基于流固耦合作用的偏壓連拱隧道穩(wěn)定性分析

曹媛媛，劉輝，劉耀坤，韓學(xué)禮

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 湖南理工學(xué)院湖南 岳陽(yáng) 414000；3. 中鐵十五局集團(tuán)第二工程有限公司，上海 201713)

淺埋偏壓連拱隧道工序繁雜，雙洞開(kāi)挖及支護(hù)交錯(cuò)進(jìn)行，引起隧道位移變形嚴(yán)重，不利于隧道的穩(wěn)定。持續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，因大量地表水滲入，易導(dǎo)致隧道塌方、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害。李地元[1]等人使用有限差分法，探討連拱隧道開(kāi)挖滲流機(jī)制，并分析了深埋連拱隧道開(kāi)挖后的孔隙水壓力場(chǎng)分布特征。于清楊[2]等人采用數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，求出了地形偏壓隧道對(duì)稱(chēng)位置的應(yīng)力比值，提出了將拱肩處應(yīng)力比作為定量，判別隧道是否偏壓的特征值。朱正國(guó)[3]等人比較了先開(kāi)挖淺埋側(cè)主洞與先開(kāi)挖深埋側(cè)主洞2 種開(kāi)挖施工順序。采用FLAC3D有限差分軟件，計(jì)算了淺埋偏壓連拱隧道在不同開(kāi)挖順序的各階段施工的隧道水平與豎向位移、中隔墻、錨桿及襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況。金美海[4]等人采用Ansys 軟件進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，得到了偏壓坡度的變化和淺埋偏壓黃土隧道變形的分布特征。但是由于不同地區(qū)圍巖、地質(zhì)情況差別較大，取得的經(jīng)驗(yàn)和成果尚不具指導(dǎo)意義。作者依托安鄉(xiāng)至慈利高速公路的雷家臺(tái)淺埋偏壓連拱隧道，擬利用Midas/GTS 軟件，模擬偏壓連拱隧道開(kāi)挖施工過(guò)程，并與施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析隧道不同施工階段對(duì)隧道的沉降及水平位移變化規(guī)律，并指出滲流條件下偏壓連拱隧道沉降及水平位移變化較大處的分布位置。

1 流固耦合計(jì)算原理

地下水流動(dòng)過(guò)程中，圍巖中的滲透力來(lái)源于圍巖與圍巖裂隙中的水，在外力作用下的摩擦擠壓，滲透力可以用孔隙水壓的積分表示[5]。Midas/GTS的滲透力效果，可利用滲流分析計(jì)算得到的孔隙水壓力表示。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力σ可分為有效應(yīng)力σ′和孔隙水壓力uw。高健[6]等人綜合考慮有效支護(hù)壓力和滲透力的影響，對(duì)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到作用在隧道開(kāi)挖面的支護(hù)壓力，由有效支護(hù)壓力和滲透力共同構(gòu)成?？紫端畨毫蓞^(qū)分為穩(wěn)定狀態(tài)孔隙水壓psteady和過(guò)孔隙水壓pexcess。因?yàn)樗荒艹惺芗羟袘?yīng)力，所以有效剪切應(yīng)力與總的剪切應(yīng)力相等。

2 偏壓連拱隧道數(shù)值模擬

2.1 工程概況

雷家臺(tái)隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為235 m，最大埋深約54 m，隧道最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值約為54 m。隧道縱坡為0.8%，山脊線與水平向夾角為20°～35°，山坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道縱斷面示意圖如圖1 所示，隧道出入口設(shè)置于山前斜坡位置。地表覆蓋層為第四系更新統(tǒng)坡積碎石，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖。隧道圍巖為弱自穩(wěn)性，其巖性較差，處于多雨的富水地區(qū)，抗?jié)B性差。隧道上部的承壓水，流經(jīng)圍巖裂隙，滲入隧道內(nèi)，同時(shí)，地下水壓力增加，圍巖裂隙貫通性，致使圍巖位移增加。經(jīng)初步計(jì)算，按V 級(jí)圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)支護(hù)。

