非对称渗流边界小净距隧道渗流场特征及结构安全分析

喻炳鑫; 陈子全; 何川; 李铮; 蔡鹏麟; 张航

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20230408

非对称渗流边界小净距隧道渗流场特征及结构安全分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230408

喻炳鑫^1,,
陈子全^1, ,,
何川¹,
李铮^{1, 2},
蔡鹏麟¹,
张航²

1.
西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031
2.
重庆市城市建设投资（集团）有限公司，重庆 400023

基金项目: 国家自然科学基金项目（52378415）；重庆市技术创新与应用发展专项（2024TIAD-KPX0090）；重庆英才计划（CSTC2021YCJH-BGZXM0246）

详细信息

作者简介:
喻炳鑫（1996—），男，博士研究生，研究方向为隧道与地下工程，E-mail：ybx2021@my.swjtu.edu.cn

通讯作者:
陈子全（1989—），男，副教授，研究方向为隧道与地下工程，E-mail：chenziquan@swjtu.edu.cn

中图分类号: TU45
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出版历程
- 收稿日期: 2023-08-17
- 修回日期: 2023-11-12
- 网络出版日期: 2024-10-17

Characteristics of Seepage Field and Structural Safety Analysis of Small Interval Tunnels with Asymmetric Seepage Boundaries

YU Bingxin^1
,,
CHEN Ziquan^{1
, ,},
HE Chuan¹,
LI Zheng^{1, 2},
CAI Penglin¹,
ZHANG Hang²

1.
Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
2.
Chongqing City Construction Investment (Group) Co., Ltd., Chongqing 400023, China

摘要

摘要:
为探究非对称渗流边界条件下小净距隧道渗流-应力场特征及衬砌结构的安全性，以深圳莲塘隧道为工程背景，开展小净距隧道渗流模型实验，并结合模型试验与相似模拟的方法，分析单侧水源条件下小净距隧道围岩渗流水压力分布规律，并揭示不同补水距离条件下渗流场的演化规律和衬砌的安全性. 结果表明：在单侧水源条件下，小净距隧道围岩渗流场呈现出显著的非对称分布，从补水边界到另一侧水位面呈非线性降低，在隧道附近的围岩中水压力在水平方向呈非对称的“W”形分布；围岩渗流场的非对称分布导致了左右洞水压力、排水量和安全系数的非对称；与远离水源的隧道相比，靠近水源的隧道平均水压力和排水量分别增大10.4%和5.5%，安全系数减小3.0%，并且水压力的非对称性更显著；从施工期到运营期，围岩和衬砌水压力分布的非对称性有小幅度增大；随着补水距离的增大，衬砌水压力线性减小，安全系数增大，水压力非对称系数增大；研究结果可为富水地区非对称渗流边界隧道的施工和运营提供一定的参考.
- 小净距隧道 /
- 非对称渗流边界 /
- 水源距离 /
- 渗流 /
- 结构安全
Abstract:
To study the characteristics of the seepage-stress field and the safety of the lining structure of small interval tunnels under asymmetric seepage boundary conditions, based on the Liantang Tunnel in Shenzhen, China, a seepage model experiment for the small interval tunnels was developed. In addition, through model experiment and analog simulation, the distribution law of seepage water pressure in the surrounding rock of the small interval tunnels under unilateral water source conditions was analyzed, and the evolution law of the seepage field and the safety of the lining at different distances from the water sources were revealed. The results indicate that the surrounding rock seepage field of the small interval tunnels exhibits a significant asymmetric distribution under unilateral water source conditions. The water level decreases nonlinearly from the water replenishment boundary to the other side. Besides, the water pressure in the surrounding rock near the tunnels is distributed in an asymmetric “W” shape. The asymmetric distribution of the surrounding rock seepage field leads to the asymmetry of water pressure, water inflow, and safety coefficient in the left and right tunnels. Compared with the tunnel farther from the water source, the average water pressure and water inflow of the tunnel closer to the water source increases by 10.4% and 5.5%, respectively, and the safety coefficient decreases by 3.0%. Moreover, the water pressure asymmetry of the tunnel closer to the water source is more significant. The asymmetry of water pressure distribution in the surrounding rock and lining slightly increases from the construction period to the operation period. As the distance from the water sources increases, the water pressure of the lining linearly decreases, and the safety coefficient and the asymmetry coefficient of the water pressure increase. The research results can provide a reference for the construction and operation of tunnels with asymmetric seepage boundaries in water-rich areas.
- small interval tunnels /
- asymmetric seepage boundary /
- distance from water source /
- seepage /
- structural safety

