基于流固耦合理論下穿庫(kù)區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性分析

陳明奎

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京　100082)

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基于流固耦合理論下穿庫(kù)區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性分析

陳明奎

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082)

摘要：以某下穿庫(kù)區(qū)鐵路隧道為依托工程，對(duì)比分析有無(wú)滲流場(chǎng)作用和不同水深條件下，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律以及圍巖變形、塑性區(qū)和滲流場(chǎng)的變化特性，同時(shí)還考慮隧道加固圈厚度和滲透系數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：地下水滲流場(chǎng)對(duì)圍巖變形影響較大，不僅能引起大范圍的庫(kù)底沉降，而且能增大隧道拱頂和拱腰的位移，并且能夠減小仰拱的隆起量以及加劇圍巖塑性區(qū)的范圍；隧道的開(kāi)挖能夠?qū)Φ叵滤紫端畨毫Φ姆植夹纬擅黠@的擾動(dòng)，并且在兩拱腳處滲流速度最大，最大塑性區(qū)位于橫向臨時(shí)支撐處；注漿加固圈能夠改善圍巖的受力，隧道最優(yōu)注漿圈厚度在5m，并且當(dāng)滲透系數(shù)小于圍巖滲透系數(shù)的1/50時(shí)注漿圈加固效果不再明顯。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；流固耦合理論；圍巖穩(wěn)定性；滲流場(chǎng)；庫(kù)區(qū)

1概述

地下水會(huì)對(duì)隧道工程的施工及運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生重大影響，隧道周邊圍巖形成的滲流場(chǎng)與圍巖應(yīng)力場(chǎng)之間會(huì)產(chǎn)生較為顯著的相互影響[1-2]，一方面隧道開(kāi)挖容易對(duì)巖土體的應(yīng)力場(chǎng)形成較大的擾動(dòng)進(jìn)而改變巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖土體滲透性的改變會(huì)嚴(yán)重影響圍巖中滲流場(chǎng)的分布；另一方面地表水對(duì)地下水可以形成一個(gè)近似無(wú)限的水源補(bǔ)給，隧道周邊滲流場(chǎng)的重分布又會(huì)改變巖土體顆粒所受的滲透壓力，從而改變巖土體的應(yīng)力狀態(tài)。地下工程中的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合會(huì)對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜的影響[3]。因此，在滲流場(chǎng)作用下隧道的圍巖穩(wěn)定性分析過(guò)程中一定要考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合影響。許多專家學(xué)者[4-11]對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中流固耦合原理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在此基礎(chǔ)上采用拉格朗日快速有限差分法對(duì)施工方法、圍巖級(jí)別、加固圈厚度和滲透系數(shù)等影響因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性、滲流規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響做了深入分析，取得一系列重要研究成果。

以某鐵路隧道下穿水庫(kù)為工程背景，利用大型有限元軟件Abaqus對(duì)隧道施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了流固耦合分析，對(duì)比分析了在流固耦合作用下隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)隧道上覆水深度、注漿加固圈的厚度與滲透系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究成果對(duì)下穿庫(kù)區(qū)隧道施工具有重要的參考價(jià)值。

2Abaqus軟件流固耦合計(jì)算原理

巖土體流固耦合是水體流動(dòng)和介質(zhì)變形的相互作用、相互影響的結(jié)果，Abaqus軟件提供了特殊的位移-孔壓?jiǎn)卧M(jìn)行多孔介質(zhì)的滲流問(wèn)題模擬，利用該單元可以實(shí)現(xiàn)滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)很好的耦合。

2.1孔隙介質(zhì)的有效應(yīng)力原理

孔隙介質(zhì)的有效應(yīng)力一般采用Biot有效應(yīng)力，由于在Abaqus軟件中定義拉應(yīng)力為正，飽和區(qū)域孔壓為正，因此有效應(yīng)力表達(dá)式[12]為

(1)

