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富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期：2023-09-11修回日期：2023-10-26基金项目：云南省交通运输厅科技创新及示范项目（云交科教便202225号）.作者简介：段现彪（1979-），男，高级工程师，主要从事公路隧道工程管理及设计工作，E-mail:.通讯作者：黄煊博（1997-），男，博士研究生，主要从事第三系半成岩隧道致灾机理等方面研究工作，E-mail:.富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析段现彪1黄煊博2，3张清照2，3徐永金1（1.云南交投集团云岭建设有限公司，昆明 650041；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）摘要：为研究富水半成岩隧道综合降排水措施效果及对隧道稳定性的影响，依托临清高速公路王家寨隧道工程，结合现场抽水量与地层水位监测数据，建立富水半成岩隧道降排水有限元模型，计算分析综合降排水措施对孔隙水压/含水率分布规律的影响。基于不同含水率的土体剪切修正强度，采用顺序耦合方法对降排水后隧道稳定性进行分析。结果表明：采取综合降排水措施可有效降低掌子面含水率，提高土体强度，降水后现场变形量最大减小80%；地层水压随抽水量增加呈线性降低，含水率以反比例形式降低，左、右地表深井间形成降水漏斗；地表深井在降水中起主要作用，平均单井排水量达到400 m3/d后注浆圈内可出现非饱和状态；在王家寨隧道现场实施综合降排水措施后，半成岩强度提高，隧道左、右洞安全系数分别为1.99、1.62。关键词：富水半成岩；隧道；综合降排水措施；含水率；隧道稳定性；数值分析中图分类号：U453.6文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）01-0146-10DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.014引文格式：段现彪，黄煊博，张清照，等.富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析J.现代隧道技术,2024,61(1):146-155.DUAN Xianbiao,HUANG Xuanbo,ZHANG Qingzhao,et al.Analysis of the Results of General Dewatering and DrainageMeasures and Ground Stability of Tunnel in Water-rich Hypabyssal RockJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):146-155.1引 言富水半成岩地层是近年来隧道工程界遇到的“国内罕见、世界性难题”。该类围岩广泛分布于我国西部地区，兰渝铁路桃树坪隧道、胡麻岭隧道、哈达铺隧道、蒙华铁路中条山隧道、王洼铁路程儿山隧道、牡绥铁路双丰隧道、大西高速铁路上白隧道、中老中越国际铁路宝峰隧道、成昆铁路垭口隧道、盐边隧道和桐梓林隧道、中老昆万铁路太达村隧道等等1,2，均在施工中遇到此类地层，给工程建设带来巨大的困难。国内外学者对半成岩土体性质进行了研究，该类土体非饱和时质密3，但液塑限低且遇水渗透后在施工扰动下易松散，甚至呈流动状4。王庆林等5针对桃树坪隧道开挖掌子面岩体的含水率与变形状态之间的关系进行现场试验，发现掌子面处岩体随着含水率的增加由稳定状态逐渐向塑性变形发展，最后产生流变。基于对土体性质的理解，许多专家对富水半成岩隧道降排水措施与施作效果进行了研究。弯晓林等4以云南玉磨铁路安定隧道为工程依托，建立了4种隧道堵排水措施下流固耦合数值计算模型，通过比较不同堵排水措施下衬砌结构水压力和排水量，探究各种措施对高水压环境的适应性。张建奇6在程儿山隧道施工中采用轻型真空井点降水与管井降水相结合的降水措施，有效将围岩含水率控制在低于砂岩塑性变形含水率，保持围岩处于基本稳定状态。