渗流作用对深埋富水区围岩开挖变形影响的数值分析*

隧道在开挖过程中，破坏了岩体原有的平衡状态，使应力场发生改变，引起应力重分布，岩体可能产生变形甚至破坏[1]。围岩的稳定性受到一系列因素的影响，自然因素包括地应力、岩体地质结构、岩体的力学性质及地下水等因素，而影响围岩稳定的人为主观因素则主要包括施工方法、支护措施、洞室的断面形状和尺寸及埋深等[2]。对于围岩等级较差，地质条件复杂、岩性、空间位置变化频繁的地段，围岩变形变化大，围岩变形过程中，不仅岩体的形状和内部结构不断发生变化，其应力状态也随之不断调整，并引起能量的积存和释放等效应。隧道施工主要工序，如开挖、初期支护、设置仰拱、二次衬砌等工序是隧道变形影响的主要因素[3]。

保持隧道开挖面的稳定是隧道掘进施工中的关键技术，同时也是施工安全的基本保证。对于含水地层的隧道开挖，在水头差的作用下，地下水会向着开挖面渗流从而产生作用于开挖面的渗流力，影响开挖面的稳定性[4-5]。考虑渗流力时围岩的稳定性可采用理论分析和数值模拟相结合的方法进行分析[6-7]。分析围岩开挖的影响因素并掌握其影响规律，结合工程实际开展围岩开挖变形影响因素研究非常有必要，可根据研究结果合理选择施工工艺及支护方式，防治隧道工程灾害，保证施工进度及综合效益。

1 数值计算模型的建立

小北山一号隧道全长约3 000 m，为揭(阳)惠(来)高速关键工程之一。隧道分左线、右线布置，左线隧道里程ZK14+390-ZK17+386，长度2 996 m；右线隧道里程K14+380-K17+384，长度3 004 m，根据现场地质调查和地质钻探成果，隧道址区基底主要为燕山期花岗岩，局部见辉绿岩岩脉。龙潭峰水库位于小北山一号隧道K16+400-K16+900左侧，占地面积68 000 m2，蓄水量达30万m3，与隧道设计高差约149 m。隧道以地下隧洞形式从龙潭峰水库斜下方穿越，通过F3断裂破碎带相连。

本次模拟采用midas GTS NX软件。取隧道中心线为Y轴，垂直方向为X轴，铅垂方向为Z轴，隧道前面底部中心点为模型的坐标原点。考虑隧道开挖和渗流的影响半径，在X方向左右各取约8倍洞径，计算范围为120 m；隧道下方取约5倍洞高，隧道埋深取150 m，Z方向计算范围约210 m；在Y方向取掌子面每次进尺的长度2 m，模拟开挖30步，同时为保证模拟的真实性，减小边界条件的影响，模拟已完成开挖30 m，并对其施作初支30 m，二衬20 m(V级围岩设仰拱30 m)，未开挖围岩30 m，Y方向计算范围为30 m+30 m×2+30 m=120 m。

本产品的开发面向终端市场，因此要考虑颜色、风味、形态、稳定性、应用效果等方面的因素，才能开发出质量稳定、使用效果好、吸引顾客的产品。基于上述考虑的几点因素确定配方中的原料为：虾油、味精、食盐、白砂糖、干贝素、变性淀粉、黄原胶、焦糖色、酵母抽提物、麦芽糊精。

模型的计算范围为120 m×120 m×210 m，整个数学模型共划分为97 679个实体单元、4 480个板单元、17 469个节点。

隧道数值计算模型见图1，开挖网格组见图2。

  

图1 隧道数值计算模型图

  

图2 开挖网格组分布图

根据地质勘探资料确定岩体的物理力学参数，采用等效连续介质模型，D-P弹塑性屈服准则。岩体采用实体单元模拟，支护结构用板单元模拟；模型的上部为自由边界，底部为固定边界。根据地质勘探资料，隧道埋深较大，隧道在垂直方向的初始地应力取岩体的自重，水平方向的初始地应力按侧压力系数K=1时考虑。各级围岩、支护结构、注浆区及破碎带的模拟计算参数如表1所示。