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在科学技术和工程技术快速进步和发展的大环境下，人类致力于开发地表以下更深层的地下空间. 以往常常使用的针对地表浅层的工程类比法在深层次开挖活动中使用就不那么准确. 经过100多年的研究，国内外形成了多种地应力场模拟的方法.

朱光仪等^[1-2]充分考虑岩体自重与构造应力的影响，采用三维建模结合回归分析的方法对计算区域实测地应力进行了反演. 郭运华等^[3]在综合分析各种方法优劣的基础上，选择了多元回归分析法对岩体实测地应力进行反演分析. 李金锁等^[4]通过原位地应力测量，确定了隧道区域的地应力状态，采用三维有限元方法确定了工程区的地应力分布. 白世伟等^[5]利用不断调整侧压力系数的方法对隧道围岩地应力进行研究，表面区域的地形地貌条件以及隧道埋深都会对隧道轴线各点的地应力产生影响. 赵跃堂等^[6]结合动力松弛算法和系统阻尼算法分析了大型地下结构初始地应力状态的可行性. 夏彬伟等^[7]结合渝沙高速公路共和隧道地应力量测资料，获得每一组侧压系数下的测试段地应力，利用横观各向同性弹塑性本构模型计算得到隧道轴线方向的初始地应力大小和方向. 田勇等^[8]利用多约束优化方法，通过目标区块边界荷载反演，进行了应力场的反演模拟. 刘宁等^[9]采用非连续数值分析方法建立三维模型，利用褶皱构造和断裂构造在现今构造挤压作用下的响应方式揭示了沿线地应力存在的分区现象. 由此可见，地应力反演分析是地下工程中较为重要的环节，为设计锚固支护提供了前提条件.

本文根据对某隧道进行现场地应力测试，通过有限元模拟反演了现场围岩地应力分布规律，为岩爆和大变形预测提供依据，同时为施工隧工提供一定的指导作用.

1. 区域地质环境

1.1 地形地貌

某隧道为越岭隧道，隧址区山高坡陡，属高山、极高山构造剥蚀地貌，地表高程2 715～4 225 m，外营力以冰水侵蚀作用、冻融作用为主，同时伴有生物风化等作用，为典型高原地貌. 受构造及岩性控制明显，其主体山脉走向与构造线延展方向基本一致，呈北北西展布，岭脊呈S形弯延起伏，河谷多呈V形谷. 隧址地貌如图1所示.

图 1 隧道地貌

Figure 1. Tunnel topography map

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1.2 地层岩性

隧址区地表零星分布第四系，下伏基岩主要为侵入岩和变质岩. 变质岩主要为三叠系砂板岩，侵入岩主要为花岗闪长岩、二长花岗岩等，深大断裂附近挤压强烈变质形成糜棱岩.

1.3 地质构造

隧区在一级构造上所在区域地处扬子陆块与松潘—甘孜造山带衔接处西侧，东邻龙门山构造带，如图2所示. 区内褶皱、断裂比较发育，印支、喜山运动使盖层发生褶皱，并奠定了现今的构造轮廓，形成以北西向为主的构造线. 在二级构造上处于鲜水河构造带内，隧区主要构造形迹走向为NW向.

图 2 研究区大地构造

Figure 2. Tectonic map of the study area

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地质构造背景极为复杂，断裂发育，主要发育有鲜水河断裂分支雅拉河断裂带、色拉哈—康定断裂带、三道桥等3条区域性深大断裂以及F4-4、F10-1 、F10-2等一系列次级断裂构造，见图3 （隧道全长17730 m）. 图中，DZ开头的都为测孔编号

图 3 隧道纵剖面及地应力测孔

Figure 3. Tunnel profile and borehole map for in-situ stress measurement

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1.4 区域地应力特征

区域应力主要来自青藏高原物质的向南东方向逃逸所产生的挤压应力，主要受鲜水河断裂带左行走滑作用控制. 隧址区现今主应力方向为NW-NWW向，主应力方向与隧址区主体构造小角度相交，隧道大致走向为NE向SW行进，区域地应力和隧道轴线呈大角度相交. 整个测区属于应力集中区域，高地应力将是深埋长大隧道面临的主要工程地质问题，硬岩可能发生岩爆，软岩和断层带可能发生大变形.