毕焕军7在胡麻岭隧道施工中开展了地表降水试验，分析计算地表深井预降水的井间距离及设计深度。王广宏等8以桃树坪隧道采用的3级降水方法为例，总结降水设备、工艺、工法和技术参数。既有研究多为对综合降水施工工艺的总结，或对地层水位、掌子面含水率等降水效果进行分析，而抽水量与水位降低的关联性分析较少，缺乏抽水量监测数据，未进行各类降排水措施下隧道地层降水效果的对比分析，在施工过程中缺乏有效的降水指标。事实上，第三系半成岩粉细砂层颗粒极细9，高黏粒含量区域146富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版堵孔现象频发，难以保证抽水效率10。云南临清高速公路王家寨富水半成岩特长隧道区域地层分布极不均匀，黏粒含量较高，实际降水过程中各井/管抽水量差异大。本文通过建立数值模型，对3种降排水措施效果进行研究，以得到适用于王家寨隧道的有效抽水量指标，并考虑降水后含水率对土体强度的影响，分析隧道掌子面稳定性，为相关隧道工程提供借鉴、参考。2 工程概况与问题分析2.1工程概况王家寨特长隧道是临清高速公路的控制性工程，进口端位于临沧市临翔区，出口端位于双江拉祜族佤族布朗族傣族自治县。左线起讫桩号为ZK21+460ZK29+470，全长8 010 m；右线起讫桩号为YK21+440YK29+480，全长8 040 m，隧道纵坡为-1.75%，最大埋深为1 023 m。隧道进口端不良地质为富水半成岩砂岩与半成岩泥岩互层，地层含水率高、饱和度高、渗透系数低、水稳定性差，受施工扰动易发生突泥涌砂。该类地层状态受含水率影响明显，根据工程记录，非富水区掌子面处在非饱和状态时可维持较好稳定性，满足开挖需求；遇地下水富集区域后，随含水率上升围岩极易变成流动状。因此掌子面含水率对隧道开挖掌子面稳定性影响极大。王家寨隧道左线富水区物探图如图1所示。图 1 王家寨隧道左线富水区物探图Fig.1 Geophysical exploration in the water-rich area in the left line of Wangjiazhai Tunnel2.2含水率对半成岩隧道突泥涌水风险的影响土体含水率变化对土层物理力学性质会造成极大影响，而隧道变形特征与其特性密切相关11。王庆林等5分析了胡麻岭、桃树坪隧道掌子面土体含水率与稳定性状态之间的关系，隧道开挖后掌子面含水率时程曲线如图 2所示。由图2可以发现，富水半成岩土体发生塑性变形（流变）的含水率区间分别约为12%14%和15%18%，在未施作降水措施下分别在开挖后约4 h和9 h达到该状态。达到相应含水率后，掌子面土体将产生塑性变形或流变，提升掌子面附近围岩的渗透系数，形成利于地下水汇聚涌出的优势渗流通道，水流向渗流出口汇集的同时侵蚀出细颗粒及黏性介质，渗流通道向上发展并与富水体贯通，进一步加大突泥涌水的风险，形成恶性循环12。图2 胡麻岭、桃树坪隧道掌子面含水率与状态变化5Fig.2 Moisture content and state variation of the tunnel faces ofHumaling and Taoshuping tunnels52.3综合降排水措施对隧道变形影响自2022年2月始，在王家寨隧道开展“地表深井147富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024降水+洞内深井降水+洞周排水管排水”的综合降排水措施13，并对隧道拱顶沉降、洞周收敛变化情况进行监测。2022年2月16日2022年12月31日左线隧道开挖进尺为ZK22+325ZK22+701.2，期间隧道变形监测情况如图 3所示。图 3 王家寨隧道左线变形监测曲线Fig.3 Deformation monitoring curve of the left line ofWangjiazhai Tunnel由图 3可见，在降水早期，因地层水位降低不明显，隧道沉降最大达26 cm，洞周收敛达17.8 cm。随着综合降排水措施持续进行、隧道开挖逐渐推进，抽水速率大于地层补水速率，地下水位持续降低，后开挖、大桩号处的隧道变形小于早开挖、小桩号处后方测点的变形。