根據(jù)凌同華[7]等人的研究成果，進(jìn)行隧道支護(hù)時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化噴射混凝土厚度的作用，可適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)偏壓側(cè)連拱隧道的錨桿間距和長(zhǎng)度。圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 雷家臺(tái)隧道縱斷面Fig. 1 Profile view of Leijiatai tunnel

表1 隧道圍巖及支護(hù)的基本參數(shù)指標(biāo)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock of tunnel and support

隧道開(kāi)挖采用“中導(dǎo)洞-雙側(cè)導(dǎo)洞工法”的方式。首先開(kāi)挖中導(dǎo)洞、施工初次襯砌、下部錨桿及中隔墻施工。再分別進(jìn)行左(右)洞的側(cè)導(dǎo)洞，分上、下臺(tái)階2 次開(kāi)挖，并完成初次支錨。然后施工左(右)洞主洞核心土，分上、中、下三臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖。最后澆筑仰拱，隧道全斷面二次襯砌，采用模板臺(tái)車(chē)一次模筑。雷家臺(tái)隧道施工順序?yàn)椋孩佟鶬→②→③→II→④→III1→⑤→⑥→IV1→⑦→III2→⑧→⑨→IV2，如圖2 所示。

圖2 雷家臺(tái)隧道施工順序Fig. 2 Construction sequence of Leijiatai tunnel

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)斷面布置與數(shù)據(jù)采集，選取雷家臺(tái)隧道K112+665 斷面，建立模型，考慮流固耦合作用。隧道數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 偏壓連拱隧道網(wǎng)格劃分圖(單位：cm)Fig. 3 Grid division diagram of bias multi-arch tunnel(unit: cm)

隧道圍巖采用Mohr-Coulomb 模型，其他支護(hù)構(gòu)件采用彈性模型。連拱隧道根據(jù)實(shí)際情況，每一步開(kāi)挖，模擬初期錨桿支護(hù)、噴漿支護(hù)及二次襯砌的實(shí)際施作，以達(dá)到最大效果[8?11]。

2.3 隧道K112+665 斷面監(jiān)測(cè)

隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量控對(duì)隧道施工極為重要。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量控下，可以實(shí)時(shí)掌握圍巖和支護(hù)動(dòng)態(tài)，并及時(shí)發(fā)布險(xiǎn)情預(yù)報(bào)，確保施工安全。雷家臺(tái)隧道圍巖測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。雷家臺(tái)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力觀測(cè)點(diǎn)如圖5 所示。

圖4 雷家臺(tái)隧道圍巖測(cè)點(diǎn)布置方法Fig. 4 Arrangement of measurement points for Leijiatai tunnel

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力觀測(cè)點(diǎn)示意Fig. 5 Schematic diagram of stress observation points of support structure

3 隧道數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.1 連拱隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

1) 連拱隧道左洞沉降監(jiān)測(cè)

根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程，雙側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖工法在左洞開(kāi)挖中，對(duì)拱頂監(jiān)測(cè)主要分為6 個(gè)階段：

多孔鉭金屬加強(qiáng)塊重建II、III型Paprosky髖臼骨缺損主要的并發(fā)癥發(fā)生率較低，術(shù)區(qū)感染、假體無(wú)菌性松動(dòng)、髖關(guān)節(jié)脫位和血管神經(jīng)損傷是較常見(jiàn)的并發(fā)癥，在圍手術(shù)期應(yīng)該多加防范。

第一階段(1～12 d)，左、右上導(dǎo)洞開(kāi)挖完成至下導(dǎo)洞開(kāi)挖前，此階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降變化值，占左洞總沉降值的6.5%。

第二階段(13～22 d)，左、右下導(dǎo)洞開(kāi)挖完成至左洞上臺(tái)階開(kāi)挖前，此階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降變化值占左洞總沉降值的10.8%。

第三階段(23～40 d)左洞上臺(tái)階開(kāi)挖至左洞核心土開(kāi)挖之前，此階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降變化值占左洞總沉降值的24.7%。