2.2孔隙介質(zhì)的流體滲流規(guī)律

孔隙流體的滲流過(guò)程遵循Darcy定律或Forchheimer定律，前者一般適用于低滲流流速，后者主要用來(lái)模擬高流動(dòng)速度的情況。Darcy定律可以認(rèn)為是Forchheimer定律的特例，用來(lái)描述層流條件下多孔介質(zhì)中的滲流速度與水力梯度之間的線性關(guān)系，采用Darcy定律來(lái)描述空隙流體的滲流過(guò)程。一維條件下的Darcy定律表達(dá)式[13]為

(2)

式中，v′為平均滲流速度；Q為流量；A為過(guò)水面積；k為滲透系數(shù)；H為水頭；gradH為水力梯度。

2.3滲流連續(xù)方程

Abaqus軟件假定流體可以在有限元網(wǎng)格中連續(xù)流動(dòng)，因而孔隙介質(zhì)中流動(dòng)方程可以用連續(xù)方程來(lái)表示，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流體的連續(xù)方程[14]為

(4)

式中，J表示土體體積的變化；vw為流體相對(duì)于固體顆粒的平均速度；∩表示面S的外法線方向。

假設(shè)流體的流動(dòng)符合Darcy定律，則可得到滲流場(chǎng)的微分方程

(5)

根據(jù)滲流微分方程可得到滲流場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓力的分布狀態(tài)。

2.4邊界條件

在滲流場(chǎng)分析中有兩類邊界條件，一類是流量邊界條件，另一類為孔壓邊界條件。流量邊界條件可以表示為

(6)

式中，n為流量邊界的單位法向；qw為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)邊界的液體流量；kr為比滲透系數(shù)。

孔壓邊界條件可表示為

(7)

pwb為已知邊界處的孔隙壓力。本文在模型頂部和開(kāi)挖臨空面采用孔壓邊界條件。

3工程背景及計(jì)算模型的建立

3.1工程概況

該鐵路隧道全長(zhǎng)4.452 km。隧址區(qū)巖性以軟弱破碎的強(qiáng)風(fēng)化砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主。水庫(kù)位于DK948+900～DK949+160段，總長(zhǎng)度260 m，其下部土體的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，水庫(kù)豐水季節(jié)最大水深為7 m，枯水季節(jié)最大水深約為3 m，隧道埋深為11 m。水庫(kù)區(qū)地下水根據(jù)其存在形式分為孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水相對(duì)較豐富，主要接受水庫(kù)水補(bǔ)給。

3.2隧道施工工法

隧道穿越水庫(kù)區(qū)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，隧道斷面尺寸及施工工序如圖1所示。

圖1　隧道橫斷面及施工工序(單位：cm)

其施工步依次為：(1)左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階土體開(kāi)挖；(2)左側(cè)上臺(tái)階初襯及臨時(shí)支護(hù)施做；(3)左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階土體開(kāi)挖；(4)左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初襯及臨時(shí)支護(hù)施做；(5)右側(cè)上臺(tái)階土體開(kāi)挖；(6)右側(cè)上臺(tái)階初襯及臨時(shí)支護(hù)施做；(7)右側(cè)下臺(tái)階土體開(kāi)挖；(8)右側(cè)下臺(tái)階初襯及臨時(shí)支護(hù)施做；(9)施做二次襯砌；(10)拆除臨時(shí)支撐。

3.3計(jì)算模型

隧道數(shù)值計(jì)算模型的軸向取單步開(kāi)挖步長(zhǎng)，模型表面距隧道拱頂11 m，模型底部及左右兩側(cè)均距隧道開(kāi)挖輪廓線65 m。巖土體單元采用孔壓?jiǎn)卧?，并采用Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬。隧道模型網(wǎng)格及數(shù)值計(jì)算范圍見(jiàn)圖2。其中A點(diǎn)為水庫(kù)底部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，B、E分別為隧道拱頂與仰拱位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，C、D分別為隧道拱腰位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2　隧道計(jì)算模型(單位：m)

