某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

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某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

王 超

(中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司，成都 610500)

摘 要：针对泽雅隧道穿越F10断层破碎带区围岩破碎、涌水量大等问题，为保证隧道的正常施工，确保后期运营安全，采用ABAQUS数值分析软件建立是否考虑流固耦合的模型，分析不同工况下衬砌的力学特性，计算显示渗流的存在导致隧道衬砌最大总应力增加52.15%，衬砌最大弯矩增加75.4%。鉴于涌水对隧道力学特性影响较大，进而结合隧道实际情况进行涌水处治措施比选，选取泄水孔结合径向注浆的处治措施，并运用数值分析手段对注浆圈厚度和注浆材料渗透系数进行优化，计算结果显示注浆层厚度为5～7 m时，注浆材料渗透系数为围岩的30～50倍时施工效果较好。该分析结果有效指导了施工，可为类似工程提供参考。

关键词：隧道涌水；数值分析；处治措施；注浆参数

断层破碎带是隧道建设中面临的一大难题，长期以来一直干扰着隧道的正常施工。断层破碎带内裂隙集中发育、岩体破碎严重，不仅其本身赋存大量地下水，还易形成地表水渗流的通道，导致施工中出现涌水、突泥等灾害[1-5]。目前已有诸多学者对穿越断层破碎带隧道建设进行了有益探索。

围岩和支护结构力学特性研究方面：刘志春等[6]采用监控量测方法对乌鞘岭隧道穿越F4断层破碎带段进行研究，对复杂应力条件下软岩隧道初支沉降及应力、二衬接触压力及混凝土应力进行实测，并采用曲线拟合的方法对位移、压力和应力等量测项目最终值进行预测；黎盼[7]以隧道穿越区断层破碎带围岩为研究对象，结合统计分析、模型试验、数值模拟等手段，对自重应力场作用下穿越不同产状断层、采用不同开挖方法的隧道周边围岩的应力应变场及支护结构的力学特性进行了探讨；高虎军[8]依托青坪隧道工程，在考虑外水压力的基础上，研究了应力场和渗流场双场耦合情况下围岩和衬砌的变形及力学特性，并与不考虑流固耦合情况进行对比，揭示了外水压力对隧道的影响。断层破碎带隧道施工水处治技术方面：邹育麟等[9]以某近接水库公路隧道工程为依托，采用FLAC软件对全封堵、水通过环向排水管及盲管渗流进隧道、衬砌墙角设置泄水孔3种排水方式进行比较，以衬砌背后水压力和排水量为评价指标，对注浆圈厚度和渗透系数进行了探讨。

泽雅特长隧道洞身穿越断层破碎带14处，隧址区雨水充沛，部分断层与地表水连通，地质条件复杂，设计参数经验少，各破碎带参数差异大，简单借鉴其他工程具有一定的盲目性[10]，为选出快速安全通过断层破碎带的方法，首先应计算破碎带区域水对隧道衬砌变形及应力的影响，进而采取合理的水处治措施，并分析验证处治措施的可行性，最终保证工程的顺利实施。

1 工程概况

金温铁路泽雅隧道全长12.03 km，设计为单洞双线隧道。除进出口段为浅埋外，其余段埋深均大于100 m，局部地段埋深大于400 m。洞身穿越区域共有断层14处，断层破碎带及其影响带内围岩受构造运动影响，岩体破碎。其中断层F10段岩体破碎严重，地表水发育，沟谷呈V字形发育，植被茂密，溪谷较多，水量较丰富，区域地下水主要为构造裂隙水，主要贮存于断层破碎带的碎裂岩体孔隙和挤压破碎的岩组中，现场测试隧道单位出水量为98 m3/h，补给来源主要为大气降水，如图1所示。隧道正洞围岩级别为IV级，采用一般复合式衬砌支护形式，采用C35混凝土。

