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FLAC-3D數值分析軟件模擬巖體滲流的流固耦合機理，建立了裂隙巖體隧道等效滲流分析模型，對某隧道圍巖的穩定性進行了數值模擬。對比分析了不考慮滲流場條件下和考慮流固耦合作用下隧道圍巖穩定性和結構受力；對圍巖的變形及其應力和支護結構的內力分布規律進行了分析，對隧道安全作出了初步評價。結果表明，不考慮滲流場條件下隧道周邊的位移和應力，要小于考慮流固耦合作用的結果，耦合場作用要比不考慮滲流場條件下危險，應力場和滲流場的耦合作用不容忽視。

滲流場；流固耦合；數值模擬；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，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，隧道內地下水源補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，按設計資料顯示，開挖施工中全隧道總涌水量可達5 000～8 000 m3/d。

根據隧道圍巖地質條件介紹，圍巖以千枚狀板巖和絹云母化千枚巖為主，遇水軟化、遇風開裂，節理、裂隙發育，受地下水影響風險很大。

因此，隧道地下水施工控制，關系到地下水環境保護、隧道施工安全性、結構使用安全與耐久性的重大問題。

F1AC在模擬巖土材料流固耦合問題方面的可靠性已被巖石力學界認可，本文采用該軟件進行模擬計算是可行的。

2　巖石物理力學參數

根據地質勘察和設計院提供的參數分析報告，取得巖體基本物理力學參數。巖層的透水率、單位吸水量和滲透系數由鉆孔壓水試驗、簡易提水試驗和空壓機抽水試驗獲取，得知巖層的孔隙率和滲透系數均較低，加固區的力學參數依據相關文獻提高，材料參數見表1。

表1　材料參數

續表1

3　數值計算

3.1數值分析模型

計算模型取隧道軸線方向為Y軸，水平面內垂直隧道軸線方向為X軸，鉛直向上方向為Z軸，整個計算模型在X、Y、Z三個方向尺寸為40 m×3 m×105.5 m。該模型共剖分了3 889個單元，5 576個節點，見圖1。

圖1　隧道計算模型

3.2邊界條件

3.2.1位移邊界條件

隧道計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）模型各點的初始水壓力等于該點處的靜水水頭；底面和側邊界為不透水邊界。

3）排水邊界設置。將排水口的內表面設置為排水面，隧道內排水溝設計高60 cm，見圖2。隧道的排水效果通過采用將開挖邊界排水口處的孔隙壓力值設為零的方法來實現。

圖2　隧道襯砌結構形式

3.3計算方案

計算中巖體為彈塑性材料，采用Mhor-coulomb屈服準則，模擬了兩種方案。

方案一，不考慮滲流，采用全斷面開挖，用實體結構單元模擬初支混凝土層和二次襯砌混凝土層，同時不將格柵鋼支架單獨考慮，而是將它的影響結合在噴射混凝土中進行考慮，提高相應的c、φ值。分析采用彈塑性模型，屈服準則采用莫爾-庫侖準則。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，模型計算區域的河水深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，開挖支護強度同方案一。

4　計算結果與分析

4.1隧道開挖后圍巖的變形規律

為比較兩種方案下各自周邊圍巖變形情況，在開挖隧道周邊布置一條水平測線，用于比較水平收斂變形，在拱頂設拱頂下沉監測點。

為最大限度減少邊界約束對計算結果的影響，選取中間斷面作為計算數據提取斷面并附各測線和監測點沿隧道縱向監測結果，以便作參考，見表2。

表2　周邊位移計算結果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。

當隧道開挖并施做二次襯砌后，兩種方案下隧道的位移見圖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，豎向最大位移出現在隧道拱頂，為7 mm；最大水平位移只有5.6 mm，水平收斂11.2 mm，出現在兩側墻中位置。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，出現在兩側墻中位置。這是由于裂隙水向臨空面流動，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，產生很大的位移，在考慮滲流場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，圍巖有效應力的變化會使圍巖孔隙率降低，從而導致更大的圍巖位移。計算結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隧道開挖后圍巖的應力場分析

計算模型隧道挖通后中間斷面圍巖豎向應力和剪應力見圖7-圖10。

圖7　非耦合情況下豎向應力分布

圖8　耦合情況下豎向應力分布

圖9　非耦合情況下剪應力分布

圖10　耦合情況下剪應力分布

原巖處于三向穩定，由于人工開挖，導致初始的平衡被打破，應力進行重分布，洞室周邊圍巖卸載，隧道表層應力降低。圖8和圖9是隧道垂直應力分布情況表示，在隧道頂部和底部表面應力均為零。在隧道墻中，出現了局部應力集中，非耦合情況下最大拉應力為2.35 MPa，耦合情況下最大拉應力為2.79 MPa。圖9和圖10顯示了隧道洞室周圍的“雙耳”應力集中關鍵部位，在兩種方案下隧道的四角均出現了剪應力集中，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化巖層中且埋深較大，巖層的抗剪強度較低，使得隧道周邊圍巖產生了剪切破壞，形成了松動圈。