假設(shè)隧道開(kāi)挖前，巖土體孔隙水壓力為靜水壓力，其值與深度成正比，并且?guī)r土體的固結(jié)沉降已經(jīng)完成。計(jì)算結(jié)果均已消除前期固結(jié)沉降的影響。模型的位移邊界條件為：模型左右兩側(cè)以及隧道軸線方向約束其水平方向位移，底部約束其豎直方向位移，頂部為自由邊界。孔壓邊界條件為：模型頂部施加相應(yīng)水深下的的孔壓邊界條件，模型兩側(cè)及底部為不透水邊界。隧道巖土體開(kāi)挖后形成的臨空面為透水邊界。計(jì)算模型采用的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3.4計(jì)算工況

在分析流固耦合作用以及上覆水深度對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程的影響時(shí)所考慮的工況見(jiàn)表2。

表1　模型物理力學(xué)參數(shù)

表2　隧道計(jì)算模型工況

注：工況1不考慮滲流場(chǎng)作用，其余工況均考慮滲流場(chǎng)作用。

受到庫(kù)區(qū)水壓力的影響，為隧道施工安全考慮，在庫(kù)區(qū)底部隧道周邊進(jìn)行注漿加固處理，分析采用的注漿加固圈厚度及注漿系數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3　隧道加固圈厚度及工況

注：滲透系數(shù)固定為1×10-7m/s

表4　隧道加固圈滲透系數(shù)及工況

注：β為圍巖與加固圈滲透系數(shù)之比，僅考慮豐水季節(jié)上覆水深為7 m時(shí)工況。

4計(jì)算結(jié)果分析

4.1拱頂與水庫(kù)底部沉降分析4.1.1隧道拱頂沉降分析

工況1與工況3主要施工步開(kāi)挖過(guò)程引起的B點(diǎn)最大沉降量及其所占總最大沉降量的比例見(jiàn)表5。

由表5可知，考慮滲流場(chǎng)作用時(shí)施工步1引起的拱頂沉降量所占的比例稍有增加，這主要是由于巖土體在開(kāi)挖過(guò)程中的排水固結(jié)作用引起的。特別是在隧道右側(cè)上臺(tái)階土體開(kāi)挖過(guò)程中，不考慮滲流場(chǎng)作用產(chǎn)生的位移所占總位移的比例達(dá)到48.24%，較考慮滲流場(chǎng)時(shí)的23.75%有顯著增大，一方面無(wú)滲流場(chǎng)時(shí)此部分土體的開(kāi)挖對(duì)隧道圍巖的卸載作用較為強(qiáng)烈，另一方面是由于存在滲流場(chǎng)作用時(shí)隧道圍巖的固結(jié)沉降持續(xù)進(jìn)行且沉降速率逐漸變緩，該步開(kāi)挖后，圍巖的固結(jié)沉降因素是導(dǎo)致隧道圍巖沉降量所占比例降低的主要原因。

表5　隧道拱頂沉降計(jì)算結(jié)果

4.1.2水庫(kù)底部沉降分析

工況1～工況5條件下水庫(kù)底部A點(diǎn)沉降曲線如圖3所示。

圖3　隧道上方庫(kù)底沉降曲線(A點(diǎn))

由圖3可以得出。

(1)5種工況下隧道的開(kāi)挖對(duì)水庫(kù)底部沉降影響范圍大約在距隧道中軸線左右25 m范圍內(nèi)，大于該距離的區(qū)域沉降曲線逐漸平緩，水庫(kù)底部出現(xiàn)的沉降槽形狀相似，說(shuō)明在水庫(kù)底部開(kāi)挖隧道無(wú)論是否考慮滲流場(chǎng)作用以及上覆水的深度，對(duì)庫(kù)底沉降槽的形狀分布影響較小。隨著上覆水深度的增加，庫(kù)底沉降量的增大趨勢(shì)越明顯，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隧道上方水位的高低、滲流場(chǎng)的分布對(duì)圍巖變形影響較大。

