流固耦合對(duì)大跨分岔隧道圍巖穩(wěn)定性的影響分析

包小森，孫衛(wèi)濤

（1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部，甘肅 蘭州 730030；2.中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710000）

地下水作為重要地質(zhì)賦存環(huán)境，對(duì)隧道工程的安全性和耐久性具有重要影響。大量工程實(shí)踐證明，在富水破碎地層，地下水滲流場分布規(guī)律及涌水量預(yù)測是隧道能否成功修建的關(guān)鍵因素[1]，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問題進(jìn)行了大量的研究工作。王建宇[2]基于滲流理論，對(duì)作用于隧道襯砌上的水壓力荷載進(jìn)行分析；李蒼松[3]總結(jié)了隧道滲流荷載的計(jì)算方法和地下水處理措施；張志強(qiáng)等[4～5]采用FLAC3D，基于流固耦合模型研究了水底隧道注漿圈厚度及滲透系數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性、滲流場及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律。嚴(yán)松宏[6]基于流固耦合原理，對(duì)飽和黃土地層中大跨區(qū)間隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析,獲得了孔隙水壓力、圍巖及初期支護(hù)應(yīng)力、地表及洞壁位移、支護(hù)內(nèi)力的分布特征。

大跨分岔隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工難度大，若隧道穿越富水地層，圍巖穩(wěn)定性更難于控制。本文以某大跨分岔隧道為研究對(duì)象，采用MIDAS NX 建立三維數(shù)值模型，分別進(jìn)行考慮和不考慮流固耦合的隧道施工數(shù)值分析，研究了流固耦合效應(yīng)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 工程概況

某高速鐵路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h，分岔式隧道里程DK260+768～DK260+848，隧道埋深55m，包括大跨段、連拱段、小凈距段和分離段，其中大跨段最大寬度約14.3m，高度10m，開挖面積約150m2。隧道地層為強(qiáng)風(fēng)化片巖，片理構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性發(fā)育不均碎，巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧址區(qū)地下水較為發(fā)育，主要為基巖裂隙水，地下水位位于地表以下20m。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用MIDAS NX 建立三維數(shù)值模型，考慮隧道開挖影響范圍大致為單側(cè)3～5 倍開挖直徑，模型水平寬度取130m，高度取100m，隧道縱向長度取80m，在隧道開挖部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，整個(gè)模型按混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格生成。圍巖采用實(shí)體單元，本構(gòu)模型選擇莫爾庫倫，初期支護(hù)采用彈性殼單元模擬，厚度35cm，有限元模型如圖1～2 所示。

圖1 有限元模型

計(jì)算模型分為應(yīng)力模型和應(yīng)力-滲流耦合（流固耦合）模型，其中流固耦合模型中假設(shè)圍巖為多孔連續(xù)介質(zhì)，流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)遵循Darcy定律，同時(shí)滿足Biot 固結(jié)方程，圍巖初始孔隙率為0.55，滲透系數(shù)8×10-7m/s，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.2 邊界條件及計(jì)算步驟

計(jì)算模型地表面采用自由邊界，底部固定約束，四個(gè)側(cè)邊界水平約束。隧道采用分步開挖，先開挖左線，左線貫通后開挖右線，每循環(huán)進(jìn)尺1m，開挖后設(shè)置初期支護(hù)。進(jìn)行流固耦合數(shù)值分析時(shí)，地下水位設(shè)置在地表以下20m 處，為自由水面，設(shè)置零壓力水頭，其他邊界均設(shè)為不透水邊界。每步開挖前先添加開挖面滲流邊界，進(jìn)行滲流計(jì)算，然后進(jìn)行隧道的開挖與支護(hù)模擬計(jì)算。選擇大跨分岔隧道受力最不利的大跨斷面進(jìn)行分析，監(jiān)測斷面如圖2所示。

圖2 監(jiān)測斷面圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移場分析

壓力的存在，使巖體有效應(yīng)力減小，從而降低了仰拱隆起值。綜合圖3 和圖4，說明流固耦合效應(yīng)對(duì)圍巖豎向位移場影響較為顯著。

圖3 監(jiān)測斷面水平位移云圖

圖4 監(jiān)測斷面豎向位移云圖

3.2 應(yīng)力場分析

圖5 監(jiān)測斷面第一主應(yīng)力云圖

3.3 圍巖塑性區(qū)

圖6 為隧道貫通后圍巖塑性區(qū)云圖，可以看出，兩種工況下塑性區(qū)分布規(guī)律差異較大。對(duì)于無耦合工況，如圖6（a）所示，塑性區(qū)呈現(xiàn)豎向橢圓形分布，在隧洞頂和仰拱部位塑性區(qū)較大；對(duì)于耦合工況，如圖6（b）所示，塑性區(qū)呈現(xiàn)蝶形分布，在水平方向塑性區(qū)范圍較無耦合工況增加。流固耦合工況塑性區(qū)面積較無耦合工況大，說明考慮地下水滲流作用后，圍巖穩(wěn)定性更差。

圖6 監(jiān)測斷面塑性區(qū)云圖

4 結(jié)論

以某大跨分岔隧道為依托，采用MIDAS NX 建立三維數(shù)值模型，研究了流固耦合效應(yīng)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過上述分析，得到如下結(jié)論：

1）流固耦合效應(yīng)對(duì)圍巖豎向位移場影響程度大于水平位移場，特別是拱頂沉降，考慮滲流作用后位移值大致增加了一倍，是施工中的危險(xiǎn)部位。

2）對(duì)于位移應(yīng)力場，考慮流固耦合效應(yīng)后，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低，巖體有效應(yīng)力減小，但與位移場相比，應(yīng)力場變化幅度不大。

3）無耦合工況下，圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)豎向橢圓形分布，考慮流固耦合作用后，塑性區(qū)呈現(xiàn)蝶形分布，且面積比無耦合工況大。

綜合上述結(jié)論，對(duì)于大跨分岔隧道，考慮流固耦合效應(yīng)后圍巖穩(wěn)定性更差，建議現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況，遵循“堵排結(jié)合、綜合治理”的原則，采取有效工程措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。