 

表1 模拟计算参数表

  

岩体类型弹性模量E/GPa泊松比μ容重γ/(kN·m-3)孔隙率n渗透系数K/(cm·s-1)黏聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)厚度t/cmIII级围岩围岩120．28240．151．4×10-5145初支290．16240．05∞10二衬300．16240．05∞30IV级围岩围岩3．50．32220．182．3×10-50．4533初支290．16240．05∞20二衬300．16240．05∞45V级围岩围岩1．50．40190．223．5×10-50．1524初支290．16240．05∞25二衬300．16240．05∞50注浆区30．35220．22．0×10-50．330500

2 不考虑渗流作用的围岩开挖变形影响因素分析

2.1 围岩等级对围岩开挖变形影响分析

有道是“学习是人类进步的阶梯”，是提高素质的基本途径，是干部成长规律的客观要求。要想有所作为，必须始终保持一种勤奋学习的状态，把学习当作一种追求、一种境界、一种生命趣味，树立终身学习、时时学习、事事学习的观念。当下，不论是经济发展全球化，还是信息网络技术的日新月异，都充分表明生存环境的变化在不断加大加快，生存和发展需要我们不断加强学习、终身学习，正如陈毅元帅在《赣南游击词》中说的那样“勤学习、落伍实堪悲”。

隧道开挖尺寸如图3所示。取第12步开挖后隧道断面为研究断面(以下各节数值模拟均取此断面为研究断面)，提取拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛计算结果，如图4所示，其中图中水平轴负值表示该断面未开挖，正值表示该断面已开挖。

  

图3 隧道开挖尺寸布置图(尺寸单位：m)

  

图4 III、IV、V级围岩位移场曲线图

由图4可见：

1) III，IV，V级围岩在无支护的情况下，拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛的变化规律基本一致，均随着距离的增大而增大，变形速度表现为随着掌子面的临近而增大，随着掌子面的远离而减小；各级围岩开挖前位移变化量与开挖后位移变化量之比均约为3∶7。

1.当出现发动机抖动、报失火故障时，先分析原理，再动手检修。之前反复更换点火线圈和火花塞而无法彻底排除故障，就是因为没有吃透发动机工作原理，不能全面诊断故障原因。

2) 随着围岩等级的降低，围岩变形速度增加。在隧道施工监控中，位移速度是决定监控量测频率的一项重要指标。若每步开挖需要1 d，则可以假定当位移速度大于0.5 mm/步时，属于急剧变形阶段；位移速度小于0.1 mm/步时,变形基本收敛。

3) 随着围岩等级的降低，围岩最终变形量依次增大。其中III，IV，V级围岩竖向总位移比例约为1∶1.6∶3.5，水平总位移比例约为1∶8∶54。水平位移比例明显大于竖向位移比例，这是由于随着围岩等级的降低，泊松比逐渐增大、黏聚力及内摩擦角逐渐减小等因素的综合影响造成的。

②对于IV级围岩，整个开挖阶段的位移变化速度相对III级围岩更快，在[-0.4，0.6 R]阶段表现出位移的急剧变化，在开挖后距掌子面2.0 R时，此时变形量占总变形的96 %，变形基本收敛。

完全应力-渗流耦合分析并不遵循稳态的孔隙水压力恒定的假设，适用于模拟完全耦合形式的瞬态渗流现象中的应力分析及非稳态条件。与固结分析不同，可以定义随时间变化的渗流边界条件、边界流量等。换言之，在完全应力-渗流耦合分析中，可以使用非稳态渗流分析的边界条件和结构的荷载及边界条件。

2.1 两组患者一般临床资料比较 冠心病组与非冠心病组在年龄、绝经年龄及冠心病危险因素(如体质指数、体表面积、吸烟、高血压及糖尿病史)方面差异均无统计学意义(均P>0.05)。见表1。

①对于III级围岩，整个开挖阶段的位移变化都比较平缓，只有在[0，0.2 R]阶段(R为隧道跨径，约为10 m)表现出位移的急剧变化，在开挖后距掌子面1.2 R时，此时变形量占总变形的90%，变形基本收敛。