(2)比較工況1和工況3的沉降曲線可知：在上覆水深一定的情況下，工況1產(chǎn)生的水庫(kù)底部最大沉降量為9 mm，工況3產(chǎn)生的最大沉降為20 mm。說(shuō)明隧道開(kāi)挖引起的地下水滲流場(chǎng)的變化對(duì)庫(kù)底沉降具有顯著影響。同時(shí)比較工況2～工況5可知：隨著上覆水深度的增加，庫(kù)底最大沉降量也有顯著增加，拱頂?shù)淖畲蟪两盗窟_(dá)到31.7 mm。這是由于隧道巖土體開(kāi)挖后，洞內(nèi)臨空面的水壓力急劇減小造成地下水向洞內(nèi)不斷涌入，在此動(dòng)水壓力的作用下巖土體不斷產(chǎn)生固結(jié)沉降，并且水深越大動(dòng)水壓力越大進(jìn)而固結(jié)沉降越明顯。

4.2圍巖變形與塑性區(qū)分析4.2.1隧道圍巖變形分析

工況1～工況5條件下隧道拱頂、左右側(cè)拱腰與仰拱最終位移見(jiàn)表6，其中拱頂與仰拱為豎直位移，左右拱腰為水平位移。

表6　隧道關(guān)鍵部位圍巖位移　mm

由工況1和工況3比較可知：在考慮流固耦合時(shí)，隧道拱頂、左右拱腰圍巖位移均有顯著增加，而仰拱隆起量則顯著減小。并且隧道周邊圍巖的相對(duì)位移由10.44 mm增加到17.22 mm。拱頂B點(diǎn)和拱腰位移的顯著增加主要是由于隧道開(kāi)挖后巖土體的固結(jié)沉降，而仰拱隆起量減小則是因?yàn)榇怂淼缆裆钶^淺且上覆恒定水壓力較大，造成隧道開(kāi)挖后地下水不斷涌入，而水庫(kù)水又能對(duì)地下水形成相對(duì)無(wú)限的補(bǔ)給，造成巖土體固結(jié)沉降值較大抵消了部分由于應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)而造成的仰拱的隆起，這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果類似。隨著上覆水深的增加，拱頂與左右拱腰位移不斷增大，仰拱隆起量不斷減小，這說(shuō)明上覆水深越深流固耦合作用越顯著。

4.2.2隧道圍巖塑性區(qū)分析

隧道施工過(guò)程中，周邊圍巖塑性區(qū)分布見(jiàn)圖4。

由圖4(a)可知：在不考慮流固耦合作用時(shí)，圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)在隧道拱頂、拱肩與拱腰位置，且拱肩處塑性區(qū)向圍巖內(nèi)部延伸較大，最大塑性區(qū)出現(xiàn)在臨時(shí)支撐與左側(cè)拱腰圍巖接觸處，這是因?yàn)檩^大的地層側(cè)向壓力造成橫向臨時(shí)支撐點(diǎn)處的應(yīng)力集中從而出現(xiàn)最大塑性區(qū)。隨著上覆水深度的增加(圖4(b)～圖4(e))，圍巖塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最大塑性區(qū)仍然出現(xiàn)在左拱腰處，并且其峰值由2.566×10-3增加到8.674×10-3。拱頂塑性區(qū)逐漸趨于貫通，且拱腳塑性區(qū)向仰拱延伸，在水深達(dá)到7 m時(shí)隧道左側(cè)拱腰橫向支撐點(diǎn)處的塑性區(qū)向圍巖延伸深度達(dá)到5 m左右，并且兩拱肩處的塑性區(qū)向庫(kù)底延伸較大，此時(shí)施工中應(yīng)采取必要的圍巖加固措施，可以考慮在拱腰臨時(shí)支撐處施做鎖腳錨桿并注漿加固，同時(shí)也必須采取有效的防排水設(shè)施，防止隧道涌水量造成隧道圍巖坍塌?？紤]流固耦合作用效果時(shí)仰拱塑性區(qū)隨水深的加大而減小，這與仰拱隆起量的變化趨勢(shì)一致。