2. 现场地应力测试结果及分析

水压致裂法地应力测量是目前国际上能较好地直接进行深孔地应力测量的先进方法. 该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可在任意深度进行连续或重复测试、测量速度快、测值稳定可靠等优点. 缺点是只宜用铅垂孔进行测量，且必须假定铅垂方向为一个主应力方向，不适合于地形变化大的浅部. 本项研究结合该方法优点，采用数值模拟来弥补其缺点，即两种方法相互补充、对照和印证，从而提高了研究结果的可信度.

地应力测试的目的是测量地层原位地应力的大小和方向. 通过原地应力测量，确定隧道围岩的现今地壳应力状态，即原地应力的大小和方向，小型水压致裂法地应力测量是一种能够可靠而有效测量地壳深部应力的方法. 水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础，通过小体积、高压的流体注入，小型压裂测试在测试层位产生一条张性裂缝并将破裂扩展到远离井筒影响范围的原始地层中.

在工程区采用钻孔水压致裂法进行了深孔地应力测试，并假定：1）测试孔是竖直的，即岩层中的竖向主应力平行于孔轴；2）测试孔在测试段内为圆形且测试孔相对地层是无限小的，这个假定确保了弹性力学解的实用性；3）岩层中的孔隙压力为净水压力；4）岩石的渗透率较低，即在小型压裂过程中，测试孔内的流体压力不会在短时间内影响岩石的孔隙压力. 根据水压致裂法测试结果得到DZ-04号测孔地应力分布如图4与表1所示. 图中：H为埋深. 表1中：P₀为自重压力；P_b为破裂压力；P_r为重张压力；P_s为瞬时关闭压力；以上压力值为地表监测仪器显示量值与水柱压力相加所得；T为岩石抗拉强度.

图 4 DZ-04号测孔地应力沿深度分布规律

Figure 4. Distribution law of ground stress along depth in dZ-04 measuring hole

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通过DZ-04号测孔应力测量结果可以分析得出：主应力值随地层深度增加而增加，在380～685 m测试深度范围内，竖向应力为9.88～17.81 MPa，最大水平主应力为10.99～20.28 MPa，最小水平主应力为8.94～15.98 MPa. 侧压系数为1.111～1.138，表明地应力以水平应力占主导，方向为N49°～N57°，和区域地应力一致.

通过拟合计算可得：最大和最小主应力的线性拟合系数分别为0.990 2和0.995 4，显示主应力随深度变化趋势的线性度较好，说明了本次水压致裂测量结果的可靠性和代表性.

表 1 DZ-04号测孔水压致裂地应力测量结果

Table 1. Measurement results of ground stress caused by water pressure in borehole DZ-04

测段序号	测段中心深度/m	压裂参数/MPa					应力值/MPa			破裂方向/（°）
测段序号	测段中心深度/m	P₀	P_b	P_r	P_s	T	σ_H	σ_h	σ_v	破裂方向/（°）
1	685.0～685.7	15.98	26.20	20.95	19.21	5.25	20.28	15.98	17.81	N53W
2	624.0～624.7	14.78	24.26	19.76	18.13	4.50	18.46	14.78	16.22	N58W
3	504.0～504.7	11.69	18.00	14.50	13.29	3.50	15.63	11.69	13.10	N65W
4	440.0～440.7	9.88	15.43	12.01	11.49	3.42	13.32	9.88	11.44
5	380.0～380.7	8.94	13.50	12.11	10.34	1.39	10.99	8.94	9.88

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根据相同的方法，对其余各孔地应力分布进行线性拟合，所得结果如表2所示.

