计算仍然采用3.2.1节所述模型,为探究施工期隧道在不同地层渗透系数下的渗流状态,改变上部地层强风化变质砂岩的渗透系数K1,设定3种工况进行研究(见表3.4),将计算水头设置到地表,并以隧道开挖至模型中部位置进行施工期模拟。计算模型如图3.15所示。选择地表以下7.27 m的平面为目标面一,地表以下14.54 m的平面为目标面二(见图3.15),计算不同地层渗透系数时目标面水压力分布状态,分析其对局部渗流场的影响。
表3.4 地层渗透系数工况设置
注:K1为隧道上方地层(强风化变质砂岩)的渗透系数。
地层渗透系数的变化直接影响地下水的流速和流量,是决定隧道施工期渗流影响范围的主导因素。掌子面开挖完成并施作初期支护后,3种工况下横向水压分布如图3.16所示,纵向水压分布如图3.17所示。
如图3.16所示,隧道开挖后掌子面横向水压分布呈向隧道内凹陷的漏斗状对称分布,偏离隧道中心一定距离后逐渐收敛;改变上部地层渗透系数后,其收敛半径(即渗流横向影响范围)有一定的差别,工况一、工况二、工况三分别为35.92 m,36.39 m,36.92 m,表明随着上部地层的渗透系数变大,施工期隧道的横向影响范围也逐渐增大,但增幅有限。
图3.15 计算模型
图3.16 施工期隧道掌子面横向水压分布(www.xing528.com)
图3.17 施工期隧道纵向水压分布
如图3.17所示,隧道开挖后纵断面水压分布呈向掌子面下方倾斜的弧形分布,距掌子面前方一定距离后逐渐收敛;不同工况的收敛范围(即渗流纵向影响范围)有一定的差别,工况一、工况二、工况三分别距掌子面为22.41 m,23.84 m,24.13 m,表明随着上部地层的渗透系数逐渐增大,施工期隧道的纵向影响范围也逐步变大,即透水性好的地层在隧道施工期的渗流场影响范围较大。
如图3.18所示为不同工况下目标面一(地表以下7.27 m处)水压分布。隧道掌子面位于横向和纵向中部位置(X=0 m,Y=27 m处),其水压力分布规律基本相同,向已开挖隧道方向凹陷,表明隧道开挖导致地下水向洞室内排泄,工况三下凹幅度最大,工况一最小,其横向和纵向影响范围均表现为工况三>工况二>工况一。由图3.18可知,3种工况下目标面水压力范围分别为67.67～70.33 kPa,63.56～68.10 kPa,56.90～64.04 kPa,即随着上部地层的渗透系数增大,目标面-水压力值范围也逐渐变大。
图3.18 不同工况目标面-水压分布
如图3.19所示为不同工况下目标面二(地表以下14.54 m处)水压分布,隧道掌子面位于横向和纵向中部位置(X=0 m,Y=27 m处),其水压力分布规律有一定差异,向已开挖隧道方向凹陷,表明隧道开挖导致地下水向洞室内排泄,但排泄能力显然不同,工况三下凹幅度远大于其余工况,其横向和纵向影响范围均表现为工况三>工况二>工况一,但其水压力值呈现工况一>工况二>工况三。由图3.19可知,3种工况下目标面水压力值范围分别为134.8～140.8 kPa,126.2～136.5 kPa,112.4～128.6 kPa,即随着上部地层的渗透系数增大,目标面二水压力分布范围也逐渐变大,但由于地层阻水性减弱,水压力值明显减小。
图3.19 不同工况目标面二水压分布
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