本次数值模拟主要针对IV、V级围岩，对比分析采用全断面法与台阶法开挖对围岩变形的影响。对于IV级围岩，采用二台阶法开挖，设台阶长度为10 m；对于V级围岩采用环形台阶法开挖，设预留核心土长度为4 m，下台阶为6 m。考虑围岩的支护作用，IV、V级围岩的支护方式及相关参数同上节。

2.2 支护(初支)对围岩开挖变形影响分析

在本次模拟中，III，IV，V级围岩均采用全断面法，以排除开挖方法对围岩变形的影响。初喷在围岩开挖后跟进施作，二衬只在开挖前20 m施作，仰拱只在开挖前30 m施作，二衬和仰拱只作为开挖前支护条件，不随着开挖的进行而跟进施作，因此本次仅模拟初支对围岩开挖变形的影响，不考虑二衬、仰拱及开挖方法的影响。III，IV级围岩初支布置形式相同，均无仰拱，初喷不封闭，只是初支厚度不同。V级围岩有仰拱，初喷封闭。

各级围岩支护参数同表1所示。

各级围岩支护布置形式见图5、图6。

  

图5 III，IV级围岩支护布置形式

  

图6 V级围岩支护布置形式

提取拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛计算结果并对比上节无支护结果，见图7。

（1）是否属于现有认知水平所无法预测的错误。现有的认知水平限制了党员干部对一些未知情况的判断，从而导致了一定工作错误的发生，这种错误由于排除了党员干部的主观恶性，属于认知水平所无法企及的，在一定程度上无法避免，因此可以适用容错纠错机制来进行处理。

  

图7 有无支护位移场曲线对比图

由图7可见：

1) 各级围岩在有、无初支情况下，变形规律基本一致。均表现出位移随着距离的增大而增大，变形速度表现为随着掌子面的临近而增大，随着掌子面的远离而减小等特征。

2) 各级围岩在有、无初支情况下，开挖前的拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛曲线基本重合，即支护对围岩开挖前的变形基本没有影响。这是由于支护是在围岩开挖后施作的，对前方未开挖围岩扰动较小。在开挖后，各级围岩在支护作用下的围岩变形均比无支护情况要小，表现出初支对抵制围岩开挖变形的作用。

3) 对于不同的围岩等级，初支对于围岩开挖后变形的影响程度随着围岩等级的降低而增大。

①对于III级围岩，在支护下围岩变形总量与无支护下围岩变形总量之比约为0.98∶1，且变形曲线基本完全重合。因此初支对于围岩开挖变形的影响可以忽略不计，只是作为一种安全储备。

②对于IV级围岩，在支护下围岩变形总量与无支护下围岩变形总量之比约为0.90∶1，即支护作用减少了约10%的围岩变形。在支护作用下，开挖后的围岩变形速度有所减小，变形基本收敛距离也有所减小，由原来的2.0 R降至1.6 R。

③对于V级围岩，有、无支护情况下围岩竖向变形与水平变形有所不同。有、无支护下围岩竖向变形总量之比约为0.75∶1，水平变形总量之比约为0.45∶1，即支护作用减少了约25%的围岩竖向变形、55%的围岩水平变形。可见，支护对于围岩水平变形的限制更为明显。在支护作用下，开挖后的围岩变形速度大幅减小，变形基本收敛，距离也大幅减小，由原来的2.8 R降至2.0 R。

2.3 开挖方法对围岩开挖变形影响分析

隧道开挖是施工的重要工序，开挖方法的选择不仅决定隧道的施工进度，而且严重影响到施工安全，科学合理的选择隧道开挖方法十分重要。隧道开挖掘进方法分机械掘进与钻爆开挖两大类。其中机械掘进有TBM、盾构两种方式，钻爆法开挖分全断面法、台阶法，其中台阶法又分二台阶、三台阶及三台阶预留核心土法，其它主体方法还有CD、CRD法、双侧壁导坑法、中洞法，一般根据围岩等级及施工条件的不同采用不同的施工方法改善隧道开挖后围岩的受力和变形。在依托工程小北山1号隧道施工中，III级围岩一般采用全断面法，IV级围岩一般采用台阶法，V级围岩一般采用环形台阶法(三台阶预留核心土法)。