在2022年8月10日后，除ZK22+640外，各桩号处隧道变形逐渐稳定在5 cm以内，说明此时地层水位处于动态平衡，掌子面附近地下水被有效疏干，半成岩强度提高使得隧道变形得以控制。由图 2中胡麻岭3#斜井X2+054曲线与图 3王家寨隧道变形监测曲线可知，施作降水措施可有效降低掌子面含水率，限制隧道变形，提高隧道稳定性。因此，在富水半成岩地层中进行合理有效的降排水是保证隧道施工安全的重要措施。本文借助数值模拟方法研究富水半成岩隧道不同降排水措施对掌子面注浆圈断面内水压力、含水率的影响规律，并对降排水作用下隧道稳定性进行分析。3模型建立与验证3.1现场降水措施及技术参数王家寨隧道实际降排水措施分为地表深井降水、洞内仰拱降水井降水以及洞内洞周超前排水管抽水。地表深井降水井直径为300 mm，采用钻机跟管钻钻进成孔，跟管薄壁钢管直径为273 mm，壁厚4 mm。管壁上切割泄水缝槽，缝宽34 mm，长度为30 cm/15 cm，呈梅花形布置；洞内仰拱降水井直径为300 mm，采用钻机跟管钻钻进成孔，跟管薄壁钢管直径为273 mm，壁厚7 mm。管壁上每隔2030 cm钻设68 mm滤水孔，梅花形布设，降水井钻孔深度为15 m；洞内超前排水管直径为76 mm或89 mm，按9 m/循环于下台阶掌子面后方35 m处布设超前钻孔，每根长20 m。管末端8 m每间隔2030 cm设置68 mm钻孔，钻孔外插角为1015。3.2计算区段概况由图 1可见，王家寨隧道富水区呈间断分布，而ZK22+480ZK22+680间存在连续富水区，此段区间以20 m为间隔连续布设地表降水井，因此选取该段进行隧道降排水效果分析。为对该段富水区的降水效果进行分析，基于2022年8月13日2022年8月22日的实际施工过程进行模拟，该时间段内的降水井布设与开挖进尺如图 4所示。图 4 地表降水井布置及开挖进尺（2022-08-132022-08-22）Fig.4 Layout of surface dewatering wells and excavation footage(August 13,2022August 22,2022)3.3富水半成岩隧道降排水模型建立（1）几何模型选取左线开挖至ZK22+537断面、右线开挖至YK22+564断面为建模工况。模型边界为260 m（X）260 m（Y）320 m（Z），地表至隧道毛洞顶部175 m，模型网格如图 5所示。隧道采用上下两台阶法开挖，计算考虑上台阶开挖完成尚未施作初期支护的最不利工况。（2）边界条件垂直于X、Z轴线表面分别施加X、Z方向位移约148富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版束，底面完全固定，顶面为自由面不加约束。自拱顶以上80 m沿Y轴负方向从零线性增加孔隙水压力，已开挖临空掌子面设置为零孔隙水压。图5 有限元模型Fig.5 Finite element model（3）材料本构本模型中半成岩的力学参数根据工程现场的地质勘察报告及室内试验结果综合选取，见表1，注浆后的土体参数在半成岩原始参数的基础上进行加强。3类土体均采用摩尔-库伦本构模型。初期支护考虑钢筋混凝土材料，采用线弹性单元。表1 模型材料参数Table 1 Model materials parameters材料饱和半成岩初期支护注浆加固后土体重度/(kNm-3)182320弹性模量E/MPa6730 00080泊松比0.30.20.3内摩擦角/()3640黏聚力c/kPa40100渗透系数k/(ms-1)110-5110-7（4）降水边界设置由于3类降排水措施的降水井/排水管直径较模型尺寸小，且本文聚焦于降水效果分析，不考虑塌孔等特殊情况，故不考虑降水井/排水管直径尺寸，将其等效成线。将降水井、排水管的设计排水流量均匀分布在开孔排水段，对抽水过程进行模拟，降水边界设置详见图5、图6。地表降水井总长190 m，末端20 m为排水段，左、右各1口；仰拱降水井总长15 m，末端4 m为排水段，单洞布设2口，左右洞共4口；洞周排水管总长20 m，末端8 m为排水段，布设于拱脚位置，单洞布设2口，左右洞共4口。