第四階段(41～55 d)，左洞完成核心土和下臺(tái)階的開(kāi)挖，并完成二次砌筑襯砌閉合，此階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降變化值，占左洞總沉降值的10.8%。

第五階段(56～75 d)，開(kāi)挖至右洞核心土開(kāi)挖前，此階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降變化值，占左洞總沉降值的43.5%。

第六階段(76 d～)，右洞核心土開(kāi)挖，分三臺(tái)階由上至下依次開(kāi)挖，隨后完成右洞二次襯砌。此階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降變化值，占左洞總沉降值的3.7%。

隧道拱頂沉降向下取正值，左洞斷面沉降曲線如圖6 所示。

圖6 ZK112+665 斷面拱頂沉降隨時(shí)間變化Fig. 6 Settlement curve of arch at the section ZK112+665

從圖6 中可以看出，23～40 d，由于上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，較嚴(yán)重的破壞了圍巖穩(wěn)定性，錨噴會(huì)逐步穩(wěn)定拱頂位移沉降。41～55 d，開(kāi)挖過(guò)程中引起沉降，但因二次襯砌閉合成環(huán)，抑制了拱頂位移，沉降時(shí)態(tài)曲線，已成收斂趨勢(shì)。56～75 d，由于右洞上臺(tái)階的開(kāi)挖，引起左洞“斷崖式”沉降位移。在右洞開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)左洞的位移場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，使左洞沉降收斂穩(wěn)定狀態(tài)遭受破壞，表明：連拱隧道位移場(chǎng)變化較為復(fù)雜。76 d 以后，右洞核心土分三臺(tái)階，由上至下依次開(kāi)挖，圍巖隨著右洞二次襯砌的完成，其變形會(huì)趨于穩(wěn)定。

2) 連拱隧道右洞的沉降監(jiān)測(cè)

右洞開(kāi)挖拱頂沉降分為2 個(gè)階段：

第一階段(1～20 d)為右洞開(kāi)挖到核心土前，在剛開(kāi)挖初期，拱頂沉降急劇增加，這是由于右洞受到左洞開(kāi)挖干擾，圍巖較為破碎，右洞拱頂沉降平均值為20.3 mm，占右洞總拱頂沉降的76.6%；

第二階段(21～40 d)為右洞開(kāi)挖完成，右洞拱頂沉降變化平均值為6.2 mm，占右洞總拱頂沉降的23.4%。右洞全部開(kāi)挖完成后，及時(shí)閉合成拱，有利于隧道開(kāi)挖穩(wěn)定，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)抑制了拱頂沉降，收斂趨于穩(wěn)定。右洞斷面沉降曲線如圖7 所示。

圖7 YK112+665 斷面拱頂沉降隨時(shí)間變化Fig. 7 Settlement curve of arch at section YK112+665

3) 連拱隧道斷面收斂監(jiān)測(cè)

對(duì)于左洞開(kāi)挖時(shí)，導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，圍巖收斂變化不明顯，測(cè)線D-E 收斂值為2 mm。從 22 d 開(kāi)始開(kāi)挖左洞上臺(tái)階，在40 d 重新趨于收斂，范圍在5～6 mm 之間。從55 d 開(kāi)始，進(jìn)行左洞完全開(kāi)挖，收斂變化不明顯，測(cè)線D-E 收斂變化值約1 mm。表明：左洞下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)隧道左洞的橫向收斂有影響，具有局限性[12]。右洞上臺(tái)階開(kāi)挖完成前，左洞測(cè)線D'-E' 收斂值急劇增加，之后趨于收斂。右洞開(kāi)挖擾動(dòng)左洞圍巖穩(wěn)定性。左洞測(cè)線D-E 最終收斂值為12 mm；左洞測(cè)線F-G 周邊位移值的最終收斂值為6 mm。

右洞測(cè)線D′-E′在左洞開(kāi)挖的第1～5 施工階段期間，由于右洞處于偏壓隧道深埋側(cè)，地質(zhì)環(huán)境較差，圍巖上部自重大，斷面收斂最終穩(wěn)定在13 mm，右洞測(cè)線F′-G′最終收斂于8 mm。K112+665 斷面周邊收斂曲線如圖8 所示。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