表 2 不同钻孔地应力拟合结果

Table 2. In-situ stress fitting results of different boreholes

孔号	拟合公式	最大值/ MPa	最小值/ MPa
DZ-01	σ_H=0.031 2H−8.027 0 σ_h=0.010 9H + 0.328 0	14.24	11.19
DZ-01-1	σ_H=0.022 8H−1.417 0 σ_h=0.009 1H + 3.226 0	17.88	10.84
DZ-01-2	σ_H=0.023 3H−0.188 4 σ_h=0.014 1H + 1.029 9	11.44	7.91
DZ-02	σ_H=0.042 6H−6.773 9 σ_h=0.031 9H−4.133 3	36.91	28.53
DZ-03-1	σ_H=0.038 9H−2.014 1 σ_h=0.025 4H + 1.037 8	41.69	29.84
DZ-04	σ_H=0.033 9H−0.106 7 σ_h=0.027 3H−0.073 8	27.85	22.12
DZ-04-2	σ_H=0.040 2H−2.167 2 σ_h=0.027 2H + 0.383 1	27.86	20.39
DZ07	σ_H=0.018 4H + 3.284 6 σ_h=0.013 4H + 1.547 3	18.65	13.49

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3. 某隧道地应力场模拟

采用边界荷载法，施加合适的边界条件，对水压致裂法测量得到的原地应力结果进行拟合，开展隧道地应力反演，获得地应力计算结果.

3.1 模型建立

通过综合勘察绘制隧道纵断面，使用ANSYS软件建立隧道纵断面的二维模型，模型包含隧道长为17 730 m，模型厚度为1 000 m. 模型中包含隧道沿线的各个地层及断层，共有12个组和164万个网格单元，如图5所示.

通过对隧道区域地质构造及地应力测试结果进行分析，其构造应力主要来源于NW向，因而模型的边界设置为：底边界和两个侧边界采用位移边界条件，两个侧边界采用应力边界，如图6所示. 图中：W为竖向应力；F为不同方向的水平应力.

图 5 模型计算示意

Figure 5. Model calculation diagram

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地应力反演计算时岩体采用弹性本构模型，计算参数如表1所示. 根据不同钻孔水压致裂测得的地应力结果可以看出：隧址区的最大水平主应力在深度方向的递增梯度约为0.385 MPa/km，最小水平主应力在深度方向的递增梯度约为0.257 MPa/km. 根据隧道钻孔取样试验结果，结合《工程地质手册》（第五版）相关经验值，取隧道主要围岩物理力学参数如表3、4所示.

图 6 边界条件示意

Figure 6. Schematic diagram of boundary conditions

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表 3 隧道围岩物理力学参数

Table 3. Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

地层	围岩级别	弹性模量/GPa	泊松比	体积模量/GPa	剪切模量/GPa	密度/ （kg•m⁻³）
板岩	Ⅳ	20	0.32	18.52	13.20	2 630
板岩	Ⅴ	6	0.35	6.67	4.05	2 600
花岗岩	Ⅲ	50	0.25	33.33	31.25	2 750
	Ⅳ	20	0.30	16.67	13.00	2 650
	Ⅴ	6	0.35	6.67	4.05	2 600
糜棱岩	Ⅳ	22	0.30	18.33	14.30	2 650
糜棱岩	Ⅴ	8	0.35	8.89	5.40	2 620

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表 4 隧道断层破碎带力学参数

Table 4. Mechanical parameters of tunnel fault fracture zone

断层	弹性模量/ GPa	泊松比	体积模量/ GPa	剪切模量/ GPa	密度/ （kg•m⁻³）
F1	9.0	0.24	5.77	3.63	2 250
F2	8.5	0.25	5.67	3.40	2 250
F4	8.1	0.25	5.40	3.24	2 250
F5	8.2	0.25	5.47	3.28	2 250
F6	7.9	0.26	5.49	3.13	2 250
F7	7.5	0.26	5.21	2.98	2 250

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3.2 模型验证

为验证数值反演结果的有效性，将计算结果与钻孔实测地应力进行比较，限于篇幅，仅将DZ-04与DZ-07号钻孔与数值模拟结果进行对比，如表5、6所示.

