BIM与数值模拟在特长隧道涌水管理中的应用

1 研究背景

隧道工程作为重要的交通运输通道，其建设规模和技术复杂程度日益增加，涌水问题是特长隧道施工中普遍存在的难题之一。涌水不仅会破坏隧道结构，增加工程成本，而且可能会引发施工安全事故。因此，研究并制订有效的隧道涌水施工方案，在工程应用中具有重要意义。

在国内外的研究中，BIM技术应用已涵盖隧道工程设计、信息管理、施工进度控制、变形监测、施工过程管理及数字化转型等多个领域。目前，隧道工程涌水处置方案主要集中在隧道涌水风险评估和单一涌水施工技术应用方面，将BIM技术与有限元数值模拟相结合，解决隧道涌水问题的研究较为有限。本研究以都香高速项目翠屏隧道工程为例，将BIM技术与有限元数值模拟技术相结合，构建了一套完整的特长隧道涌水抽排水施工方案，以有效控制和减少涌水对施工的影响。研究技术路径如图1所示。

图1 翠屏特长隧道涌水抽排处置方案技术路径

2 工程概况

都香高速项目翠屏隧道左洞与右洞长度依次为10 133 m和10 046 m，纵面采用–1.98 %的单向直坡。在开挖隧道时，受周围隐伏的高水压溶腔的影响，极易发生涌水事故。隧址区地下水类型主要包括松散岩类孔隙水、基岩裂隙水以及碳酸盐岩岩溶水三大类，其中碳酸盐岩岩溶水最为普遍。

3 BIM辅助涌水点位模型

通过采用Open Buildings Designer（OBD）和Micro station（MS）搭建精度为LOD300的BIM模型，并进行真实材质渲染，使工程人员能够直观地掌握工程管理动态信息。

在隧道工程开展前期，借助水文地质勘察手段，精准识别断层位置、走向和倾角等关键地质构造信息。同时，利用地质测绘与物探技术，深入分析隧道可能出现涌水的位置，构建出隧道及周边地质环境的高精度三维模型。而且，针对前期分析确定的可能涌水关键位置，如断层与隧道相交处、岩石裂隙密集区以及地下水径流路径与隧道交叉部位等，布置湿度及水压传感器，实时、精准地监测隧道壁面和岩体表面的湿度变化，以及地下水压力的波动情况。

在BIM模型中预先设定科学合理的阈值，一旦传感器监测到数据超出阈值范围，模型将自动触发标识机制，以醒目的特定颜色、图标，在模型上精准标识出可能的涌水点位，显著提升对隧道涌水风险的预警与管控能力。

图2明确了2020年9月7日在ZK 46+464、9月15~16日在ZK 46+516和ZK 48+120的涌水位置，为后续及时掌握涌水情况、制订应对措施提供了关键依据。同时，在隧道水位上涨等紧急状况下，BIM模型能够辅助现场人员清晰地了解隧道与斜井的位置关系、各区域淹没情况，为安全撤离提供了有力支持。

图2 隧道、涌水与斜井三维标识模型示意

4 隧道涌水量预测

隧道涌水量可采用地下水径流模数法、大气降水渗入量法、泉汇总法进行预测。由于翠屏隧道洞内岩溶管道较多、地质条件复杂，通过洞内涌水量难以预测隧道的总涌水量。地下径流模数法凭借消除因流域面积差异干扰的特性，能够精准地反映出与自然地理条件相关的径流特性的影响，具有较高的适用性。

采用地下径流模数法计算涌水量时，按照TB 10049—2019《铁路工程水文地质勘察规程》的相关方法进行。穿越多个地表水流域的隧道涌水量，可依据各含水岩组地层的出露位置、地形特征、岩溶发育区域以及在水文地质单元内的径流条件，选取合适的地下水径流模数与地表流域范围取值。

向斜构造在透水均匀的岩层中时，轴部埋深较浅时易富水。拟建隧道主要处于径流排泄区，且处于地下水的水平管道带区域。假定所有自然排泄量均自开挖后的隧道内涌出，那么在隧道正常运作期间，其涌突水量应近似于自然排泄量。按照地下径流模数法，计算隧道平均涌水量为49 566 m³/d（2 065 m³/h）。

在极端暴雨期，短时暴雨补给径流排泄状况与平时相比差异巨大。因此，将隧洞内暴雨期间与施工期间的最大涌水量设定为平水期的4倍进行设防较为合理。计算丰水期涌水量为198 264 m³/d（8 261 m³/h）。

5 安全岩盘厚度计算

隧道开挖过程中会对围岩初始应力产生影响，由于岩盘的破损形成裂缝，这些裂缝为地下水在岩体内的流动提供了通道。

基于此，以临界拉应变作为评估依据，采用正有限元模拟计算软件，开展隧道施工过程中的扰动对岩层拉裂破坏程度的分析与计算，确定不同围岩级别下的安全岩盘厚度。

5.1 计算模型

根据现场实际情况，选择使用midas GTS NX有限元分析建模软件，计算方法选取基于地层–结构法的隧道施工过程三维模拟分析。由于拟开挖的围岩和已开挖的围岩体，以及隧道衬砌与围岩之间仅能传递压力，因此在模型构建时，单元材料间通过仅承受压力的弹簧进行连接，以实现力传递的模拟。

土压力模型采用修正后的莫尔–库伦模型，该模型通过独立设定加载与卸载的弹性模量，优化了荷载移除所引发的影响。计算过程中基于地层–结构法计算安全岩盘厚度，对应节点划分网络，建立受力模型。

