第一章 绪论
1.1问题的提出及研究意义
新中国成立以来，经济飞速发展，工程技术也取得了卓越的进步。尤其自上世纪九十年代以后，国家更加重视交通基础设施的建设。隧道作为工程建设里的一个重要构筑物，在改进路线线形、缩短里程与行车时间以及提升运营效益等方面表现出越来越大的功用。各类隧道在设计、施工与管理方面各有其特点，但所有的隧道都存有一个共同点——修建于地表之下。地层下面地质特性千变万化，而且赋存着各种不同类型的地下水，因而从施工开始直至运营阶段，隧道都可能处于结构的地下水耦合作用的转改。由隧道设计、施工或使用过程内发生的任何有害扰动，都会对隧道防排水体系造成破坏，引发隧道的渗漏水灾害，如图1-1。
隧道防排水工作一直是隧道建设工程中的一项重点，其形式有渗水、滴水，甚至于突水、涌水，在国内外隧道建设中都曾发生过很多严重的涌水事故，大量的涌水会导致巨大的经济损失与人员伤亡。郭旭晶(2000)，徐则民(2005)，白明洲(2006)等归纳总结了国内外隧道涌水一些例子。日本东海道干线旧丹那隧道(.804km) ，在施工阶段发生过六次大突水涌泥事件，最大瞬时涌水量达到19.35*104m3/d，造成严重的伤亡事故；前苏联贝阿铁路北穆隧道(15.30km)，施工涌 水 量 高 达 60.0*104m3/d ； 襄 渝 线 大 巴 山 隧 道 施 工 涌 水 量 最 大 可 达20.55*104m3/d；川黔线娄山关隧道最大施工涌水量可达 19.20*104m3/d；中梁山隧道由于突水引起洞顶有29处塌陷，共2139m2，导致当地48处泉水中37%枯竭；京广线南岭隧道由于突水突泥致使地面出现 65 处塌陷，曾使既有线下沉，断道 6小时；京广线大瑶山隧道班古墙地区由于突水使地面出现一百余处塌陷，井水、泉水、水库大量枯竭，影响数平方公里的生态环境；于1998年广渝华蓥山高速公路隧道已出现六 次大突水，最大瞬时突水量约至69*104m3/d，冲毁施工设备，使隧道淤塞，停工将近 3 个月；雅砻江二级电站施工探洞出现大突水，最大突水量高达2m3/s，致使一条施工隧洞直接报废；大风垭口隧道在开挖中因涌水涌泥进而引发大面积坍塌；渝怀铁路武隆隧道因岩溶水涌入隧道，最大涌水量达到了718.6*104m3/d，给施工造成极大损失和危害。
1.2国内外研究现状
隧道排水量对隧道的施工和建成后生产运营有着重要影响。到目前为此，国内外学者针对隧道限量排水的研究主要集中在隧道防排水研究现状调研、隧道涌水量研究、隧道流固耦合研究等几个方面。
1.2.1 隧道防排水研究现状
对隧道的防排水处理，我国多个规范均有相关要求，具体为：
公路工程技术标准》（JTGB01-2003）要求隧道防水与排水应遵循排放截堵相结合的原则进行设计，使洞内、洞口和洞外组建成完善的防水排水系统，还应留心防治水土流失和保护自然环境。
《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）对高等级公路隧道的防水做出规定：隧道排防水应恪守“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，确保隧道结构物与营运设计的正常运用、行车安全，隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞外应形成一个完整通长的防排水系统。拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水；有冻害地带的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结；车行横通道、人行横通道等服务通道拱部不滴水；边墙不滴水。
《地下工程防水技术规范》（GB50180—2008）[4]提出了对地下工程的防水的治理原则。并对地下工程的防水的设防的要求进行规定，应依据使用的功能、使用的年限、水文的地质、结构 形式、环境条件、施工方法和材料性能等因素确定。
目前国内外隧道防水技术主要有三种类型：
①以防为主的水密型防水（又称为全包式防水），主要从围岩、结构与附加防水层入手，该方法主要用于城市隧道等对沉降及地下水严格要求的区域；
②以排为主的泄水型、引流自排型防水（又称半包式防水），主要从泄水、疏水入手；
③防排结合的控制型防排水，也称综合型，大多在山岭隧道使用。
第二章 裂隙岩体渗流理论
2.1 引言
裂隙岩体的生成是一个复杂与漫长的过程。无数次地质构造运动以及久远的地质成岩过程，使得岩体的结构特征呈现复杂不连续状（其具有大小规模不等且方向各异的不连续结构面分布），这便是其渗透性能的复杂性与不确定性的由来。
裂隙岩体是一种能够储存与运移地下水的介质。地下水储存于岩体的裂隙空间，流动于裂隙间相互交切形成和存在的贯通通道。因而裂隙岩体中地下水赋存和运移的环境——裂隙空间的大小、数量多少、贯通的程度以及分布规律，都是裂隙岩体渗透性能的决定因素，它们也控制着裂隙岩体中地下水渗流场的特征。
2.2 裂隙岩体结构的基本特征
2.2.1 岩体的分类