图1 F10断层纵断面示意

2 数值研究

2.1 模型建立及参数选取

选取地质情况最差的F10段隧道进行分析，模型横向及竖向长度均取100 m，符合计算要求精度，如图2所示；该处埋深350 m，将模型上部的岩土体及水体换算为等效荷载施加在模型顶面，地下水位线在地表下20 m，模型顶部施加等效的水压。围岩采用实体单元(CPE4P)，衬砌采用梁单元(B21)，围岩与衬砌采用tie方式连接。计算中假定围岩为均质、各向同性的等效连续渗透性介质，水面以下岩体完全饱和，开挖前孔隙水处于静止状态，开挖后孔隙水处于稳定渗流状态，岩体中孔隙水流动服从Darcy定理。

图2 有限元模型(单位：m)

边界条件：模型左右两侧约束水平位移，底面约束竖向和水平位移，顶面为自由面；考虑流固耦合时，底部和两侧为不透水面，上表面设置固定水头边界条件，模型始终饱和。不考虑初支对渗流的影响，隧道掌子面设置为零压力水头边界。施加重力及上部岩土体的等效荷载。模拟参数依据勘察报告、试验以及相关文献选取如表1所示。

表1 相关材料参数

材料密度(ρ)/(kg/m3)弹性模量(E)/GPa泊松比内摩擦角(φ)/(°)黏聚力(c)/MPa孔隙比渗透系数(ks)/(cm/s)围岩23501.50.38350.50.21×10-4注浆圈24001.950.35400.550.151×10-4衬砌2500350.2--0.11×10-10

模拟步骤为：①设置掌子面流体边界条件；②隧道开挖，围岩应力释放40%；③施加支护及衬砌，围岩应力全部释放。

2.2 计算工况拟定

流固耦合是流固两域部分或全部重叠在一起时，如岩土中的渗流问题，计算中考虑液体的渗流作用，其计算结果更能反映水对隧道的影响。计算工况拟定如下。

工况1：不考虑流固耦合，不施加水压力、渗流边界；

工况2：考虑流固耦合，施加水压力、渗流边界。

3 计算结果分析

3.1 衬砌总应力分析

图3列出了2种工况下的衬砌应力分布情况。

图3 2种工况下衬砌应力分布(单位：MPa)

由图3可知，衬砌主要承受压应力。工况1情况下，拱脚部位衬砌总应力较小，最大总应力值出现在两侧边墙处，其值为21.84 MPa，最小总应力值出现在拱脚部位，其值为11.73 MPa；仰拱部位总应力分布形式较为复杂，主要表现为中间小两边大的驼峰形式。工况2情况下，拱顶、拱脚衬砌总应力较小，边墙及仰拱部位较大，最大应力值出现在仰拱中心处，其值为33.23 MPa，最小总应力值出现在拱脚部位，其值为10.78 MPa。由于渗流作用的影响，工况2时最大总应力增加11.39 MPa，增幅达52.15%；衬砌最大总应力出现位置有所变化，工况1时衬砌最大总应力出现在边墙处，工况2时衬砌最大总应力出现在仰拱中心处。

3.2 衬砌弯矩分析

图4列出了2种工况下隧道衬砌弯矩的分布。

图4 2种工况下衬砌弯矩分布(单位：kN·m)

由图4可知(图中正值表示衬砌内侧受拉，负值表示衬砌外侧受拉)：工况1情况下，衬砌拱顶、拱腰、边墙部位弯矩值较小，拱脚和仰拱部位弯矩值较大，拱顶、拱腰、边墙部位衬砌外侧承受较小的值的拉力；最大负弯矩值出现在拱脚部位，其值为461.5 kN·m，最大正弯矩出现在仰拱的两侧，其值为362.9 kN·m；仰拱部位衬砌弯矩总体表现为内侧受拉，两侧拉力值大于中间部位。工况2情况下，衬砌拱顶、拱腰、边墙部位弯矩值较小，拱脚和仰拱部位弯矩值较大，拱顶、拱腰、边墙部位衬砌外侧承受较小的值的拉力；最大负弯矩值出现在拱脚部位，其值为809.5 kN·m，最大正弯矩出现在仰拱中心部位，其值为566.2 kN·m。由于渗流作用的影响，工况2衬砌弯矩最大值增加了348 kN·m，增幅达75.4%。

