DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.026

水位与进尺及支护时机对富水隧道稳定性的影响

黄戡¹，杨伟军¹，安永林²，胡文轩²，李依¹，傅蕾¹，周经伟¹，邱朗¹

(1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410114；

2. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201)

摘要：以实际富水隧道为参考背景，通过不同水位、支护、开挖条件建立三维数值模拟，分析富水隧道在不同条件下的稳定性及围岩变形。研究结果表明：地表沉降和开挖面的水平位移均随着水位的上升而增加，并且水位越接近地表，地表沉降和开挖面的水平位移增加得越明显；支护在滞后2.5 m时，相应的拱顶沉降和塑性区与及时支护条件下相差不大，但在支护滞后5.0 m时，拱顶沉降和塑性区域显著增大，并且塑性区向上部围岩蔓延；随着进尺增加，围岩位移与塑性应变增大；随着渗流时间增加，掌子面前方的孔隙水压力逐渐减少，逐渐呈现漏斗状分布。

关键词：富水隧道；水位线；支护；开挖方法

中图分类号：X501             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)11-2843-09

Influence of different water levels, footages and supporting time on the stability of rich water tunnel

HUANG Kan¹, YANG Weijun¹, AN Yonglin², HU Wenxuan², LI Yi¹, FU Lei¹, ZHOU Jingwei¹, QIU Lang¹

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;

2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract: Based on the actual rich water tunnel, three-dimensional numerical simulation was carried out to analyze the stability and deformation of surrounding rock under different conditions by different water levels, support and excavation conditions. The results show that the surface subsidence and the horizontal displacement of the excavation surface increase with the increase of the water level, and the closer the water level is to the surface, the more obvious the surface subsidence and the horizontal displacement of the excavation surface increase, and the vault settlement and plastic zone have little difference between the case of 2.5 m behind the support and the timely support condition, but in the case of 5.0 m behind the support, the vault settlement and plastic zone increase obviously, and the plastic zone spreads to the upper part of the surrounding rock. The surface subsidence and the plastic zone of excavation surface increase with the increase of the excavation footage. With the increase of seepage time, the pore water pressure in front of tunnel face becomes smaller and smaller, and gradually presents funnel-shaped water pressure distribution.

Key words: water rich tunnel; water level; support; excavation method

隧道开挖常常会穿越软弱、富水地层^[1]。 HWANG等^[2]用半理论半经验公式分析了隧道的渗流；NAM 等^[3]分析了水位以下衬砌的应力； RAPOSO等^[4]基于水平衡法定量评价了施工引起的地下水影响；LI等^[5]介绍了一种隧道新型排水收集系统；BRATTLI等^[6]分析了具有遇水膨胀围岩隧道的受力特性；AHN等^[7]研究了隧道注浆设计。荣传新等^[8-9]推导了渗流影响的理论解；赵琨^[10]基于数值模拟分析了渗流对隧道的影响；胡文轩^[11]应用现场调研、室内试验以及数值分析方法研究了富水隧道掌子面的稳定性；安永林等^[12]分析了水下并行隧道施工后行洞对先行洞的影响；贾瑞华等^[13-14]应用流固耦合理论对江底盾构隧道和深埋隧洞进行了分析；张忠苗等^[15]研究了杭州庆春路过江隧道施工风险控制等问题；洪开荣^[16]对广深港大断面特长水下盾构隧道的技术难点进行了分析；曹成勇等^[17]基于极限分析以及数值模拟分析了浅埋透水地层泥水盾构开挖面极限支护压力。本文作者以某富水隧道为依托，进行三维建模^[18-20]，分析不同的水位条件下和不同的开挖进尺以及不同支护条件下隧道的稳定性和围岩变形。

1  工程概况与模型的建立

1.1  工程概况

依托工程是贵州毕节至二龙关高速公路水箐隧道，位于贵州毕节市水箐镇。该隧道为分离式隧道，左幅隧道起、终点桩号分别为ZK15+272和ZK16+715，长度为1 443 m；右幅隧道起、终点桩号分别为YK15+270和YK16+717，长度为1 447 m。隧道平纵线形和隧道净空断面标准按高速公路设计速度80 km/h设计。隧道建筑限界净宽为10.25 m，隧道建筑限界净高为5.0 m。

