某隧道流固耦合分析

□文/朱亞坤

某隧道流固耦合分析

□文/朱亞坤

依據(jù)FLAC-3D數(shù)值分析軟件模擬巖體滲流的流固耦合機(jī)理，建立了裂隙巖體隧道等效滲流分析模型，對(duì)某隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)比分析了不考慮滲流場(chǎng)條件下和考慮流固耦合作用下隧道圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力；對(duì)圍巖的變形及其應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析，對(duì)隧道安全作出了初步評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，不考慮滲流場(chǎng)條件下隧道周邊的位移和應(yīng)力，要小于考慮流固耦合作用的結(jié)果，耦合場(chǎng)作用要比不考慮滲流場(chǎng)條件下危險(xiǎn)，應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合作用不容忽視。

滲流場(chǎng)；流固耦合；數(shù)值模擬；隧道

1　工程概況

某隧道下穿黃河，軸線走向與黃河河床走向呈60°夾角，穿越河床段約230 m，于黃河河床下70 m左右處通過(guò)，穿越河段百年一遇流量6 099.8 m3/s，斷面平均流速為3.0 m/s，受其影響，隧道內(nèi)地下水源補(bǔ)給充足且水位線以上僅145 m，其余1 053 m均為水位線以下部分，按設(shè)計(jì)資料顯示，開(kāi)挖施工中全隧道總涌水量可達(dá)5 000～8 000 m3/d。

根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件介紹，圍巖以千枚狀板巖和絹云母化千枚巖為主，遇水軟化、遇風(fēng)開(kāi)裂，節(jié)理、裂隙發(fā)育，受地下水影響風(fēng)險(xiǎn)很大。

因此，隧道地下水施工控制，關(guān)系到地下水環(huán)境保護(hù)、隧道施工安全性、結(jié)構(gòu)使用安全與耐久性的重大問(wèn)題。

F1AC在模擬巖土材料流固耦合問(wèn)題方面的可靠性已被巖石力學(xué)界認(rèn)可，本文采用該軟件進(jìn)行模擬計(jì)算是可行的。

2　巖石物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)院提供的參數(shù)分析報(bào)告，取得巖體基本物理力學(xué)參數(shù)。巖層的透水率、單位吸水量和滲透系數(shù)由鉆孔壓水試驗(yàn)、簡(jiǎn)易提水試驗(yàn)和空壓機(jī)抽水試驗(yàn)獲取，得知巖層的孔隙率和滲透系數(shù)均較低，加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提高，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　材料參數(shù)

續(xù)表1

3　數(shù)值計(jì)算

3.1數(shù)值分析模型

計(jì)算模型取隧道軸線方向?yàn)閅軸，水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?yàn)閄軸，鉛直向上方向?yàn)閆軸，整個(gè)計(jì)算模型在X、Y、Z三個(gè)方向尺寸為40 m×3 m×105.5 m。該模型共剖分了3 889個(gè)單元，5 576個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1　隧道計(jì)算模型

3.2邊界條件

3.2.1位移邊界條件

隧道計(jì)算模型位移邊界條件采用豎向位移約束底部邊界，上部邊界為自由邊界，左右兩端采用水平位移約束。

3.2.2滲流邊界條件

1）頂面為自由地下水面；固定孔隙水壓力為220 kPa。

2）模型各點(diǎn)的初始水壓力等于該點(diǎn)處的靜水水頭；底面和側(cè)邊界為不透水邊界。

3）排水邊界設(shè)置。將排水口的內(nèi)表面設(shè)置為排水面，隧道內(nèi)排水溝設(shè)計(jì)高60 cm，見(jiàn)圖2。隧道的排水效果通過(guò)采用將開(kāi)挖邊界排水口處的孔隙壓力值設(shè)為零的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2　隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式