圖4　圍巖塑性區(qū)分布

4.3隧道結(jié)構(gòu)受力及圍巖滲流場(chǎng)分布4.3.1支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

工況1與工況3條件下隧道開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況見(jiàn)表7。

表7　隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

隨著施工步的進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載持續(xù)增大并且考慮流固耦合作用時(shí)支護(hù)構(gòu)受力較大，這是由于隨著施工步的進(jìn)行，隧道圍巖不斷進(jìn)行著應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的重布，而相對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)而言，隧道滲流場(chǎng)的分布是一個(gè)較為緩慢的過(guò)程，并且滲流場(chǎng)的重分布會(huì)使圍巖的位移進(jìn)一步增大，這樣就使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到較大的圍巖荷載作用。并且支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力最值一般出現(xiàn)在臨時(shí)支撐圍巖接觸位置附近和拱腳附近，因此施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)這些位置進(jìn)行必要的加固。

4.3.2圍巖滲流場(chǎng)分布

隧道開(kāi)挖后圍巖孔隙水壓力云圖和孔隙水流動(dòng)矢量分布如圖5、圖6所示。

圖5　隧道開(kāi)挖后孔隙水壓力云圖(單位：MPa)

圖6　孔隙水流動(dòng)矢量分布

隧道施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)和滲流場(chǎng)的影響，在隧道周邊有明顯的擾動(dòng)現(xiàn)象，相同高度處圍巖周邊孔隙水壓力明顯小于遠(yuǎn)處巖土體孔隙水壓?？傮w上來(lái)說(shuō)，隧道兩拱腳附近的孔隙水流動(dòng)速度4.067×10-7m/s明顯大于隧道其他部位，形成了一個(gè)以隧道開(kāi)挖區(qū)域?yàn)橹行牡穆┒窢畹臐B流場(chǎng)分布形狀，施工過(guò)程中應(yīng)注意兩側(cè)拱腳的防排水問(wèn)題。

4.4隧道注漿圈加固效果分析

不同注漿圈厚度、滲透系數(shù)與圍巖位移的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7、圖8。

圖7　隧道圍巖位移與注漿圈厚度關(guān)系曲線

圖8　隧道圍巖位移與注漿圈滲透系數(shù)關(guān)系曲線

由圖7、圖8可以得出。

(1) 隨著注漿圈厚度的增大，拱頂和水庫(kù)底部圍巖沉降量、仰拱隆起量都不斷減小。在注漿加固圈厚度由5 m增長(zhǎng)到6 m時(shí)，其仰拱隆起量之差為加固圈厚度為5 m時(shí)仰拱隆起量的4.9%，表明此時(shí)注漿圈厚度的增加對(duì)仰拱隆起量的控制效果不太明顯。對(duì)于拱頂和庫(kù)底沉降量，在加固圈厚度為5 m時(shí)，其沉降差值所占比例分別為8.5%、8.7%，均小于10%，且隨著注漿圈厚度的增大，該比值逐漸減小，這是因?yàn)樽{加固提高了圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，特別是滲透系數(shù)和彈性模量，導(dǎo)致隧道拱頂上部圍巖的固結(jié)沉降和因應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)而產(chǎn)生的沉降量降低。所以從控制圍巖位移角度來(lái)看，綜合考慮工程安全與經(jīng)濟(jì)因素，注漿加固圈最優(yōu)厚度為5 m。

