河底浅埋小净距隧道在不同河水位作用下的渗流性状分析

JiangsuScience&TechnologyInformationNo.26September，2019河底浅埋小净距隧道

在不同河水位作用下的渗流性状分析

李沣展1，岳

健1*，彭汉华2

（1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201；2.中南勘察基础工程有限公司，湖北武汉430080）

摘要：文章针对目前国内罕见的采用矿山法施工的河底浅埋小净距公路隧道，建立三维计算模型，数

值模拟对比分析7种河水位作用下的初衬背后水压力、渗水量和渗流速度，结果表明：第83天河水位升高引起的初衬背后最大水压力增加量远小于对应的河水静压力增加量；河水位每升高1m，第18天先行洞最大渗水量增大约0.01m3/d，最大渗流速度增大约0.03m/d，后行洞最大渗水量增大约0.017m3/d，最大渗流速度增大约0.06m/d。关键词：河底小净距隧道；河水位；施工期；渗流性状中图分类号：U459.5文献标志码：A0

引言

采用矿山法施工的河底浅埋小净距公路隧道目前在国内尚属罕见，但具有广阔的应用前景。目前虽然已经有学者对这类隧道的受力性状与监测技术进行了相关研究［1-3］，但还需要深入研究这类隧道在不同河水位作用下的渗流性状，以确保这类高风险隧道的施工安全。本文以长沙市浏阳河公路隧道为工程背景，建立三维计算模型，数值模拟对比分析施工期间7种河水位作用下的隧道渗流性状，所得结论可为实际工程提供参考。1计算模型概况

选取浏阳河公路隧道河底某段作为研究对象，隧道上覆岩土层厚度为14m，双洞间的净距为22.61m，单洞横断面如图1所示，初衬外是厚度为5.5m的超前注浆加固圈，限于篇幅，具体工程情况见文献［1］。采用有限元软件建立的三维模型如图2所示。计算参数如表1所示。

研究区段隧道采用上下台阶法开挖，开挖面变化情况如图3所示，总耗时83天，图中纯粹的数字表示时间（天），中间断面为本文典型分析断面。将随施工推进出现的围岩与初衬的临空面压力水头设为0。模型顶面为河水与岩土的交界面，将模型顶面设为透水界面，4个侧面与底面设为不透水边界。

采用上述方法建立7个模型，7个模型分别对应7种不同的河水位，即分别对应7种工况，如表2所示。每一个模型的顶面总水头均用公式（1）表示。

hw=hc-he+hf（1）

式中：hw为不同工况的总水头，hc为不同工况河水位的高度，he为模型顶面标高（22m），hf为模型高度

图1单洞断面示意

图2计算模型网格划分

作者简介：李沣展（1993—），男，河南新乡人，硕士研究生；研究方向：隧道工程。

*通信作者：岳健（1978—），男，山西阳泉人，讲师，博士；研究方向：隧道工程。

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第26期2019年9月江苏科技信息·基础研究

表1材料的计算参数

No.26September，2019名称渗透系数/m⋅d-1

强风化砾岩

0.25超前注浆加固圈

0.125初衬0.1二衬及仰拱填充

0.000115注：第12-15，25-49，58-62，69-71天，研究区段未施工，因此未在图中示出。

图31开挖面的时空变化示意表27种河水位工况

工况编号

隧道上方河水位（吴淞高程）/m

25.8428.03230.22332.56434.90537.24639.587（150m）。将这7种河水位按照文献［2］所述方法嵌入

模型中进行渗流计算。

2比较7种河水位作用下的隧道渗流性状

图4为第83天双洞初衬背后最大水压力随河水位变化曲线。分析可知：双洞初衬背后的最大水压力均与河水位呈相同线性关系，工况7双洞初衬背后的最大水压力相较于工况1增加了约4.9kPa；隧道上方河水位每升高1m，双洞初衬背后的最大水压力升高约0.38kPa，远小于对应的河水静压力增加值10kPa，可见在初衬能够透水泄压的情况下，河水位升高引起的初衬背后最大水压力增加量远小于对应的河水静压力增加量。