5.1.1 模型网格

为提升计算效率，计算模型采用简化处理方法，取隧道埋深为100 m，并在其顶部边界施加500 m高的围岩自重压力。

模型采用的约束条件为：上表面作用法向应力，两侧为水平约束，在纵向的上方和下方施加了纵向水平约束，底部则施加垂直约束。

本次计算采用三维立体模型，设计了模型的左右边界与隧道中心线的间距约为洞径的5倍，而底边界则设定为距隧道底部4倍隧道高度的距离，从而确立模型的尺寸为长×宽×高=132 m×70 m×218 m。

5.1.2 计算参数

根据隧道地质条件构成，计算模型围岩级别分别为Ⅳ2级、Ⅳ3级和Ⅴ1级。在计算过程中，围岩和初期支护均采用实体单元，且不考虑二次衬砌阶段的支护作用。

模型借助Null Model进行台阶法开挖单元的模拟，开挖循环进尺设定为2.0 m，初期支护厚度设定为22 cm。

围岩以及初期支护的物理参数依据地质资料和现行TJ 67070—2010《公路隧道设计规范》确定，计算过程中使用的地层与支护的物理参数见表1。

表1 围岩及支护结构物理参数

根据莫尔–库伦准则，混凝土在最大压应力和最大拉应力下有着对应的粘聚力和摩擦角，现使混凝土同时满足最大拉应力和最大压应力，即求其公切线，此公切线求出的摩擦角和粘聚力同时满足最大拉应力和最大压应力。

5.1.3 计算假定

在进行有限元计算时，设置的基本假定如下。

（1）模型的岩体材料具备均质性与各向同性特征，且不将介质不连续性纳入考量范畴。

（2）选用与岩土材料较为适配的Mohr–Coulomb理论作为模型的塑性屈服标准。

（3）假设变形模量、岩石密度、摩擦角以及粘结力等物理参数维持不变。

（4）假设隧道结构与围岩始终紧密接触，变形协调一致。

5.2 模拟结果与分析

基于临界拉应变的评判标准，对隧道施工扰动在不同岩盘厚度条件下所引起的岩盘拉裂破坏程度进行了计算分析，从而确定防止井水涌出的安全岩盘厚度要求。考虑到翠屏隧道地质条件，对1号斜井进行Ⅳ2级、Ⅳ3级和Ⅴ1级三类围岩在不同厚度下的力学效应模拟计算。

5.2.1 Ⅳ2级围岩

对2 m、4 m、6 m、8 m、10 m共5种岩盘厚度，进行力学效应模拟计算分析，得到各种厚度下岩盘的变形及拉裂区演变情况，如图3所示。

图3 2~10 m岩盘厚度下岩盘拉裂区演变示意

（a）2 m；（b）4 m；（c）6 m；（d）8 m；（e）10 m

5.2.2 Ⅳ3级和Ⅴ1级围岩

针对Ⅳ3级和Ⅴ1级围岩工况，设置了2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m共7种岩盘厚度，进行隧道施工力学效应计算分析，得到各种厚度下岩盘的变形及拉裂区演变情况，数值模拟结果见表2。

表2 Ⅳ3级和Ⅴ1级围岩数值模拟结果

通过计算得出，为确保淹井水体不会沿岩盘发生涌出，对于Ⅳ2级围岩，岩盘厚度应不小于8 m；对于Ⅳ3级围岩，岩盘厚度应不小于12 m；对于Ⅴ1级围岩，岩盘厚度应不小于14 m。

另外，由于钻爆法施工作业引起的爆炸振动会明显影响岩体的结构，因此应针对岩盘的安全厚度进行合理的修正，取1.2~1.3的安全修正系数。对于Ⅳ2级围岩，安全岩盘的厚度应为10 m；对于Ⅳ3级围岩，安全岩盘的厚度则应为15 m；而Ⅴ1级围岩的岩盘厚度应为18 m。

6 涌水抽排设计

根据上述涌水量测算和岩盘厚度模拟计算结果，涌水抽排方案采用以主洞多级接力排水为主、斜井应急排水为辅的联合排水方案，具体设计方案如下。

第一阶段：斜井第一阶段试抽水，按照斜井端最大电力容量及平水期涌水量布置抽水设施，试验抽水能力为2 120 m³/h。

第二阶段：如斜井试抽水无法满足降水压要求，采用进口端超前钻孔泄水，确保贯通段水头标高降低至底板位置（降低7.72 m），实现隧道涌水段安全贯通。

第三阶段：左洞进口段与涌水段（ZK 46+464）贯通后，斜井与主洞联合排水，以确保洞内淹水（35.9万m³）抽排完成。

第四阶段：洞内淹水抽排完成后，停止斜井的排水系统，启用主洞的多级接力排水设备，而斜井的排水设施将作为安全备用。

7 结论

本研究聚焦都香高速翠屏特长隧道施工涌水难题，综合运用多种技术手段，形成了一套系统的涌水处置方案，主要结论如下。

（1）通过构建BIM三维模型精准标识涌水点位，采用地下径流模数法预测并结合监测数据，确定翠屏隧道平水期涌水量为49 566 m³/d（2 065 m³/h），丰水期为198 264 m³/d（8 261 m³/h）。

（2）经有限元模拟分析，考虑多种因素后，Ⅳ2级、Ⅳ3级和Ⅴ1级围岩的安全岩层厚度分别为10 m、15 m和18 m，可防止淹井水体涌出。

（3）针对翠屏隧道涌水及后续施工，提出分阶段抽排水组织设计方案，可有效应对涌水问题，保障施工安全。