的地表沉降曲線見圖6。通過對比圖6中的沉降曲線可以明顯看到，在隧道施工階段，水的滲流對最終的地表沉降量有著極為重要的作用；從水平方向看，越接近隧道中軸線，地表沉降量就會越大；不同施工條件下，在隧道的正上方地表沉降值最大，最大沉降量為-1.19 mm、-1.50 mm、-2.12 mm。

3.4 大斷面客專隧道下穿水庫破壞機(jī)理

圖6 地表沉降對比曲線

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析的結(jié)果，穿越水庫下的大斷面客運(yùn)隧道的開挖將引起周圍巖體的擾動。隨著隧道的掘進(jìn)，地表以及地下賦存水的運(yùn)動遷移受到一定程度的影響。水滲流以及孔隙水壓力兩方面的因素出現(xiàn)改變，隧道上方的地面將首先變得不穩(wěn)定，并且隨著挖掘的繼續(xù)，后續(xù)施工帶來了更多的影響因素，這些因素相互交叉作用使圍巖的力學(xué)行為發(fā)生難以預(yù)料的變化，極大地增大了隧道的不穩(wěn)定性。因此，下穿水庫的淺埋隧道圍巖變形破壞機(jī)理是由于隧道施工擾動造成的，并且在水庫水入滲的作用下造成地表變形和破壞，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生坍塌。因此，在淺埋大斷面隧道下穿大型水庫的圍巖穩(wěn)定性分析中，應(yīng)考慮隧道開挖引起的水庫水入滲與圍巖的關(guān)系。

4 結(jié)論

針對水庫水覆蓋和地表無水兩種條件下，著重對隧道施工的安全性進(jìn)行了數(shù)值分析，可得到如下結(jié)論:

（1）隧道下穿水庫的圍巖穩(wěn)定性與巖體的滲透系數(shù)的大小緊密相關(guān)。隨著滲透系數(shù)的增加，庫底巖層被浸深度也隨之增加，因此，大部分巖體的基質(zhì)吸力也逐漸減小，導(dǎo)致圍巖不穩(wěn)定。

（2）由于隧道開挖破壞了原有的水土平衡，導(dǎo)致隧道正上方庫底巖層暫時(shí)飽和，并逐漸向隧道四周巖體延續(xù)。

（3）在考慮地表水庫水滲透的情況下，隧道的施工會導(dǎo)致孔隙水壓產(chǎn)生很大程度的改變。這種變化在短期內(nèi)施作的襯砌區(qū)域尤其突出，其帶來的后果往往是滲水、漏水等不利現(xiàn)象。隨著隧道開挖進(jìn)程的推進(jìn)，更大范圍的零壓力面相繼出露，各區(qū)域內(nèi)的水頭以及滲流情況都發(fā)生了很大改觀。

（4）隧道內(nèi)的持續(xù)施工，導(dǎo)致水庫水的滲流不斷發(fā)生改變，以至于影響到隧道周邊并進(jìn)入了塑性區(qū)。拱頂處的塑性區(qū)較拱腰處區(qū)域更大，塑性區(qū)在隧道洞室周邊的分布范圍整體上隨著滲透性的提高而減小。