3.3 围岩塑性区分布

图5列出了两种工况下隧道开挖后围岩塑性区的分布。

图5 2种工况下围岩塑性区分布

由图5可知，隧道开挖在仰拱部位形成了较大的塑性区。工况1情况下围岩塑性区主要分布在拱顶、拱腰、边墙和仰拱部位，拱脚部位围岩基本无塑性应变，仰拱处塑性应变沿隧道轮廓径向扩散最远，最远距离达3.5 m，最大塑性应变出现在边墙处。工况2情况下围岩塑性区主要分布在拱顶、拱腰、边墙和仰拱部位，拱脚部位围岩基本无塑性应变，仰拱处塑性应变沿隧道轮廓径向扩散最远，最远距离达6 m，最大塑性应变出现在仰拱处。

2种工况下各部位围岩塑性区最远扩散距离对比如表2所示。由表2可知：渗流场对围岩塑性区分布影响最大的区域为仰拱部位；工况2围岩塑性区范围增大至原来的1.71倍，增幅达71%。

表2 不同工况塑性区扩散距离 m

工况拱顶边墙仰拱工况11.523.5工况22.52.56

综上数值计算结果可知：由于围岩中水的存在，直接导致衬砌总应力值增大52.15%，弯矩值增大75.4%。隧道衬砌在较大的压应力和弯矩同时作用下，极易造成部分衬砌混凝土的压碎，影响支护结构的承载力，造成衬砌出现裂纹、裂缝等病害，而裂纹裂缝又会成为水流通道，加剧隧道结构的破坏。且塑性区的加大也会造成围岩流变区域加大，造成围岩承载力下降，进一步加剧衬砌的变形，影响施工和运营安全。

4 涌水处治

由前述考虑水作用的流固耦合对比计算结果可知，渗流的存在造成衬砌内力及围岩塑性区变化明显，普通的衬砌设计已不足以满足隧道安全运营的标准，且衬砌施作时沿隧道轮廓线的大量涌水会影响施工进程，造成混凝土的坍落度增加，影响衬砌强度。故很有必要对隧道涌水进行处治。目前主要的处治方法有堵水和泄水2种处理措施。针对F10断层破碎带围岩实际情况，从多方面进行涌水处治措施比选[11-15]。方案比选见表3。

表3 方案比选

因素泄水施工堵水施工地质适用性前方岩层较完整,围岩等级为Ⅲ级,出水为裂隙水前方有断层破碎带,出水量很大,开挖出现涌水涌泥等情况安全性地质条件较好,采用有效的泄水方式,安全可控通过周边围岩注浆加固堵水,施工安全性较高施工工期只需打设泄水孔,施工较快,工期较短需要超前预注浆,施工工期较长经济性施工费用较低需要预注浆,费用较高后期运营排水可有效封堵岩层裂隙,降低岩层渗水,起到限量排水的效果后期出水量较少,可达到限排要求

泽雅隧道DK165+052段，穿越F10断层破碎带，日出水量达2 352 m3，该涌水量属大股状涌水，超前预注浆难度高。经综合比选，选择泄水加径向注浆处理措施，即开挖之前，先在掌子面底部打泄水孔进行泄水，再进行环向注浆。

4.1 注浆参数选取

4.1.1 注浆圈厚度选取

选取泽雅隧道穿越F10断面，进行以下工况的流固耦合数值分析，各计算工况见表4。各工况计算时，注浆圈渗透系数保持不变，均为5×10-3 cm/s，注浆范围为360°，即全范围注浆[16]。

表4 不同注浆范围计算工况

工况注浆圈厚度(K)/m工况10工况23工况35工况47

4.1.2 计算结果分析

图6列出了注浆加固圈厚度K为0(不注浆)、3、5、7 m时的孔隙水压力场分布。

图6 各工况孔隙水压力场分布(单位：Pa)

由图6可知：当K=0 m(不注浆)时，孔隙水压力呈漏斗状分布。相比于K=0 m情况，K=3 m时，隧道的开挖对渗流场的影响区域明显减小，隧道开挖轮廓线附近孔隙水压力场等值线呈现近似水平状态，仅有衬砌排水孔部位水压较小。随着注浆圈厚度的增加，隧道开挖轮廓线周围孔隙压力继续减小，当K=5 m时，隧道拱腰附近孔隙水压力接近排水孔附近，仅拱顶和仰拱处孔隙水压力较大。当K=7 m时，整个隧道轮廓线附近水压力均减小至排水孔附近围岩孔隙水压力水平。当K>7 m后，随着注浆圈厚度增加，隧道附近孔隙水压力基本不再变化，仅压力下降区域有所扩大。综上可知，合理注浆圈厚度K=5～7 m。