3.3計(jì)算方案

計(jì)算中巖體為彈塑性材料，采用Mhor-coulomb屈服準(zhǔn)則，模擬了兩種方案。

方案一，不考慮滲流，采用全斷面開(kāi)挖，用實(shí)體結(jié)構(gòu)單元模擬初支混凝土層和二次襯砌混凝土層，同時(shí)不將格柵鋼支架單獨(dú)考慮，而是將它的影響結(jié)合在噴射混凝土中進(jìn)行考慮，提高相應(yīng)的c、φ值。分析采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。隧道模型拱頂距模型頂部78 m，河床上部為厚度約10～15 m的第四系松散堆積物孔隙潛水含水層，模型計(jì)算區(qū)域的河水深10 m，拱頂水頭總高度在100 m左右，78 m上方的巖體及河水自重以荷載的形式施加在計(jì)算模型頂部（220 kPa）。

方案二，考慮流固耦合作用，未施做注漿加固圈，開(kāi)挖支護(hù)強(qiáng)度同方案一。

4　計(jì)算結(jié)果與分析

4.1隧道開(kāi)挖后圍巖的變形規(guī)律

為比較兩種方案下各自周邊圍巖變形情況，在開(kāi)挖隧道周邊布置一條水平測(cè)線，用于比較水平收斂變形，在拱頂設(shè)拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

為最大限度減少邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選取中間斷面作為計(jì)算數(shù)據(jù)提取斷面并附各測(cè)線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿隧道縱向監(jiān)測(cè)結(jié)果，以便作參考，見(jiàn)表2。

表2　周邊位移計(jì)算結(jié)果mm

由表2可看出，耦合情況下的收斂變形大于非耦合情況下的收斂變形。

當(dāng)隧道開(kāi)挖并施做二次襯砌后，兩種方案下隧道的位移見(jiàn)圖3-圖6。

圖3　非耦合情況下水平位移

圖4　耦合情況下水平位移

圖5　非耦合情況下豎直位移

圖6　耦合情況下豎直位移

方案一，不考慮滲流影響時(shí)，豎向最大位移出現(xiàn)在隧道拱頂，為7 mm；最大水平位移只有5.6 mm，水平收斂11.2 mm，出現(xiàn)在兩側(cè)墻中位置。方案二，考慮流固耦合影響的情況下，隧道拱頂豎向位移為34 mm，隧道拱底豎向位移為26 mm，最大水平位移只有32 mm，水平收斂64 mm，出現(xiàn)在兩側(cè)墻中位置。這是由于裂隙水向臨空面流動(dòng)，使隧洞周邊的位移都有不同程度的增加，而位于隧道底板位置以下孔隙水壓力較大，產(chǎn)生很大的位移，在考慮滲流場(chǎng)作用的流固耦合分析中，由于考慮了隧道圍巖的孔隙水壓力的變化，圍巖有效應(yīng)力的變化會(huì)使圍巖孔隙率降低，從而導(dǎo)致更大的圍巖位移。計(jì)算結(jié)果表明考慮流固耦合影響的情況下，隧道周邊位移增加了4倍左右。

4.2隧道開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分析

計(jì)算模型隧道挖通后中間斷面圍巖豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力見(jiàn)圖7-圖10。

圖7　非耦合情況下豎向應(yīng)力分布

圖8　耦合情況下豎向應(yīng)力分布

圖9　非耦合情況下剪應(yīng)力分布

圖10　耦合情況下剪應(yīng)力分布

原巖處于三向穩(wěn)定，由于人工開(kāi)挖，導(dǎo)致初始的平衡被打破，應(yīng)力進(jìn)行重分布，洞室周邊圍巖卸載，隧道表層應(yīng)力降低。圖8和圖9是隧道垂直應(yīng)力分布情況表示，在隧道頂部和底部表面應(yīng)力均為零。在隧道墻中，出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中，非耦合情況下最大拉應(yīng)力為2.35 MPa，耦合情況下最大拉應(yīng)力為2.79 MPa。圖9和圖10顯示了隧道洞室周?chē)摹半p耳”應(yīng)力集中關(guān)鍵部位，在兩種方案下隧道的四角均出現(xiàn)了剪應(yīng)力集中，非耦合情況下最大處為0.64 MPa，耦合情況下最大處為1.38 MPa。由于隧道所處位置處于微風(fēng)化巖層中且埋深較大，巖層的抗剪強(qiáng)度較低，使得隧道周邊圍巖產(chǎn)生了剪切破壞，形成了松動(dòng)圈。