图6 洞内降水边界条件设置模型Fig.6 Model for setting the in-tunnel water extraction boundaryconditions3.4模型验证为验证有限元模型的合理性，将综合降排水措施下的地层水位监测数据与模型计算结果进行对比。2022年8月7日2022年8月16日地表降水井日平均抽水量见表2，洞周排水管单管日平均抽水量为30 m3，期间未采取洞内深井降水措施。将该段区间各地表降水井监测水位与计算结果进行对比，如图7所示。表2 地表降水井日平均抽水量（2022-08-07202208-16）Table 2 Dailyaverage waterextraction ofsurfacedewatering wells(August 7,2022 August 16,2022)降水井编号左16#左17#左18#左19#左20#左21#日平均抽水量/m373189747580481344降水井编号右11#右12#右13#右14#右15#日平均抽水量/m3143204301322367图 7 地表降水井水位计算结果与监测结果对比Fig.7 Comparison of water level calculation results andmonitoring results of surface dewatering well149富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024由图7可以看出，本文模型计算结果与监测数据具有高的相似性，大体趋势相同。沿隧道纵向方向，地表群井降水形成了明显的降水漏斗，且隧道开挖掌子面前方附近为地层水位洼地。3.5含水率与基质吸力的关系基于前述分析，含水率可作为判断土体强度的有效标准。在ABAQUS中对非饱和土的计算需要基于水土特征曲线输入基质吸力与饱和度的关系曲线，因此合适的水土特征曲线对非饱和半成岩含水率的计算十分重要。常用的非饱和土水土特征曲线可描述为：()=r+()s-r1+()n-m（1）式中：为非饱和土的体积含水率（%）；为非饱和土基质吸力（kPa）；s、r、n、m为待标定参数。Lu14通过对非饱和土水土特征曲线的研究，对不同土体的VG模型进行了标定，对比选取王家寨隧道半成岩的参数为s=0.45，r=0.00，=0.09，n=0.677，m=0.46。在ABAQUS中能够直接输出的计算结果为孔隙水压力（负值为基质吸力），因此含水率需要进行换算求解。含水率与体积含水率、饱和度的关系式为：=wsSrSr-（2）=SreGs（3）式中：为含水率；Sr为饱和度；e为孔隙比；w、s分别为水、土颗粒的密度；Gs为土颗粒的相对密度。联立式（1）式（3），得到含水率与基质吸力的关系式：=r+()s-r1+()n-m1+eGs（4）计算结束后，应在有限元计算结果中提取监测点的孔隙水压力（负值为基质吸力），将基质吸力（绝对值）代入式（4）进行换算，则可得到监测点的含水率。4降排水措施对地层含水率的影响富水半成岩地层含有大量黏粒与细颗粒，现场降排水施工中时常发生堵孔现象。据现场统计结果，王家寨隧道富水半成岩地层段地表深降水井日抽水量（Q1）均值为 400 m3，仰拱降水井日抽水量（Q2）与洞周排水管日抽水量（Q3）均值为40 m3，以此为模型计算的基准日抽水量。在左洞掌子面注浆圈外表面选取AP共16个监测点，用以提取地层含水率变化情况，监测点选取如图 8所示。图 8 左洞AP监测点分布Fig.8 Layout of AP monitoring points in left tunnel4.1地表降水井单井流量敏感性分析在计算中仰拱降水井（Q2）、洞周排水管（Q3）单井/管抽水量定为40 m3/d，并按实际洞内降水间距9 m布设进行等效，地表降水井单井流量（Q1）在100 800m3/d范围内等差设定8级计算工况。计算得到的开挖降排水过程中孔隙水压及含水率分布结果如图 9、图 10所示。