連拱隧道圍巖在考慮流固耦合作用下，進(jìn)行數(shù)值模擬的變形情況如圖9,10 所示。在流固耦合作用下，圍巖受力更加復(fù)雜。在開(kāi)挖過(guò)程中，隧道周邊孔隙水壓力的變化，產(chǎn)生孔隙水壓力差，造成滲流場(chǎng)的改變。

從圖9,10 可以看出，圍巖各處位移模擬分析的變形結(jié)果。從圖9 可以看出，拱頂沉降值最大處在右洞B'監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，其值為29.1 mm。從圖10 可以看出，最大水平收斂值在右洞測(cè)線D'-E'位置處，其值為15.2 mm。

圖8 K112+665 斷面周邊收斂隨時(shí)間變化Fig. 8 Peripheral convergence curve of K112+665 section

圖9 考慮流固耦合作用下圍巖Y 方向位移Fig. 9 Displacement of surrounding rock in Y-direction considering fluid-solid coupling

圖10 考慮流固耦合作用下圍巖X 方向位移Fig. 10 Displacement of surrounding rock in X direction considering fluid-solid coupling

從圖9,10 還可以看出，在考慮流固耦合作用下，產(chǎn)生的豎向圍巖位移值較大處在右洞拱頂處，隧道洞周收斂作用較大處為右洞右拱腳位置處。產(chǎn)生這些現(xiàn)象是由于左、右洞施工不對(duì)稱(chēng)性及自然地形產(chǎn)生的偏壓效應(yīng)作用的結(jié)果。

3.3 數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

拱頂沉降數(shù)值模擬結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表2。周邊收斂模擬與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)收斂數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表3。

由表2,3 可知，在考慮流固耦合作用時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)力數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，隧道開(kāi)挖關(guān)鍵位置的位移，有大致相同規(guī)律，即2 種方法得出的拱頂沉降值最大處都在右洞B'監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，最大水平收斂值都在右洞測(cè)線D'-E'位置處[13]。兩者雖在量值上有差異，但規(guī)律一致，可以得到相同的結(jié)論，并在后續(xù)施工中2 種方法可以互相補(bǔ)充合理應(yīng)用。

表2 K112+665 斷面拱頂沉降模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Simulation results of settlement of arch in section K112+665

表3 K112+665 斷面周邊收斂位移模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 Simulation results of convergence displacement around K112+665 section

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算，在考慮流固耦合作用下，對(duì)偏壓連拱隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。將拱頂沉降和圍巖收斂值的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。得出的結(jié)論為：

1) 圍巖受擾動(dòng)后，所產(chǎn)生的拱頂沉降在左、右洞之間不對(duì)稱(chēng)，左洞的拱頂沉降小于右洞。中隔墻與左洞上臺(tái)階連接處、中隔墻與右洞拱腰連接部位2 處豎向位移較大。2 種方法得出的拱頂沉降值最大處都在右洞B′監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大水平收斂值都在右洞測(cè)線D′-E′位置。施工要對(duì)這些位置采取強(qiáng)化措施，在深埋側(cè)右洞需要采用更合理的超前支護(hù)措施，加強(qiáng)錨噴作用或改變連接方式，優(yōu)化支護(hù)，以控制和減小圍巖位移，確保施工安全。

2) 右洞上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，引起左洞“斷崖式”沉降位移。所以建議左洞施工開(kāi)挖后，盡早完成閉合支護(hù)，加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，防止右洞開(kāi)挖對(duì)左洞干擾，而造成坍塌事故。

3) 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析得到的規(guī)律一致。因此，在項(xiàng)目后續(xù)其他相似水文地質(zhì)條件下，開(kāi)挖施工也應(yīng)考慮流固耦合作用，并將數(shù)值模擬結(jié)果在設(shè)計(jì)變更中作為重要參考，改進(jìn)施工 方案。