考慮流固耦合時(shí)計(jì)算出的圍巖應(yīng)力一般比不考慮流固耦合效應(yīng)時(shí)的圍巖應(yīng)力要偏大一些，前者在豎直方向的應(yīng)力值比后者高20%，考慮流固耦合時(shí)圍巖剪應(yīng)力是不考慮流固耦合效應(yīng)時(shí)的2倍。這是由于考慮地下水的影響后，拱底和拱頂出現(xiàn)了拉應(yīng)力增大，壓應(yīng)力也增大并且在拱頂上部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中。計(jì)算結(jié)果表明考慮流固耦合影響的情況下，隧道周邊圍巖穩(wěn)定性差。

4.3噴混凝土的應(yīng)力

計(jì)算模型隧道挖通后中間斷面噴混凝土層的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布見(jiàn)圖11-圖14。

圖11　非耦合情況下初支最小主應(yīng)力

圖12　耦合情況下初支最小主應(yīng)力

圖13　非耦合情況下初支最大主應(yīng)力

圖14　耦合情況下初支最大主應(yīng)力

從圖11-圖14可以看出，非耦合情況下，噴混凝土層的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧道兩側(cè)墻角，最大值為1.8 MPa，小于C20噴混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度19.4 MPa，噴混凝土層的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道仰拱中部，最大值為0.017 MPa；耦合情況下，噴混凝土層的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道仰拱中部，最大值為1.16 MPa，仍小于C20噴混凝土的抗拉強(qiáng)度1.7 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧道兩側(cè)墻角，最大值為5 MPa，小于C20噴混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度19.4 MPa。由此可見(jiàn)，在施工過(guò)程中必須注意墻角部位噴混凝土層的是否會(huì)出現(xiàn)壓壞現(xiàn)象，另外還要注意隧道仰拱中部噴混凝土是否出現(xiàn)拉開(kāi)裂縫。如果發(fā)現(xiàn)有裂縫，及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)，保證隧道施工安全。計(jì)算結(jié)果表明考慮流固耦合影響的情況下，初支受力提高明顯，拉應(yīng)力由0.017 MPa增加到1.16 MPa，壓應(yīng)力由1.8 MPa增加到5 MPa。

4.4隧道二次襯砌受力

計(jì)算模型中間斷面隧道二次襯砌在模型開(kāi)挖完成后的主應(yīng)力分布見(jiàn)圖15-圖18。

圖15　非耦合情況下二襯最小主應(yīng)力

圖16　耦合情況下二襯最小主應(yīng)力

圖17　非耦合情況下二襯最大主應(yīng)力

圖18　耦合情況下二襯最大主應(yīng)力

從圖15-圖18可以看出，非耦合情況下，二次襯砌的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道兩側(cè)邊墻內(nèi)側(cè)和仰拱位置，最大拉應(yīng)力為0.3 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)墻角應(yīng)集中部位，最大壓應(yīng)力值為1 MPa；耦合情況下，二次襯砌的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道仰拱位置，最大拉應(yīng)力為2.4 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)墻角應(yīng)集中部位和兩側(cè)拱腰外側(cè)，最大壓應(yīng)力值為3.8 MPa。二種工況的最大拉壓應(yīng)力均小于護(hù)噴混凝土的最大拉壓應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明考慮流固耦合影響的情況下，二襯受力提高明顯，拉應(yīng)力由0.3 MPa增加到2.4 MPa，壓應(yīng)力由1 MPa增加到3.8 MPa。