皇上很为难，说，这几年，秀容兵都分散了，要把他们召集起来也不容易。你先去守桂州，召集秀容兵一事，我放心上就是。

台阶法开挖形式及网格组划分见图8、图9。

  

图8 台阶法开挖形式图

  

图9 台阶法开挖网格组图

提取拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛计算结果并对比上节全断面法结果，见图10。

  

图10 全断面、台阶法位移场曲线对比图

由图10可见：

1) 对于IV，V级围岩，隧道采用台阶法开挖与全断面法开挖时围岩的变形过程有所不同，但最终变形量基本一致。由此可见，开挖方法的不同只是影响了围岩的变形过程。

During their first winter, over half of the settlers died of starvation. With the help of Indians［印第安人］, those who survived learned hunt［狩猎］,fishing［捕鱼］ and plantingcrops［作物］. They got used to the new life and built their new home.

其一，定性与思辨法占主导，但历史思辨法缺乏，多以个人经验、感悟进行思辨.今后需加强对文献的梳理，系统地了解数据分析观念的发展进程，从而避免重复性研究，为研究者提供理论和实践的参考和依据.

2) 相比于全断面法，台阶法开挖对围岩拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛3个变形指标的影响程度不同。对拱底隆起影响最大，水平收敛次之，对拱顶下沉影响最小，以V级围岩为例。

（2）拆除了物流行业的交易壁垒，使企业与企业之间来往更频繁，让越来越多的企业倾向于选择进入交通运输服务行业，因为进项税额可以抵扣，物流企业可以更加放心大胆地去干这一行，不再有以前那么多顾虑，因为现在只需要对增值部分增税，就不怕亏了还要交税。营业税改增值税的政策大大刺激了物流企业经济的迅猛发展，使企业更有干劲，让物流企业内部管理更严密、内控更完善，使各个部门工作更精细，工作效果更美好。

①拱底隆起。当上台阶开挖到研究断面时，拱底测点隆起值比全断面法隆起值大4.6 mm，该测点位移释放系数已达到25%，此时全断面法开挖的拱底位移释放系数仅为2.7%，台阶法明显比全断面法产生了更多的拱底隆起变形；当下台阶开挖到研究断面，即开挖到拱顶测点时，拱底测点位移释放系数达到82%，全断面法开挖的位移释放系数仅为40%，台阶法相对于全断面法已经完成了大部分的拱底隆起变形，以上均体现出上台阶开挖对于拱底围岩较大的卸载作用。

②水平收敛。当上台阶开挖到研究断面时，水平收敛值比全断面法水平收敛值大0.44 mm，该水平测线的位移释放系数达到9.2%，此时全断面法开挖的水平位移释放系数为5.0%，台阶法比全断面法产生了稍多水平收敛变形；当下台阶开挖到研究断面，即水平测线完全开挖时，水平测线位移释放系数达到68%，全断面法开挖的位移释放系数为51%，台阶法相对全断面法完成了更多的水平收敛变形，体现出上台阶开挖对于拱腰围岩一定的卸载作用。

③拱顶下沉。当上台阶开挖到研究断面，即开挖到拱顶测点时，对于V级围岩，拱顶测点下沉值比全断面法下沉值小1.8 mm，该测点位移释放系数已达到28%，此时全断面法开挖的拱顶位移释放系数为39%，两者相差11%；而对于IV级围岩，此时采用台阶法与全断面法开挖的拱顶位移释放系数差值却仅为1.4%，这主要是由于核心土对开挖面的支承作用，有效地抑制了拱顶下沉。当下台阶开挖到研究断面时，拱顶测点位移释放系数达到89%，全断面法开挖的位移释放系数为91%，此时台阶法与全断面法拱顶下沉总量基本相同，可以看出拱顶下沉在上台阶开挖后已基本完成，下台阶开挖对于拱顶变形影响很小。