图9 不同Q1监测点孔隙水压力分布Fig.9 Distribution of pore water pressure at different Q1monitoring points图10 不同Q1监测点含水率分布Fig.10 Distribution of moisture content at different Q1monitoring points150富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版由图 9、图 10可见，随着地表降水井单井流量从 100 m3/d 递增至 800 m3/d，AP 监测点孔隙水压力/含水率减小，且监测点孔隙水压力/含水率随埋深增大而增大，其最小值均出现在拱顶，最大值出现在拱底。还可以发现，左洞相同水平高度的监测点孔隙水压力/含水率左侧较右侧大，即两地表降水井间出现“水位洼地”。提取各工况下拱底的孔隙水压力/含水率，如图 11所示。在Q1=300 m3/d时，部分监测点进入非饱和状态；Q1=500 m3/d 时，所有监测点进入非饱和状态。Q1=100m3/d时，拱底有最大孔隙水压力，为313.09kPa，且在进入非饱和状态前监测点孔隙水压力随Q1增加近似呈线性降低，各监测点变化值相近；Q1增大到800 m3/d时，拱底含水率降低到1.0%，在进入非饱和状态后含水率随Q1增加近似呈反比例函数形式减小。且由图 10可见，拱底K(225)O(315)监测点含水率随Q1值的变化显著，这应是监测点J、K间与O、P间布设的洞内排水管作用所致，相较于仰拱部位，其提高了拱脚以上部分土体的排水效果。图11 拱底孔隙水压/含水率随Q1变化曲线Fig.11 Curve for variation of arch bottom pore water pressure/moisture content with Q14.2仰拱降水井单井抽水量敏感性分析在计算中保持模型其他影响因素不变，仰拱降水井单井流量（Q2）在1060 m3/d范围内等差设定6级计算工况。计算得到在开挖降排水过程中孔隙水压及含水率分布情况，如图 12、图 13所示。由图 12、图 13可见，随着仰拱降水井单井流量从10 m3/d递增至60 m3/d，AP监测点孔隙水压力/含水率减小，且其变化规律与随Q1变化规律相似。提取各工况下拱底的孔隙水压力/含水率，如图 14所示。在所选工况下，没有出现注浆圈区域全断面饱和的情况，在Q2=40 m3/d时所有监测点进入非饱图12 不同Q2监测点孔隙水压力分布Fig.12 Distribution of pore water pressure at different Q2monitoring points图13 不同Q2监测点含水率分布Fig.13 Distribution of moisture content at different Q2monitoring points图14 拱底孔隙水压/含水率随Q2变化曲线Fig.14 Curve for variation of arch bottom pore water pressure/moisture content with Q2和状态。Q2=10 m3/d时，拱底有最大孔隙水压力，为190.6 kPa，且在进入非饱和状态前监测点孔隙水压151富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024力随Q2增加近似呈线性降低；Q2增大到60 m3/d时，拱底含水率降低到10.08%，在进入非饱和状态后含水率随Q2的变化规律与随Q1变化规律相似。4.3洞周排水管单管流量敏感性分析在计算中保持模型其他影响因素不变，洞内排水管单管流量（Q3）在1060 m3/d范围内等差设定6级计算工况。计算得到在开挖降排水过程中孔隙水压及含水率分布情况，如图 15、图 16所示。图15 不同Q3监测点孔隙水压力分布Fig.15 Distribution of pore water pressure at different Q3monitoring points图16 不同Q3监测点含水率分布Fig.16 Distribution of moisture content at different Q3monitoring points由图15、图16可见，随着洞内排水管单管流量从10 m3/d递增至60 m3/d，AP监测点孔隙水压力/含水率减小，且其变化规律与随Q1变化规律相似。提取各工况下拱底孔隙水压力/含水率，如图17所示。