施做二次襯砌后，二次襯砌的受力顯著，說(shuō)明在軟弱圍巖地層中，二次襯砌也是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)。

4.5滲流場(chǎng)結(jié)果分析

取耦合情況下的滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，由初始條件確定，隧道開(kāi)挖前圍巖處于飽水狀態(tài)，頂部地表為自由界面，固定孔隙水壓力為300 kPa，左右邊界和底部邊界不透水，因此，隧道開(kāi)挖前圍巖孔隙水壓力為靜水壓力，見(jiàn)圖19。隧道開(kāi)挖后，認(rèn)為地下水在隧道開(kāi)挖區(qū)域的排水邊界上為自由透水邊界，圍巖滲流場(chǎng)發(fā)生改變。隧道做二次襯砌后圍巖孔隙水壓力見(jiàn)圖20。

圖19　隧道開(kāi)挖前孔隙水壓力

圖20　隧道做二次襯砌后孔隙水壓力

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，考慮流固耦合未注漿堵水的情況下，隧道開(kāi)挖后，隧道圍巖周邊滲流場(chǎng)發(fā)生明顯的變化，地下水發(fā)生了滲流，在隧道周?chē)纬山邓┒?。隧道圍巖的孔隙水壓力下降，然后上升，最后達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，在保持襯砌排水的情況下，達(dá)到1.0 MPa左右，襯砌外水壓力較大，擬采用帷幕注漿堵水，降低隧道周邊圍巖水壓力；同時(shí)排水口處孔隙水壓力最小，地下水流動(dòng)矢量表明，隧道開(kāi)挖后地下水在壓力水頭作用下向開(kāi)挖隧道內(nèi)滲透，滲水多發(fā)部位主要集中在拱腳和邊墻處，這些部位是隧道防排水施工中的重點(diǎn)部位，與實(shí)際較相符。

4.6塑性區(qū)分布

方案一，不考慮地下水滲流作用時(shí)隧道圍巖的塑性區(qū)厚度??；方案二，考慮了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的流固耦合作用，塑性區(qū)急劇增大，比不考慮地下水滲流作用時(shí)隧道圍巖的塑性區(qū)大很多，這種情況下，隧道此斷面處圍巖的自穩(wěn)性較差，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)?？紤]流固耦合影響的情況下，隧道周邊圍巖穩(wěn)定性差，按耦合條件下的塑性區(qū)來(lái)考慮設(shè)計(jì)，更符合實(shí)際。

5　結(jié)論

對(duì)于有地下水流作用的，特別是存在高地下水位作用的河床底部地下隧洞的開(kāi)挖將引起地下水的流動(dòng)，改變地下水滲流場(chǎng)的分布，從而對(duì)洞室的穩(wěn)定性帶來(lái)影響，使得洞室周邊的位移和襯砌支護(hù)的受力增加，隧道圍巖的塑性區(qū)增大很多，因此在有地下水作用地區(qū)隧洞的開(kāi)挖和支護(hù)，必須考慮地下水滲流作用的影響，進(jìn)行流固耦合分析，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的方案（擬采用帷幕注漿堵水，降低周?chē)鷩鷰r孔隙水壓力），以保持洞室圍巖的穩(wěn)定和洞室施工的安全，這樣才能與工程實(shí)際情況相吻合，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中，應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合作用不容忽視。

［1］張有天.巖石水力學(xué)與工程［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［2］鄭少河.裂隙巖體滲流損傷耦合模型的理論分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（2）：156-159.

［3］王恩志.三維裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流數(shù)值模型研究［J］.工程力學(xué)，1997，（S2）：520-525.

U451

C

1008-3197（2016）03-24-05

2015-12-22

朱亞坤/男，1984年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.009