通过对比可得：数值模拟计算的结果与地应力测量结果大致相当，拟合度均接近于1，表明数值计算的拟合精度较高，其计算结果真实可信.

表 5 DZ-04应力计算结果与实测应力值对比

Table 5. Comparison between calculated and measured results of dZ-04 horizontal principal stress

测段序号	深度/m	$\sigma_{\rm{H}}$			$\sigma_{\rm{h}}$			$\sigma_{\rm{v}}$
测段序号	深度/m	实测/MPa	计算/MPa	拟合度/%	实测/MPa	计算/MPa	拟合度/%	实测/MPa	计算/MPa	拟合度/%
1	835.7	27.85	30.8	111	22.12	21.87	99	21.71	23.45	108
2	705.7	24.23	27.56	114	20.45	19.45	95	18.33	20.22	110
3	635.7	21.27	22.35	105	16.74	17.36	104	16.51	14.53	88
4	540.7	18.80	18.56	99	14.58	15.98	110	14.04	12.56	89
5	455.7	14.78	14.32	97	12.23	13.65	112	11.83	9.76	83

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表 6 DZ-07应力计算结果与实测应力值对比

Table 6. Comparison between calculated and measured results of dZ-07 maximum horizontal principal stress

测段序号	深度/m	$\sigma_{\rm{H}}$			$\sigma_{\rm{h}}$			$\sigma_{\rm{v}}$
测段序号	深度/m	实测/MPa	计算/MPa	拟合度/%	实测/MPa	计算/MPa	拟合度/%	实测/MPa	计算/MPa	拟合度/%
1	294.5	8.91	8.45	95	5.85	6.21	106	7.80	8.32	107
2	382.5	10.39	11.20	108	7.13	8.02	112	10.14	11.23	111
3	546.6	13.03	12.67	97	9.07	10.08	111	14.48	15.64	108
4	659.5	15.06	14.76	98	10.80	11.78	109	17.48	18.56	106
5	758.5	17.75	16.87	95	12.69	13.65	108	20.10	21.47	107
6	835.0	18.65	19.19	103	13.49	15.04	111	22.13	24.51	111

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3.3 结果分析

3.3.1 最大主应力

根据隧道数值模拟结果，提取模型最大主应力云图与最大主应力折线图如图7所示.

从云图及折线图可以看出，隧道沿线最大地应力随埋深、岩性、断裂构造的变化而有所变化，将其分段描述如下：

1） CK260 + 150～CK263 + 960最大主应力值为3.80～17.48 MPa，无断层的位置最大主应力为6.86～22.48 MPa，在断层F1、F2发育位置，最大主应力值则急剧减小，最小值在F1（CK261）位置，为3.80 MPa.

图 7 隧道最大主应力云图及数值折线图

Figure 7. Cloud diagram and numerical broken-line diagram of maximum principal stress of tunnel

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2） CK263 + 960～CK265 + 892最大主应力值为9.47～26.62 MPa，在断层F4位置（CK263 + 960），最大主应力值则急剧减小，为9.47 MPa.

3）由于隧道在里程段CK265 + 892～CK272 + 488埋深最大，且其岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩，重度较大，其最大主应力值在整个隧道轴线中是最大的，为22.94～32.14 MPa.

4）由于 CK272 + 488～CK277 + 880地形变化，隧道埋深逐渐减小，最大主应力值缓慢变小，其值为1.49～21.40 MPa，同样存在断层位置减小，断层两端增大的规律.

5）由于在CK263 + 942处地形变化大，所以地应力也急剧增加. 在该里程段中存在5个岩性分界面，分别位于CK263 + 960、 CK265 + 892、 CK266 + 717、 CK267 + 726、CK275 + 954，在这些位置最大主应力值均有所增加.

隧道各里程段最大主应力值如表7所示：

综合最大主应力云图、折线图以及表7可以看出：最大主应力值主要受到埋深、岩石重度以及构造应力的影响，在构造应力一定的条件下，埋深越大，岩石重度越大，则最大主应力的值越大. 而在断层位置，由于岩石破裂使应力得到释放，所以最大主应力值比同深度的完整岩体较低；在岩性分界面以及断裂附近的上盘，则会发生应力集中，出现应力增高的现象.