场区上覆土层为第四系残坡积层黏土、粉质黏土、碎石土等；下伏基岩包括：二叠系下统灰岩；二叠系上统峨眉山玄武岩组玄武岩；二叠系上统龙潭组粉砂质泥岩、炭质泥岩及煤层；三叠系下统飞仙关组粉砂质泥岩。

1.2  数值模型的建立

1.2.1  模型的边界条件、网格划分及材料参数

模型长×宽×高为60 m×40 m×30 m。根据地质情况将围岩(V级)作为1个地层进行处理，本构模型采用摩尔-库仑模型。模型四周以及底部固定法向位移，上表面为自由面。前后和底面设置为不透水边界，水位线处的孔隙水压力设为0 Pa^[10-12]。其网格划分和各材料参数见图1和表1。

图1  数值模型与分析点

Fig. 1  Simulation model and reference points

1.2.2  模型分析步骤

模型的开挖方式采用上下台阶法。每一步开挖前对其加固区的弹性模量提高60%，内摩擦角提高10°，黏聚力提高30%，以等效模拟超前支护和锚杆的作用。每步开挖完成后及时喷浆进行初支，在隧道贯通后统一进行二衬施工。

在地应力平衡分析时，冻结灌浆和二衬的单元，在后面的分析步中再依次激活。围岩加固区的模拟通过温控法实现。混凝土以及二衬和土层均采用TIE约束绑定。

2  不同水位条件下数值模拟结果

2.1  孔隙水压力场

在不同水位条件下，开挖到参考掌子面时的孔隙水压分布云图如图2所示。

在不同水位条件下，掌子面前方的孔隙水压力变化如图3所示。随着隧道开挖的进行，在掌子面附近出现负的孔隙水压力，地下水在水头差的作用下涌入隧道，影响隧道的正常施工，并且其影响范围随着水位上升有明显的扩大趋势。在初始水位高于隧道开挖面的情况下，其最大负孔隙水压力均出现在掌子面后方，而在初始水位线位于隧道开挖面下部时，隧道内的最大负孔隙水压力出现于开挖面上。在开挖过程中，其孔隙水压力分布大致成漏斗状，并且这一特点随着水位的上升表现得尤为明显。

表1  围岩和支护材料计算参数

Table 1  Parameters of surrounding rock and support material

图2  不同水位条件下的孔隙水压力分布

Fig. 2  Pore water pressure distributions under different water levels

当水头高度为0 m时，负孔隙水压力较小，影响范围到掌子面前方3 m处，而后才出现正值。而当水位为-10 m时，负孔隙水压力的影响范围到达掌子面前方5 m处，而后才出现正值。当水位为-20 m时，负孔隙水压力的影响范围到达掌子面前方8 m处，而后才出现正值，并且正值的量值不大。

图3  不同水位条件下掌子面前方孔隙水压力

Fig. 3  Pore water pressure in front of tunnel face under different water levels

2.2  位移场

不同水位条件下地表的沉降分布云图以及地表沉降分别如图4和图5所示。从图5可见：围岩变形及地表沉降均随着地下水位的提高而增大；在地下水位为-10 m和-20 m时，其最大地表最大沉降分别为12.53 mm和9.64 mm，并且其他各参考点的沉降相差不大；但在地下水位位于0 m时，地表最大沉降突增至33.57 mm，并且各点的沉降量均较前2种情况有较大增加。

图4  不同水位条件下地表的沉降分布云图

Fig. 4  Settlements under different water levels

不同水位条件下的掌子面中心线位移如图6所示。从图6可见： 随着水位增高，掌子面的水平位移和竖向位移均有增大，且增大的速率也有较明显提升。由此可知，掌子面的变形主要为水平方向的变形。

图5  地表沉降量

Fig. 5  Ground surface settlement

图6  不同水位条件下的掌子面中心线位移

Fig. 6  Displacements under different water level conditions at central line of tunnel face