图5为第18天双洞最大渗水量随河水位变化曲线。分析可得：第18天的先行洞、后行洞的最大渗水量分别与河水位呈现不同的线性关系，对于先行洞而

言，河水位每升高1m，最大渗水量增大约0.01m3/d，

工况7最大渗水量相较于工况1增大约50%；对于后行洞而言，河水位每升高1m，最大渗水量增大约0.017m3/d，工况7后行洞最大渗水量相较于工况1增大约48%。图6为工况1，3，7单位面积渗水量随时间变化曲线。3种河水位工况中，单位面积渗水量的总体变化趋势一致，相较于其余2种工况，工况7单位面积渗水量在施工初期最大，随时间推移下降趋势也最为明显。

图7为第18天双洞最大渗流速度随河水位变化曲线。分析得：第18天的先行洞、后行洞的最大渗流速度分别与河水位呈现不同的线性关系，先行洞最大渗流速度的变化幅度小于后行洞最大渗流速度的变化幅度；河水位每升高1m，先行洞最大渗流速度增大约0.03m/d，后行洞最大渗流速度增大约0.06m/d，工

图4第83天双洞初衬背后最大水压力随河水位变化曲线图5第18天最大渗水量随河水位变化曲线

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第26期2019年9月江苏科技信息·基础研究

No.26September，2019图6不同工况单位面积渗水量随时间变化曲线图7第18天最大渗流速度随河水位变化曲线

况7先行洞最大渗流速度较工况1增大约50%，工况

7后行洞最大渗流速度较工况1增大约50%。图8为工况1，3，7最大渗流速度变化曲线。3种工况中，河水位越高，最大渗流速度越大，工况7最大渗流速度波动幅度相较于工况1与工况3更为明显。3结语

（1）第83天双洞初衬背后的最大水压力均与河水位呈相同线性关系，河水位升高引起的初衬背后最大水压力增加量远小于对应的河水静压力增加量。

（2）第18天河水位每升高1m，先行洞最大渗水量增大约0.01m3/d，后行洞最大渗水量增大约0.017m3/d。

（3）河水位每升高1m，第18天先行洞最大渗流速度增大约0.03m/d，后行洞最大渗流速度增大约0.06m/d。

参考文献

［1］魏彦昭.城市河底浅埋隧道围岩与衬砌力学性状的分析与探索［D］.湘潭：湖南科技大学，2017.

图8不同工况最大渗流速度随时间变化曲线

［2］岳健，谭仁华，安永林，等.河水位变化影响下水下

隧道的施工力学行为［J］.铁道科学与工程学报，2016（11）：2211-2219.［3］岳健，魏彦昭，安永林.城市水下浅埋隧道现场监测问题探讨［J］.建筑技术，2017（11）：1191-1195.

（责任编辑王永超）

Analysisofseepagecharacteristicsunderdifferentriverlevelsofshallowburiedtunnelswith

smallclearspacingatthebottomofriver

LiFengzhan1,YueJian1*,PengHanhua2

（1.SchoolofCivilEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China;

2.CentralSouthExploration&FoundationEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430080,China）Abstract:Aimingattherareshallow-buriedhighwaytunnelsconstructedbyminingmethodwithsmallclearspacingatthebottomofriverinChinaatpresent,athree-dimensionalcalculationmodelisestablished.Thewaterpressurebehindtheinitiallining,seepageflowrateandseepagevelocityinfluencedbysevenriverwaterlevelsarecomparedandanalyzedbynumericalsimulation.Theresultsshowthatthemaximumincreaseofwaterpressurebehindtheinitialliningcausedbytheriseofriverwaterlevelonthe83rddayismuchsmallerthanthecorrespondingincreaseofhydrostaticpressure.Themaximumseepageflowrateofthefirstcaveincreasesbyabout0.01m3/d,andthemaximumseepagevelocityincreasesbyabout0.03m/d,andthemaximumseepagevolumeofthesecondcaveincreasesbyabout0.17m3/dandthemaximumseepagevelocityincreasesbyabout0.06m/dwhenthe18thday’sriverwaterlevelrisesby1m.

Keywords:tunnelswithsmallclearspacingatthebottomofriver;riverlevel;constructionperiod;seepagecharacteristics

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