(2) 隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，拱頂與庫(kù)底沉降量逐漸減小，這是由于滲透系數(shù)越小，巖土體的固結(jié)沉降越不明顯。注意到隨著圍巖滲透系數(shù)的減小，隧道仰拱隆起量卻逐漸增加，這是因?yàn)閲鷰r加固圈的厚度一定時(shí)，滲透系數(shù)越小仰拱的固結(jié)沉降越不明顯，并且仰拱底部所受到的孔隙水壓力越大的原因。對(duì)比圖7中注漿加固圈厚度對(duì)仰拱的隆起量的影響趨勢(shì)可知，在不同的注漿加固厚度和滲透系數(shù)情況下，滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)對(duì)隧道仰拱的隆起量的影響作用不同。注漿加固圈的滲透系數(shù)小于圍巖滲透系數(shù)的1/50時(shí)，滲透系數(shù)變化對(duì)隧道圍巖的位移影響較小。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)對(duì)隧道圍巖的位移、塑性區(qū)和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響的對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)下穿水庫(kù)隧道開(kāi)挖對(duì)水庫(kù)底部沉降影響范圍較大，上覆水深度對(duì)水底沉降槽形狀總體影響不大，但最大沉降量隨水深的增大而增大。

(2)庫(kù)區(qū)底部滲流場(chǎng)可以增大隧道拱頂、拱腰的位移，但也能夠減弱應(yīng)力場(chǎng)重分布引起的仰拱的隆起量。無(wú)論是否考慮流固耦合作用，圍巖最大塑性區(qū)都出現(xiàn)在臨時(shí)支撐與左側(cè)拱腰圍巖接觸處。滲流場(chǎng)能夠擴(kuò)大圍巖的塑性范圍，加劇圍巖塑性化程度，并且水壓變化對(duì)圍巖塑性區(qū)變化影響顯著。

(3)地下水滲流場(chǎng)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響明顯。在隧道拱腳和拱腰部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，施工中應(yīng)注意對(duì)該處及時(shí)加固。圍巖的開(kāi)挖對(duì)巖土體滲流場(chǎng)的影響較為顯著，隧道周邊孔隙水壓力擾動(dòng)較大，兩拱腳處滲流速度最大。

(4)對(duì)隧道進(jìn)行注漿加固措施能夠有效控制隧道拱頂和庫(kù)底沉降量，滲透系數(shù)越小、注漿加固圈越厚則沉降量越小。加固圈的參數(shù)對(duì)仰拱的隆起量也有重要影響：在一定情況下，加固圈厚度不變，則滲透系數(shù)越小仰拱隆起量越大；加固圈滲透系數(shù)不變，則厚度越大仰拱隆起量越小。隧道最優(yōu)注漿圈厚度在5 m，并且當(dāng)滲透系數(shù)小于圍巖滲透系數(shù)的1/50時(shí)注漿圈加固效果不再明顯。

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Analysis of Surrounding Rock Stability of Tunnel Passing under Reservoir Based on Coupled Fluid-solid Theory

CHEN Ming-kui

(Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute， Beijing 610031， China)

Abstract：Based on a certain railway tunnel passing under a reservoir， a systematic study is conducted to identify the stability of the surrounding rocks of the tunnel which goes through the reservoir area， to compare and analyze the change law of the tunnel structure stress， the displacement and plastic zone of the surrounding rocks， the influence of the thickness of reinforcement ring and seepage coefficient on the stability of the surrounding rocks. The results indicate that the seepage field of the underground water has significant influence on the deformation of the surrounding rocks， it not only causes a large scale of settlement of the bottom of the reservoir but also increases the displacement of the vault and haunch; it reduces the uplift of the inverted arch and extends the range of surrounding rocks. The excavation of the tunnel obviously disturbs the distribution of pore water pressure of groundwater， the seepage velocity is fastest at the two arch foot and the most severe plastic zone is located at the lateral temporary support. The grouting reinforcement ring can improve the stress state of the surrounding rocks and the optimal thickness of the grouting reinforcement ring is 5 meters. The reinforcement effect is not obvious when the permeability coefficient of the grouting reinforcement ring is less than 1/50 of the surrounding rocks.

Key words：Railway tunnel; Coupled fluid-solid theory; Stability of surrounding rock; Seepage field; Reservoir area

中圖分類號(hào)：U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.018

文章編號(hào)：1004-2954(2016)04-0072-06

作者簡(jiǎn)介：陳明奎(1990—)，男，2015 年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail：cmk108@bmedi.cn。

收稿日期：2015-08-15； 修回日期：2015-09-06