在所选工况下，没有出现注浆圈区域全断面饱和的情况，在Q3=40 m3/d时所有监测点进入非饱和状态。Q3=10 m3/d 时，拱底有最大孔隙水压力，为173.3 kPa，且在进入非饱和状态前监测点孔隙水压力随Q3增加近似呈线性降低；Q3增大到60 m3/d时，拱底含水率降低到11.72%，在进入非饱和状态后含水率随Q3的变化规律与随Q1变化规律相似。图17 拱底孔隙水压/含水率随Q3变化曲线Fig.17 Curve for variation of arch bottom pore water pressure/moisture content with Q3综上分析，地表降水井因其大埋深、大实际抽水量能够显著影响王家寨隧道富水半成岩地层段区域的水位分布，能够有效降低隧道掌子面附近水位，应当作为隧道施工过程中控制地下水水位、提高施工安全性的主要处置措施。对于洞内降水，两类降排水措施对洞周孔隙水压、含水率的影响程度与规律相近，但对比图14、图17可知，以单井/单管日抽水量40 m3为界，日抽水量小于40 m3时，洞周排水管工况（图17）拱顶的含水率较仰拱降水井工况（图14）的大；日抽水量大于40 m3后则相反（40 m3是洞内单井/管日抽水量基准值，此时两工况完全相同，故计算结果相同）。这说明洞周排水管对拱顶含水率的影响较仰拱降水井的大。同样地，对于拱底监测点的孔压/含水率进行上述分析可以得到相反的结论，说明仰拱降水井对拱底孔压/含水率的影响较洞周排水管的大。5富水半成岩隧道综合降排水措施下掌子面稳定性分析5.1半成岩力学参数随含水率变化分析图2中数据为胡麻岭、桃树坪隧道半成岩地层特性，无法直接迁移使用于王家寨隧道，许浩东15对王家寨隧道砂岩开展不同含水率试验，试验结果见表3。王家寨隧道半成岩内摩擦角随含水率变化不152富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版表 3 半成岩力学指标与含水率关系Table 3 Relation between mechanical indexes andmoisture content of hypabyssal rock含水率w/%571013151720黏聚力c/kPa2.059.2525.523.8516.413.53.40内摩擦角/()33.2034.4829.8535.7233.8738.1938.81大，但其黏聚力随着含水率的增加呈现出先增大后减小的非线性变化趋势，在含水率达到12%时达到最大值26.13 kPa，最后又急剧减小，其峰值与王庆林等6所记录的胡麻岭半成岩塑性变形含水率相近。根据黄 琨等16开展的直剪试验研究，拌合加水重塑土与烘箱烘原状土两种方法制备非饱和试样测得的土体内摩擦角相近，但黏聚力变化特征截然不同，两种结果对应不同施工条件下的土体状态。前者黏聚力试验结果随含水率增加先增加后减小，而后者黏聚力则随含水率增加持续减小，在含水率较大时两者结果相近。本文对富水半成岩隧道不同降排水措施下的稳定性进行探究，土体从饱和状态排水至非饱和状态，应采用烘干饱和原状土的方式进行试验，但现场为保证掌子面稳定，施工工序繁复，无法取得原状土，故采用重塑土进行试验。为准确分析含水率与力学指标的相关性，对其中含水率最大的3个黏聚力数据进行指数函数拟合17，以等效真实降排水状况下的土体黏聚力，内摩擦角随含水率变化较小，可取固定值36。-c拟合关系式如下：c=-46.01345ln()+142.03886（5）5.2综合降排水措施下隧道安全系数计算采用有限元软件ABAQUS进行流固耦合计算时不包含非饱和土含水率对土体强度的影响，通过将前文的基质吸力计算结果转换成预定义场，设置土体参数随场变化的非线性表格，实现富水半成岩土体参数随基质吸力变化并进行静力计算，即可实现考虑综合降排水措施下非饱和半成岩土体参数变化的隧道稳定性计算。为防止王家寨隧道开挖掌子面失稳引发的突泥涌水灾害，本节基于实际抽水量（表 2）进行稳定性分析。有限元强度折减法将土壤黏聚力和内摩擦角参数降低，围岩失稳前的折减系数K即为隧道的安全系数，具体如式（7）、式（8）所示。c=c/K（7）tan=tan/K（8）本文在进行围岩稳定分析时采用以洞周围岩位移发生突变为主，并辅以塑性区是否贯通和有限元计算收敛与否两种判断方法。