不同水位条件下的开挖面各参考点的水平位移如图7所示。从图7可见：在地下水位为-10 m和-20 m时，开挖面的最大水平位移均出现在右边墙处，并且两者相差约为2.5 mm；但在地下水位为0 m时，开挖面的最大水平位移相差突增到21.4 mm，并且其他参考点的最大水平位移均较前2种情况有较明显提高。

图7  不同水位条件下的开挖面各参考点的水平位移

Fig. 7  Horizontal displacement of each reference point under different water level conditions

3  不同支护时机的数值模拟结果

3.1  位移场

不同支护时机下的沉降云图和拱顶沉降分别如图8和图9所示。从图8和图9可见：随着隧道开挖的进行，围岩的最大沉降均发生在初始开挖面的拱顶处，在及时支护的条件下其变形仅为29.5 mm，在支护滞后2.5 m时，变形只为31.1 mm，可见超前支护和喷浆层能够较好地控制了围岩的变形；而在支护滞后 5.0 m时，围岩的最大沉降剧增到265.3 mm。

不同支护条件下的掌子面中心线位移如图10所示。从图10可见：无论是掌子面中心线的水平位移还是竖直位移，在及时支护和支护滞后2.5 m时，其值相差不大，竖向位移近似为同一曲线；但当支护滞后5.0 m时，掌子面的最大水平位移突增到162.0 mm，最大沉降突增到38.0 mm。

在不同支护条件下，开挖面各参考点的水平位移如图11所示。从图11可见：在及时支护和支护滞后2.5 m时，其最大水平位移均发生在右边墙并且相差不大，约为5.0 mm；而在支护滞后5.00 m时，右边墙的水平位移突增到11.64 mm，并且其最大值出现在右拱肩处，为11.74 mm。其他各参考点的水平位移均较前2种情况有显著增大。

3.2  塑性区

不同支护条件下的塑性区应变分布云图如图12所示。从图12可见：在隧道的开挖过程中，塑性区的分布主要集中在开挖面以及开挖面后方的拱腰附近；在及时支护情况下，其最大塑性应变为0.20，证明在超前支护和喷浆的作用下，能够很好地控制围岩的塑性应变；在支护滞后2.5 m时，其最大塑性应变也仅为0.26；但在支护滞后5.0 m时，最大塑性应变剧增到0.58，其塑性区扩大到拱顶并向拱顶上方的围岩延伸。

图8  不同支护条件下的沉降分布云图

Fig. 8  Settlements under different supporting conditions

图9  拱顶线沉降

Fig. 9  Settlement along crown axial line

图10  不同支护条件下的掌子面中心线位移

Fig. 10  Displacements at central line of tunnel face under different supporting conditions

图11  不同支护条件下开挖面各参考点的水平位移

Fig. 11  Horizontal displacement of each reference point under different supporting conditions

图12  不同支护条件下的塑性区应变云图

Fig. 12  Plastic zone strain under different support conditions

不同支护条件下的开挖面各参考点的塑性应变如图13所示。从图13可见：在及时支护和支护滞后2.5 m的情况下，其最大塑性应变发生在左右边墙处，约为0.03，且这5个参考点在这2种支护情况下的塑性应变都相差不大；但在支护滞后5.0 m时，左、右边墙的塑性应变达0.05，左、右拱肩的塑性应变高达0.07。

图13  不同支护条件下开挖面各参考点的塑性应变

Fig. 13  Plastic strain of each reference point under different support conditions

4  不同开挖进尺下的数值模拟结果

4.1  地面沉降与掌子面位移

不同开挖进尺下的地面沉降见图14。从图14可见：随着进尺增加，引起的地表沉降也有一定程度增大。如当进尺为1.0，2.5和4.0 m时，当前开挖所引起的最大地表沉降分别为0.92，1.02和1.21 mm。因此，对于进尺较大的富水隧道，在实际施工中，要注意对地表沉降量的控制。