表 7 隧道各里程段最大主应力值

Table 7. Maximum principal stress in each mileage section of tunnel

地层或断层编号	里程段	最大主应力值/MPa
D1	CK260 + 150～CK261 + 000	6.86～9.02
F1	CK261 + 000～CK261 + 200	3.80～7.97
D1	CK261 + 200～CK262 + 154	8.75～13.57
F2	CK262 + 154～CK262 + 405	4.53～14.33
D1	CK262 + 405～CK263 + 960	13.60～17.48
F4	CK263 + 960～CK264 + 412	9.47～27.13
D2	CK264 + 412～CK265 + 892	21.32～26.62
D3	CK265 + 892～CK266 + 717	25.80～30.15
D4	CK266 + 717～CK267 + 726	25.80～30.15
D3	CK267 + 726～CK267 + 873	25.80～30.15
D3	CK267 + 873～CK268 + 652	30.01～32.14
D3	CK268 + 652～CK272 + 488	22.94～29.83
F5	CK272 + 488～CK272 + 639	10.58～18.84
D3	CK272 + 639～CK275 + 648	13.63～21.40
F6	CK275 + 648～CK275 + 954	8.86～14.36
D5	CK275 + 954～CK277 + 880	1.49～12.81

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3.3.2 中间主应力

根据隧道数值模拟结果，提取模型中间主应力云图如图8所示.

由图8可知：隧道中间主应力值在0～30.21 MPa，与最大主应力有相似的规律，随埋深变化明显，在断层部位有所下降，而在断层的两端围岩中则发生了应力集中，隧道轴线沿线中间主应力值约在0～13.00 MPa.

图 8 隧道中间主应力云图

Figure 8. Cloud diagram of principal stress in the middle of tunnel

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3.3.3 最小主应力

模型最小主应力云图如图9所示. 由图9可知：隧道最小主应力值在0～29.84 MPa，与最大主应力有相似的规律，随埋深变化明显，在断层部位有所下降，而在断层的两端围岩中则发生了应力集中，隧道轴线沿线最小主应力值在0～6.00 MPa.

图 9 隧道最小主应力云图

Figure 9. Cloud diagram of minimum principal stress of tunnel

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综上所述：隧道沿线最大主应力值主要受埋深的影响，隧道埋深越大，其围岩最大主应力越大；断裂与完整岩体交汇处最大主应力差值较大，岩性分界面处则存在应力集中，隧道开挖会扰乱这些位置的应力状况，形成应力释放条件，产生岩爆.

4. 结　论

1）本文结合水压致裂法获取8个测孔实测地应力进行了地应力反演计算，获得洞轴线各个里程段落任一点地应力值，并获取其分布规律，为岩爆和大变形合理预测、针对性设计以及综合防控奠定了基础.

2）隧道纵断面水平最大主应力为32.14 MPa，最小主应力为29.84 MPa，侧压力系数为1.363～1.438，最大水平主应力在深度方向的递增梯度约为0.385 MPa/km，最小水平主应力在深度方向的递增梯度约为0.257 MPa/km. 实测围岩地应力方向为NW—NWW向，和区域地应力方向基本一致，围岩地应力水平高，具备发生岩爆和大变形的条件.

3）地应力在断层部位得到了一定程度的释放，地应力较小，断层两侧的完整岩体应力存在一定程度的集中，应力值较高. 在断层段设计和施工时应充分考虑应力的释放和局部集中因素.

4）由于岩石物理力学试验参数偏少且离散性较大，地应力反演模型参数取值不够准确，地应力计算结果可能会存在一定误差.

致谢：感谢中铁二院院控科研项目基金（KYY2019004）对本论文的支持.