以K=1.0为计算起点，以0.1为间隔设置系列折减系数，依次绘制左、右线拱顶沉降值随K值变化曲线并得到拟合曲线，最终求得左、右线隧道掌子面安全系数，分别为1.99、1.62，如图18所示。图 18 掌子面拱顶沉降与安全系数拟合曲线Fig.18 Fitting curve for crown settlement and safety factor oftunnel face6结 论本文以云南省临清高速公路王家寨隧道富水半成岩段施工为工程背景，对地表深井降水、仰拱深井降水及洞周排水管降水的降排水效果进行分析，并根据直剪试验结果修正降排水条件下土体强度，对隧道稳定性进行分析，得到以下结论：（1）半成岩强度及状态对含水率敏感性较高，洞内及地表降水措施可以有效降低施工掌子面含水率及隧道变形，是保证半成岩隧道施工安全的重要措施。（2）综合降排水措施下，地层水压随抽水量增加而线性降低，含水率则以反比例函数形式降低，这是因为地层水位变化符合达西渗流的线性变化规律，非饱和状态下含水率则受水土特征曲线限制。左线隧道监测点水位/含水率均出现左高右低的状态，左、右地表深井间形成降水漏斗，可有效疏干掌子面附近土体，在不同抽水量下隧道掌子面出现全断面饱和、部分饱和与全断面非饱和3种状态。综合降排水措施中起主要影响作用的是地表深井降水，洞内排水管对拱顶含水率/孔压影响较仰拱降水井的大，拱底则相反。Q1为400 m3/d时，Q2、Q3达到10 m3/d153富水半成岩隧道综合降排水措施效果及稳定性分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024即可进入部分饱和阶段，Q2、Q3达到50 m3/d即可进入全断面非饱和状态。（3）综合降排水处置可将水位降低至掌子面及以下，非饱和半成岩强度将显著提高，现场监测表明王家寨隧道降水后变形量最大可减小80%。王家寨隧道现场采取综合降排水措施后，隧道掌子面进入非饱和状态。将含水率与土体抗剪强度相关联采用顺序耦合计算方法对隧道稳定性进行分析，隧道左、右洞安全系数分别为1.99、1.62。参考文献References1 冷雅梅.胡麻岭隧道第三系富水低渗透性粉细砂地层施工方法和工程措施探讨J.现代隧道技术,2013,50(2):158-163.LENG Yamei.On Construction Methods and Measures for the Humaling Tunnel in Water-rich Tertiary Silty Fine Sand with LowPermeabilityJ.Modern Tunnelling Technology,2013,50(2):158-163.2 马志富,杨昌贤.第三系高压富水砂泥岩地层隧道技术研究以牡绥铁路双丰隧道为例J.隧道建设(中英文),2018,38(3):434-443.MA Zhifu,YANG Changxian.Study of Tunneling Technology in Tertiary Sandy Mudstone Strata with Rich Water under High Pressure:Case Study of Shuangfeng Tunnel of Mudanjiang-Suifenhe RailwayJ.Tunnel Construction,2018,38(3):434-443.3 朱 宝.胡麻岭隧道富水弱胶结砂岩工程特性和施工方法J.国防交通工程与技术,2018,16(5):78-80.ZHU Bao.The Engineering Characteristics of and the Construction Methods for the Rich-watered Humaling Tunnel of Weakly Cemented SandstoneJ.Traffic Engineering and Technology for National Defence,2018,16(5):78-80.4 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