隧道施工過程中圍巖孔隙水壓力的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

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隧道施工過程中圍巖孔隙水壓力的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

結合ABAQUS分析軟件，建立了三維有限元模型,從而模擬整個隧道施工過程，通過對施工過程中不同時刻、不同部位圍巖的孔隙水壓力進行分析，得出了相關結論，為同類工程提供參考。

圍巖,孔隙水壓力,隧道,ABAQUS軟件

近幾十年來，大規模巖溶地區隧道和海底隧道的修建給隧道設計和施工帶來了前所未有的技術挑戰。一方面，巖溶地區隧道受孔隙水壓力的影響，易導致隧道坍塌或突水突泥等災害性事故。另一方面海底隧道相比陸地隧道而言地質勘探更困難、力學參數準確性更差。

國內外眾多學者對孔隙水壓力作用下隧道圍巖受力及變形響應特征等方面進行了研究[1-5]。本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS，基于重點研究隧道開挖過程中各個階段的圍巖孔隙水壓力的變化，以此力爭為類似隧道工程的安全設計和施工提供理論依據和技術參考。

1 數值模擬

1.1 基本假設

1)整個模型位于地下水位以下，滲流計算采用飽和滲流分析；2)圍巖、襯砌視為連續均勻各向同性介質；3)考慮到圍巖的可能受到破壞的特性，在分析中采用彈塑性分析，采用的屈服準則為Mohr-Coulomb準則；4)開挖過程中的超開挖現象不予考慮，認為圍巖及襯砌之間無開挖間隙，不考慮注漿作用；5)分析過程中初襯及二襯視為一體；6)忽略開挖的具體過程，假設開挖的過程是瞬時完成的；7)數值模擬中采用連續介質模型(地層—結構模型)，襯砌結構受力不大，認為其處于彈性階段。

1.2 材料參數選取

圍巖選取Mohr-Coulomb塑性模型，襯砌選取線彈性模型。具體參數見表1和表2。

表1 巖土材料參數

表2 襯砌支護材料參數

1.3 模型建立

通過計算機的有限元軟件進行模擬研究時，合適的模型是特別重要的。一個合理的符合實際情況的模型，不僅擬合計算的過程比較快速，而且模擬得出的結果也符合實際情況。在模型的區域足夠大且計算單元劃分的非常小的情況下，模擬計算所得出的結果就越精確。但是這樣計算量就會增大，花費的時間也會增加，對設備的要求也會非常高。因此模型建立既得滿足精確度的要求，也得經濟合理。本文建立的模型如下(見圖1，圖2)：

1)模型的上邊界為地表平面，垂直方向上模型長度為100 m，水平方向上的模型長度也是100 m，軸向上的長度為30 m。隧道位于模型的中心位置，隧道左右洞間距16 m，襯砌結構的厚度取為0.7 m。

2)模型的Y軸平行于隧道的軸線，模型是關于YZ面對稱的。

3)模型的初始條件為：隧道及襯砌結構的飽和度為1，隧道模型表面孔壓為-1.2 MPa，隧道底面孔壓為1.8 MPa，隧道表面初始豎向有效應力為0，底面初始有效應力為4.6 MPa，測壓系數為0.46。

4)模型的位移邊界條件：前后兩面施加Y軸方向的水平約束，YZ面上施加沿X方向的水平約束，底面施加沿Z方向的豎向約束，模型的左邊界施加沿X方向的水平約束。

5)模型的排水邊界條件：隧道開挖前模型各表面均為不排水條件；隧道開挖完成后，圍巖內壁設置為完全排水條件；施加襯砌后，襯砌內壁設置為完全排水條件。

1.4 圍巖觀測點布置

在隧道開挖的過程中需要了解圍巖孔壓，通過圍巖孔壓的情況來確定隧道周邊地下水的分布情況。為了獲得施工過程中圍巖孔隙水壓力隨時間變化的數據，在模型中選取了4個觀測點，根據觀測點獲得的數據來做出圍巖孔隙水壓力隨著施工過程而發生變化的曲線，通過對曲線的分析來找出規律。觀測點的布置如圖3所示。

為了獲得同一時間點上整個模型中不同點的孔隙水壓力，在雙線隧道的上方布置一排觀測點，觀測點的具體布置圖如圖4所示。

2 圍巖孔隙水壓力結果分析

在模型計算完成之后，選取模擬施工過程中各個階段的模型計算結果，將所得到的數據進行處理分析。

將隧道周圍的4個孔隙水壓力觀測點的數據導出，繪制成孔隙水壓力—時間曲線，如圖5所示。

將雙線隧道上方的連續觀測點的數據導出，繪制孔隙水壓力—時間曲線，如圖6所示。

根據圖5，圖6可以發現，在隧道進行開挖的過程中，隧道周圍的圍巖孔隙水壓力不斷減小，在模擬開挖階段的最終時刻，隧道上部和左右側觀測點的圍巖孔隙水壓力降低為0。這是由于隧道開挖過程中隧道發揮了排水的作用，地下水通過隧道不斷地被從土體排出。在施加襯砌結構之后，由于襯砌結構的防水作用，土體中的水不再滲入隧道中，并且隨著其他區域的孔隙水滲流到隧道周圍，隧道圍巖孔隙水壓力不斷增高直到一個新的平衡狀態。但由于模型沒有考慮水的補充，因此固結后的圍巖孔隙水壓力小于初始階段的圍巖孔隙水壓力。

3 結語

通過使用ABAQUS分析軟件，建立了三維有限元模型來模擬整個隧道施工過程。根據模型中不同位置的觀測點在不同時刻的數據，繪制出圍巖孔隙水壓力—時間曲線，通過分析，得出了以下結論：隧道的襯砌起著受力支護作用和防水作用，其中防水作用能夠有助于保持隧道圍巖原存應力狀態。

[1] 李宗利,任青文,王亞紅.考慮滲流場影響深埋圓形隧洞的彈塑性解[J].巖石力學與工程學報,2004,23(8):1291-1295.

[2] 房 倩,張頂立,黃明琦.基于連續介質模型的海底隧道滲流問題分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(S2):3776-3784.

[3] 王學濱,王 瑋,潘一山.孔隙壓力條件下圓形巷道圍巖的應變局部化數值模擬[J].煤炭學報,2010,35(5):723-728.

[4] Bruno M S, Nakagawa F M. Pore pressure influence on tensile fracture propagation in sedimentary rock[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1991,28(4):261-273.

[5] 許 江,楊紅偉,彭守建,等.孔隙水壓力—圍壓作用下砂巖力學特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2010,29(8):1618-1623.

Finite element analysis of surrounding rock pore water pressure in the tunnel construction

Wang Ju

(Guizhou Road & Bridge Group Co., Ltd, Guiyang 550001, China)

The three-dimensional finite element model of tunnel construction is established by using ABAQUS finite element analysis software. Through the analysis of the pore pressure at different times and different parts of the construction process, the following conclusions are drawn, for reference.

surrounding rocks, pore water pressure, tunnel, ABAQUS software

1009-6825(2017)16-0168-03

2017-03-27

王 舉(1984- )，男，工程師

O241.82

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