图 1 莲塘隧道隧址区地形地貌

Figure 1. Landform of Liantang Tunnel site

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图 2 渗流模型实验装置

Figure 2. Seepage model experiment device

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图 3 隧道支护结构的设计

Figure 3. Design of tunnel support structure

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图 4 水压力监测点位布置（单位：cm）

Figure 4. Layout of water pressure monitoring points （Unit: cm）

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图 5 注浆圈与衬砌外水压力变化过程

Figure 5. Variation of water pressure outside grouting circle and lining

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图 6 试验中左、右隧道的η₂

Figure 6. η₂ of the left and right tunnels in experiments

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图 7 围岩中测线位置水压力分布

Figure 7. Water pressure distribution at measuring line position of surrounding rock

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图 8 有限元模型（单位：m）

Figure 8. Finite element model (unit: m)

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图 9 围岩渗流场分布云图

Figure 9. Distribution of surrounding rock seepage field

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图 10 围岩渗流场水平方向分布特征

Figure 10. Horizontal distribution characteristics of surrounding rock seepage field

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图 11 衬砌的水压力分布特征

Figure 11. Water pressure distribution characteristics of lining

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图 12 数值模型中隧道水压力非对称系数

Figure 12. Asymmetric coefficient of tunnel water pressure in numerical models

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图 13 二次衬砌安全系数

Figure 13. Safety coefficient of secondary lining

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图 14 隧道水压力分布随水源距离的演变规律

Figure 14. Evolution law of tunnel water pressure distribution with distance from water source

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图 15 不同水源距离运营期隧道二衬水压力

Figure 15. Water pressure of secondary lining during tunnel operation at different distances from water source

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图 16 隧道排水量

Figure 16. Tunnel water inflow

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图 17 不同水源距离二次衬砌安全系数

Figure 17. Safety coefficient of secondary lining at different distances from water source

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表 1 围岩与注浆材料参数

Table 1. Material parameters of surrounding rock and grouting

材料	E/MPa	γ/（kN·m⁻³）	φ/（°）	c/MPa	K/（m·d⁻¹）
围岩	3 000.0	23.7	34.6	0.130	0.20
模型围岩相似材料	29.0	23.9	34.0	0.001	0.20
注浆圈	7 800.0	24.4			0.02
模型注浆圈相似材料	76.6	24.2			0.02
初期支护	22 000.0	24.0			0.04

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表 2 模型材料参数

Table 2. Model material parameters

材料	密度/（kg·m⁻³）	E/GPa	泊松比	c/MPa	φ/（°）	K/（m·s⁻¹）
围岩	2300	3.0	0.34	0.13	33.00	2×10⁻⁶
注浆圈	2420	7.8	0.32	0.45	36.00	2×10⁻⁷
初期支护	2400	24	0.23			4×10⁻⁷
二次衬砌	2500	32.5	0.20
排水盲管	2400	24.0	0.20			0.05

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1. 区域地质环境
1.1 地形地貌
1.2 地层岩性
1.3 地质构造
1.4 区域地应力特征
2. 现场地应力测试结果及分析
3. 某隧道地应力场模拟
3.1 模型建立
3.2 模型验证
3.3 结果分析
4. 结　论

非对称渗流边界小净距隧道渗流场特征及结构安全分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230408

作者简介: 喻炳鑫（1996—），男，博士研究生，研究方向为隧道与地下工程，E-mail：ybx2021@my.swjtu.edu.cn

通讯作者: 陈子全（1989—），男，副教授，研究方向为隧道与地下工程，E-mail：chenziquan@swjtu.edu.cn

计量

出版历程

Characteristics of Seepage Field and Structural Safety Analysis of Small Interval Tunnels with Asymmetric Seepage Boundaries

1. 区域地质环境

1.1 地形地貌

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

1.4 区域地应力特征

2. 现场地应力测试结果及分析

3. 某隧道地应力场模拟

3.1 模型建立

3.2 模型验证

3.3 结果分析

3.3.1 最大主应力

3.3.2 中间主应力

3.3.3 最小主应力

4. 结 论

计量

出版历程

目录

1. 区域地质环境

1.1 地形地貌

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

1.4 区域地应力特征

2. 现场地应力测试结果及分析

3. 某隧道地应力场模拟

3.1 模型建立

3.2 模型验证

3.3 结果分析

4. 结 论

作者简介:
喻炳鑫（1996—），男，博士研究生，研究方向为隧道与地下工程，E-mail：ybx2021@my.swjtu.edu.cn

通讯作者:
陈子全（1989—），男，副教授，研究方向为隧道与地下工程，E-mail：chenziquan@swjtu.edu.cn

4. 结　论

4. 结　论