①岩体结构面的分类 岩体的结构面的种类繁多。小至岩石晶粒的微观缺陷，大至长达几公里的断层，都是岩体的结构面的一种。根据结构面尺度大小，可把结构面简化为微观和宏观两大类。微观结构面以孔隙的形式存在于岩体中。按其相对大小，宏观结构面分为三类：
1）大型结构面：指区域中大规模的断层 (几十米到几公里)。这些结构面决定整个岩体工程会由何种形式破坏。
2）中型结构面：指岩体中几米到几十米的小断层和大的构造裂隙。这些结构面是局部岩体稳定性能的主要决定因素，也是地下水流的主要通道。
3）小型结构面指长度小于几米的构造裂隙、卸荷裂隙、风化裂隙等。这类结构面的性质、产状、分布决定了岩块的力学特性和渗流特性。岩体内结构面的这种方法是较为粗糙的，具体分析时应考虑岩体工程的规模及结构面和考虑区域间的比例，再开始分类。
②岩体的分类 根据岩体中结构面的存在形式与其渗流特性，被分为以下三类：
1）多孔介质。岩体介质中只含有微观结构面。此类岩体在处理时可看做是完整的岩块，并可认为这类岩体是各向同性的、连续的均质材料；
2）破碎多孔介质。此类岩体由多孔介质组成，并被多组结构面分割。岩体内的岩块属于多孔介质，有一定的透水性。但是影响岩体水力学特性及水力特性的，主要还是其裂隙组与裂隙组的分布形式；
3）有隔水层的多孔介质。该类岩体由多孔介质构成，并被不透水的物质充填而成的结构面分割，形成隔水层。此类岩体的力学特性是充填物与岩块的力学特性共同决定，其水流特性则是取决于孔隙岩块的水流特性，各岩块间存在着水流交换。
第三章 隧道流固耦合数值分析.........23
3.1 引言 ............ 23
3.2裂隙岩体渗流模型........... 23
3.3隧道裂隙岩体渗流场分析................ 26
第四章 隧道限排工程实例分析.........41
4.1 引言 ............... 41
4.2 有限元软件数值模拟 ................. 41
第五章 结论与展望.................75
5.1 结论 .................... 75
5.1.1 孔隙水压力分布 ............... 75
第四章 隧道限排工程数值分析
4.1 引言
对于许多工程或物理学问题，在一定的假设和简化后可化为和各领域对应的一组偏微分方程和相应的定解条件。除了个别特殊间题有解析解外，大多数问题的求解都借用现代高速计算机，采用数值方法求解。但如果对每个数学问题都从开始进行编程计算，必然要花费大量的时间和精力，不但效率很低，而且有时并不能在有限的时间内保证求解的正确性。从扩大的角度来看，这种方式使很多梢力花费在重复性工作上，因为有很多同领域的工程技术人员都在进行相同的研究和工作。尤其是对于基本的数值计算，如线性代数方程组的求解，典型有限元求解等，如果一切都是从开始进行，除了训练的目的外，大部分工作都是别人工作的重复，没有太多的意义。
第五章 结论与展望
5.1 结论
本文以广乐大瑶山 1 号隧道浅埋段为工程背景，该隧道区属生态保护区，植被发育，水土保持较好。地勘报告表明，该段岩体受构造影响严重，结构松散。裂隙发育，稳定性较差，属于岩石破碎富水区和断层破碎带影响区域，隧道施工开挖时无支护时易坍塌，渗流量大，处置不当时可能会引起地表冲沟水、水库蓄水大量下渗进入隧道，对地下隧道开挖和地表生产生活用水以及地表植被产生严重不良影响。本文结合大瑶山 1 号隧道进行数值模拟，就模拟后隧道围岩的孔隙水压力分布、darcy 渗流速度、tresca 应力分布以及隧道的位移场的影响进行研究分析。
5.1.1 孔隙水压力分布
①注浆前后，围岩的最大孔隙水压力值并无太大的变化。
②注浆前，围岩的孔隙水压力从斜坡水头处逐次递减，最后到隧道围岩处，压力已经很小。注浆后，围岩的孔隙水压力在斜坡水头和注浆处之间的岩体内逐渐降低，注浆处后的围岩的孔隙水压力已经很小。注浆后的孔隙水压力主要集中在注浆处。
③注浆前后，随着水头的升高，围岩的孔隙水压力依次递增。
④注浆区注浆厚度的改变，对孔隙水压力的数值并没有什么大的改变，但对其的分布有着直接而重要的影响。
⑤注浆区注浆渗透系数的改变，对孔隙水压力的分布以及数值并无太大的变化。
5.1.2 darcy 渗流速度
①注浆前后，围岩的渗流速度变化极大，注浆前的渗流速度是注浆后的渗流速度的两倍左右。从图中可看出，注浆前，围岩的渗流速度从斜坡水头两端开始逐次递减，最后到隧道围岩处，速度变为最小。注浆后，围岩的渗流速度在水头一角和注浆体一角为最大，然后在逐渐减小，注浆区无渗流发生，注浆处后的围岩的渗流速度已经达到最小。
②注浆前后，随着水头的升高，围岩的渗流速度依次递增。
③注浆区注浆厚度的改变，对达西速度场的影响并不是特别大，厚度减小，等值线的分布有些许变化。且渗流速度并不是线性变化的。
④注浆和未注浆时的速度相差甚远，有一个明显的突变。
⑤注浆区注浆系数的改变，对达西速度场略有影响，渗透系数增大，渗流速度稍微变大，等值线的分布有些许变化。
参考文献（略）