4.2 注浆圈渗透系数选取

4.2.1 计算工况

选取的各计算工况见表5。不同工况注浆圈厚度保持不变，均为7 m，注浆范围为360°。用字母p表示围岩与注浆圈渗透系数之比。

表5 不同注浆圈渗透系数时计算工况

工况渗透系数之比(p)注浆圈渗透系数/(cm/s)工况115×10-3工况2105×10-4工况3301.67×10-4工况4501×10-4工况51005×10-5

4.2.2 计算结果分析

图7 不同围岩与注浆圈渗透系数比值情况下

的孔隙水压力分布(单位：Pa)

图7列出了不同比值p情况下的孔隙水压力分布。由图7可知，随着p值的增大，注浆圈阻水效果显著提高。当p=1时，围岩孔隙水压力呈漏斗状分布，临近隧道处围岩水压较小，但水压等高线变化较大，隧道开挖对临近水系统扰动较大。当p=10时，等高线趋于水平，仅仅在隧道部位稍有下降。当p=30时，围岩水压等高线呈接近水平状态。当p=50以后，注浆圈渗透系数的改变不再对围岩水压等高线有影响，且隧道开挖轮廓线附近水压接近零。可见围岩和注浆圈渗透系数的合理比值为30～50。

4.3 施工效果检验

采用上述计算结果对泽雅隧道涌水进行处治，处治前隧道大量涌水如图8(a)所示；在掌子面底部进行打孔和径向注浆后，初支无渗水出现如图8(b)所示，仅有掌子面底部有水涌出，将从两侧排水沟排除后，不影响正常施工。处治效果较好。

图8 涌水处治效果对比

5 结论

针对泽雅隧道穿越F10段施工中遇到的涌水问题，选取一典型断面进行不考虑流固耦合和考虑流固耦合2种工况的隧道结构的力学特性进行对比分析，并进行了处治措施比选及优化，该计算结果有效的指导了施工。主要结论如下。

(1)考虑流固耦合情况后，衬砌总应力最大值增幅为52.15%，最大弯矩增幅为75.4%；考虑流固耦合后围岩塑性区范围扩大明显，其中仰拱处围岩塑性区径向最大值由3.5 m增至6 m，增幅达71.4%。渗流的存在对衬砌安全性影响较大。

(2)采取泄水加径向注浆处治措施时，该隧道径向合理注浆圈厚度为5～7 m，围岩与注浆圈渗透系数的合理比值为30～50，在此基础上增加注浆圈厚度、提高注浆圈的抗渗系数，对隧道开挖轮廓线附近水压改变效果不明显。

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Fluid Solid Coupling Analysis and Water Treatment Measures of a Tunnel in Fault Section

WANG Chao

(The Fifth Engineering Co.， Ltd.， China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group， Chengdu 610500， China)

Abstract：The numerical model is established with ABAQUS numerical analysis software to analyze the mechanical characteristics of the tunnel lining and determine whether the fluid solid coupling is required， with a view to the rock breaking and heavy water gushing where Zeya tunnel passes through F10 a fault section. The seepage causes the tunnel lining stress to increase totally by 52.15% and an increase of 75.4% lining moment. Based on the great impact of water surge on tunnel mechanical property and the actual situation of tunnel surge water， the drainage hole with ring radial grouting is applied and ring grouting thickness and grouting material permeability coefficient are optimized by means of numerical analysis. The results show that the grouting layer thickness of 5～7 m and grouting material permeability coefficient of 30 ～ 50 times of surrounding will have a better construction result. The analysis results can be used to guide construction and provide reference for similar projects．

Key words：Tunnel gushing; Numerical analysis; Treatment measures; Grouting parameters

收稿日期：2016-04-26；

修回日期：2016-05-07

作者简介：王 超(1983—)，男，工程师，2007年毕业于石家庄铁道学院土木工程专业，工学学士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)12-0109-05

中图分类号：U459.1

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.024