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

4.3噴混凝土的應力

計算模型隧道挖通后中間斷面噴混凝土層的第一主應力和第三主應力分布見圖11-圖14。

圖11　非耦合情況下初支最小主應力

圖12　耦合情況下初支最小主應力

圖13　非耦合情況下初支最大主應力

圖14　耦合情況下初支最大主應力

從圖11-圖14可以看出，非耦合情況下，噴混凝土層的應力主要表現為壓應力，最大壓應力出現在隧道兩側墻角，最大值為1.8 MPa，小于C20噴混凝土的彎曲抗壓強度19.4 MPa，噴混凝土層的最大拉應力出現在隧道仰拱中部，最大值為0.017 MPa；耦合情況下，噴混凝土層的最大拉應力出現在隧道仰拱中部，最大值為1.16 MPa，仍小于C20噴混凝土的抗拉強度1.7 MPa；最大壓應力出現在隧道兩側墻角，最大值為5 MPa，小于C20噴混凝土的彎曲抗壓強度19.4 MPa。由此可見，在施工過程中必須注意墻角部位噴混凝土層的是否會出現壓壞現象，另外還要注意隧道仰拱中部噴混凝土是否出現拉開裂縫。如果發現有裂縫，及時補強，保證隧道施工安全。計算結果表明考慮流固耦合影響的情況下，初支受力提高明顯，拉應力由0.017 MPa增加到1.16 MPa，壓應力由1.8 MPa增加到5 MPa。

4.4隧道二次襯砌受力

計算模型中間斷面隧道二次襯砌在模型開挖完成后的主應力分布見圖15-圖18。

圖15　非耦合情況下二襯最小主應力

圖16　耦合情況下二襯最小主應力

圖17　非耦合情況下二襯最大主應力

圖18　耦合情況下二襯最大主應力

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

施做二次襯砌后，二次襯砌的受力顯著，說明在軟弱圍巖地層中，二次襯砌也是隧道的主要承載結構。

4.5滲流場結果分析

取耦合情況下的滲流場進行分析，由初始條件確定，隧道開挖前圍巖處于飽水狀態，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，隧道開挖前圍巖孔隙水壓力為靜水壓力，見圖19。隧道開挖后，認為地下水在隧道開挖區域的排水邊界上為自由透水邊界，圍巖滲流場發生改變。隧道做二次襯砌后圍巖孔隙水壓力見圖20。

圖19　隧道開挖前孔隙水壓力

圖20　隧道做二次襯砌后孔隙水壓力

通過分析可以發現，考慮流固耦合未注漿堵水的情況下，隧道開挖后，隧道圍巖周邊滲流場發生明顯的變化，地下水發生了滲流，在隧道周圍形成降水漏斗。隧道圍巖的孔隙水壓力下降，然后上升，最后達到穩定平衡狀態，在保持襯砌排水的情況下，達到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；同時排水口處孔隙水壓力最小，地下水流動矢量表明，隧道開挖后地下水在壓力水頭作用下向開挖隧道內滲透，滲水多發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部位，與實際較相符。

4.6塑性區分布

方案一，不考慮地下水滲流作用時隧道圍巖的塑性區厚度小；方案二，考慮了滲流場與應力場的流固耦合作用，塑性區急劇增大，比不考慮地下水滲流作用時隧道圍巖的塑性區大很多，這種情況下，隧道此斷面處圍巖的自穩性較差，開挖后應及時進行支護。考慮流固耦合影響的情況下，隧道周邊圍巖穩定性差，按耦合條件下的塑性區來考慮設計，更符合實際。

5　結論

對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挖將引起地下水的流動，改變地下水滲流場的分布，從而對洞室的穩定性帶來影響，使得洞室周邊的位移和襯砌支護的受力增加，隧道圍巖的塑性區增大很多，因此在有地下水作用地區隧洞的開挖和支護，必須考慮地下水滲流作用的影響，進行流固耦合分析，應設計合理的方案（擬采用帷幕注漿堵水，降低周圍圍巖孔隙水壓力），以保持洞室圍巖的穩定和洞室施工的安全，這樣才能與工程實際情況相吻合，在結構設計研究中，應力場和滲流場的耦合作用不容忽視。

［1］張有天.巖石水力學與工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

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

［3］王恩志.三維裂隙網絡滲流數值模型研究［J］.工程力學，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有限公司，從事工程技術管理工作。

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