③采用台阶法开挖相比全断面法开挖会改善围岩的变形速度及变形收敛时间。以V级围岩拱底隆起指标为例，采用全断面法开挖引起拱底最大隆起变形速度发生在断面开挖前后，最大隆起变形速度高达4.9 mm/步(每步开挖2 m)，隆起变形大于2.0 mm/步的范围为[-0.4 R，0.4 R]，隆起变形基本收敛距离为2.6 R；而采用台阶法开挖引起拱底最大隆起变形速度发生在上台阶开挖前后，最大隆起变形速度为3.1 mm/步，隆起变形大于2.0 mm/步的范围为[-R，-0.6 R]，隆起变形基本收敛距离为1.6 R。

3 考虑渗流作用的围岩开挖变形分析

③对于V级围岩，整个开挖阶段的位移变化速度最快，在[-0.8，1.2 R]阶段表现出位移的急剧变化，在开挖后距掌子面2.8 R时，此时变形量占总变形的98 %，变形基本收敛。

这类分析可以用于降雨条件下的岩土稳定分析和大型水库水位变化的稳定性分析等。特别是可采用全部的渗流边界条件(水头/流量)，不仅用于分析超孔隙水压力的变化，而且也可分析固结孔隙水压力的整体变化。

由于小北山一号隧道上方存在龙潭峰水库，水源供应充足，渗流条件相对稳定，另外针对IV级围岩150 m水头差情况，分别进行了连续渗流-应力分析和完全应力渗流数值模拟分析，对比发现两者对于隧道围岩变形影响基本相同，如图11所示，因此，在以下模拟中均采用连续渗流-应力分析。

  

图11 不同应力-渗流耦合分析方法结果对比图

假定隧道开挖前，地下水位面以下围岩处于饱和状态。设模型的底部、左右两侧及后边界为不透水边界，上边界为自由边界。隧道开挖后，地下水在隧道开挖区域的边界上为自由透水边界，渗流水压力为零。

③课后：每章课程结束后由示教老师在“经验教训库”中选择3～5个病例通过微信推送至群聊，与学生进行互动讨论，进一步巩固知识点，并针对学生遇到的问题进行答疑解惑。

在模拟分析中支护条件、边界条件等均与不考虑渗流情况一致，水位条件分水位面在隧道上方50，100，150，200 m(即水头差为50，100，150，200 m)4种情况讨论，通过添加节点水头的方式为围岩设置水位条件，模型总高210 m，隧道中心标高60 m。

水头条件添加方式如下。

1) 水头差为50 m情况，设110 m水位线以下模型底部、左右两侧及后边界节点总水头为110 m，隧道开挖边界节点压力水头为0。

2) 水头差为100 m情况，设160 m水位线以下模型底部、左右两侧及后边界节点总水头为160 m，隧道开挖边界节点压力水头为0。

因为负荷预测具有较高的实时性，本文采用ARMAX模型[14]对负荷进行预测。ARMAX模型主要包括模型定阶、参数优化和参数检验3方面内容，可描述为

3) 水头差为150 m情况，210 m水位线刚好在模型顶面，设整个模型底部、左右两侧及后边界节点总水头为210 m，隧道开挖边界节点压力水头为0。

为排除施工方法及支护对围岩开挖变形的影响，本小节所模拟的III，IV，V级围岩开挖均采用全断面法，围岩均处于无支护状态。

4) 水头差为200 m情况，260 m水位线在模型上方，设整个模型底部、左右两侧及后边界节点总水头为260 m，隧道开挖边界节点压力水头为0。

例(13)这类名词性谓语句引起了不少的讨论，如刘顺(2003)和陈满华(2008)试图解释为什么(13)可以说，而“小娟头发，脸”则不能说，认为这是由于名词的有界和无界性质影响了句子的自足与否，但我们认为，从描写语体的场景凸显性特征可以更为简洁地解释这一现象，正如单音节形容词不能直接充当谓语一样，描写语体中名词性谓语句的谓语需要有定语来让整个名词性成分语义更为凸显。

3.1 不同水位下围岩开挖渗流场分析

均质围岩在无注浆加固、不考虑衬砌堵水情况下，各等级围岩在同水位情况下的孔隙水压力分布相同。运用有限元进行渗流分析后，得到水头差分别为50，100，150，200 m时围岩开挖前、后孔隙水头分布图见图12。