不同开挖进尺下的掌子面水平位移见图15。从图15可见：随着进尺增加，掌子面水平位移随之增大。在掌子面高度为3 m处位移增大明显，当进尺为1.0，2.5和4.0 m时，当前开挖所引起的掌子面最大水平位移分别为39.50，62.70和78.90 mm。

4.2  塑性区

当隧道开挖到参考掌子面时，当前开挖所引起的参考掌子面各参考点的塑性应变如表2所示。从表2可见：

1) 随着进尺增加，参考掌子面各参考点的塑性应变均有一定程度提高，如当进尺为1.0 m时，拱顶的塑性应变为0.007，而当进尺为4.0 m时，拱顶的塑性应变为0.015；当进尺为1.0 m时，左拱肩的塑性应变为0.003，而当进尺为4.0 m时，左拱肩的塑性应变为0.011。

2) 左、右边墙的塑性应变相等，左、右拱肩的塑性应变相差不大，最大塑性应变均出现于拱顶位置。因此，在实际施工中，若进尺大于2.5 m时，应注意对掌子面拱顶和左、右拱肩位置的支护。

图14  不同开挖进尺下的地表沉降量

Fig. 14  Surface settlement under different excavating footages

图15  不同开挖进尺下的掌子面中心线位移

Fig. 15  Displacement at central line of tunnel face under different excavating footages

表2  各参考点的塑性应变

Table 2  Plastic strain of each reference point

5  地下水动态渗流影响

孔隙水压力随时间变化的规律见图16。从图16可见：当地下水发生渗流前，孔隙水压力大致呈层状分布；随着渗流时间增加，掌子面前方的孔隙水压减小，漏斗状的孔隙水压力分布越明显。

竖向路径孔隙水压力分布见图17。从图17可见：在隧道开挖前，竖向路径上的孔隙水压力呈线性分布；开挖完成后，竖向路径上各点的孔隙水压力随着渗流时间增加而逐渐减小，最后变化速率趋于稳定，在掌子面前方10 m处，竖向路径上各点的孔隙水压力均大于掌子面处竖向路径上各点的孔隙水压力。

图16  孔隙水压力随渗流时间的变化

Fig. 16  Water pressure changes with seepage time

图17  竖向路径孔隙水压分布

Fig. 17  Water pressure distribution of vertical path

6  结论

1) 随着水位升高，隧道开挖后，孔隙水压力明显呈现漏斗状分布。围岩变形、地表沉降以及开挖面的水平位移均增大。

2) 不同支护滞后距离影响拱顶的沉降、掌子面的水平位移以及塑性区的分布。滞后2.5 m与及时支护的情况相差不大；但当支护滞后5.0 m时，拱顶的沉降、掌子面的水平位移以及塑性区的分布较前2种情况均有显著增大。在实际施工中，应及时对裸岩进行喷浆初期支护，避免支护滞后距离过大，防止相关事故的发生。

3) 随着进尺增加，围岩位移与塑性应变增大。在施工中应采用短进尺开挖，以充分利用围岩的自稳能力。

4) 随着渗流时间增加，掌子面前方的孔隙水压力减小，漏斗状的孔隙水压力分布明显。开挖完成后，竖向路径上各点的孔隙水压力随着渗流时间增加而逐渐减小，最后趋于稳定。掌子面前方10 m处竖向路径上各点的孔隙水压力均大于掌子面处竖向路径上各点的孔隙水压力。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2018-02-28；修回日期：2018-04-08

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51408216)；湖南省水利厅科学研究项目(CSCG-201808020002)；湖南省教育厅优秀青年基金资助项目(14B007)；湖南省重点学科土木工程创新性基金资助项目(13ZDXK10)(Project(51408216) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(CSCG-201808020002) supported by Scientific Research Foundation of Water Resources Department of Hunan Province; Project(14B007) supported by Outstanding Youth Foundation of Education Department of Hunan Province; Project(13ZDXK10) supported by Innovation Foundation in Civil Engineering of Key Discipline of Hunan Province)

通信作者：黄戡，博士(后)，副教授，从事隧道工程、岩土工程和城市轨道交通工程研究；E-mail：hk_616@sina.com