  

图12 不同水头差围岩开挖前孔隙水头分布云图

水头差为50，100，150，200 m时，围岩开挖后水头分布见图13。

  

图13 不同水头差围岩开挖后孔隙水头分布云图

由图12及图13可见：

隧道开挖后，围岩的渗流场产生变化，水向隧道内渗流，渗流速度矢量的方向为隧道径向方向。总水头值表现为沿着隧道径向方向逐渐减小至其位置水头值，孔隙水压力表现为在隧道在开挖后开挖边界孔隙水压力降为0，同时其周围一定区域内孔隙水压力也大幅减小，渗流场在隧道的周围形成了一个降水漏斗区，并且随着水位面的提高，水头差增大，孔隙水压的减小值变大。

3.2 不同水位下围岩开挖位移场分析

提取III，IV，V级围岩不同水头差下拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛的计算结果，并对比不考虑渗流情况计算结果，见图14～图16。

  

图14 III级围岩在不同水头差下渗流场曲线图

  

图15 IV级围岩在不同水头差下渗流场曲线图

  

图16 V级围岩在不同水头差下渗流场曲线图

由图14～图16可见：

1) 各级围岩在是否考虑渗流影响时的拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛曲线变化的总体规律大致相同。渗流水对围岩变形影响贯穿整个变形过程，且随着开挖距离的增加而增大。

2) 各级围岩在是否考虑渗流情况时对拱顶下沉、拱底隆起值及水平收敛变化的影响有所不同。拱顶下沉、水平收敛值在考虑渗流影响时均比不考虑渗流影响的变形值大，且随着水头差的提高而增大；而拱底隆起值恰恰相反，拱底在考虑渗流影响时比不考虑渗流影响的隆起值要小，且随着水头差的提高而减小。

这是由于隧道有水开挖时的渗流现象改变的孔隙水压力分布，隧道开挖区域孔隙水压力大幅减小，渗流场在隧道的周围形成了一个降水漏斗区，导致整个隧道向下的固结沉降和水平方向的两腰收敛，且随着水位面的提高，水头差增大，孔隙水压的减小值变大，固结沉降和两腰收敛值也增大。

3) 隧道在有水开挖时，渗流场会影响隧道的净空大小，且影响程度随着水头差的增大而增大。以IV级围岩隧道为例，在50，100，150，200 m水头差下的开挖变形后隧道净高(拱顶、拱底之间距离)分别比不考虑渗流情况减小约0.21，0.58，0.66，0.91 mm，开挖变形后隧道净宽(水平测线

照顾老年人首先要有一颗宽容的心，不能有嫌弃厌恶的表情，一定要面带微笑、陪老年人聊天回忆美好的往事和讨论他们感兴趣的话题。

长度)相比不考虑渗流情况减小约1.33，2.55，3.77，4.91 mm，可见有水开挖渗流场会减小隧道的净空，且主要影响隧道净宽。

4) 随着围岩等级的降低，渗流对围岩开挖变形的影响逐渐增大，主要表现为围岩变形值的增大和变形收敛距离增加。

4 结论

1) 围岩变形在开挖前就已产生并贯穿整个开挖过程，不同等级围岩变形程度不同，随着围岩等级的降低，围岩变形速度、变形总量及变形基本收敛距离依次增加。

2) 支护主要影响围岩开挖后的变形且随着围岩等级的降低，支护的作用越来越明显。对于低等级围岩，支护能有效地减小围岩的开挖变形。

3) 采用台阶法开挖相比于全断面法能有效地降低围岩开挖位移变形速度，能控制低等级围岩开挖位移急剧变形，使围岩变形平缓化，同时台阶法能显著减少围岩变形基本收敛距离。

4) 渗流对隧道开挖围岩变形的影响主要体现在渗流场在隧道的周围形成了一个降水漏斗区，导致整个隧道向下的固结沉降和水平方向的两腰收敛，使得隧道净空减小，并且对这些现象影响程度随着地下水位的提高，围岩等级的降低而增大。

参考文献

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