某隧道流固耦合分析

□文/朱亚坤

某隧道流固耦合分析

□文/朱亚坤

依据FLAC-3D数值分析软件模拟岩体渗流的流固耦合机理，建立了裂隙岩体隧道等效渗流分析模型，对某隧道围岩的稳定性进行了数值模拟。对比分析了不考虑渗流场条件下和考虑流固耦合作用下隧道围岩稳定性和结构受力；对围岩的变形及其应力和支护结构的内力分布规律进行了分析，对隧道安全作出了初步评价。结果表明，不考虑渗流场条件下隧道周边的位移和应力，要小于考虑流固耦合作用的结果，耦合场作用要比不考虑渗流场条件下危险，应力场和渗流场的耦合作用不容忽视。

渗流场；流固耦合；数值模拟；隧道

1　工程概况

某隧道下穿黄河，轴线走向与黄河河床走向呈60°夹角，穿越河床段约230 m，于黄河河床下70 m左右处通过，穿越河段百年一遇流量6 099.8 m3/s，断面平均流速为3.0 m/s，受其影响，隧道内地下水源补给充足且水位线以上仅145 m，其余1 053 m均为水位线以下部分，按设计资料显示，开挖施工中全隧道总涌水量可达5 000～8 000 m3/d。

根据隧道围岩地质条件介绍，围岩以千枚状板岩和绢云母化千枚岩为主，遇水软化、遇风开裂，节理、裂隙发育，受地下水影响风险很大。

因此，隧道地下水施工控制，关系到地下水环境保护、隧道施工安全性、结构使用安全与耐久性的重大问题。

F1AC在模拟岩土材料流固耦合问题方面的可靠性已被岩石力学界认可，本文采用该软件进行模拟计算是可行的。

2　岩石物理力学参数

根据地质勘察和设计院提供的参数分析报告，取得岩体基本物理力学参数。岩层的透水率、单位吸水量和渗透系数由钻孔压水试验、简易提水试验和空压机抽水试验获取，得知岩层的孔隙率和渗透系数均较低，加固区的力学参数依据相关文献提高，材料参数见表1。

表1　材料参数

续表1

3　数值计算

3.1数值分析模型

计算模型取隧道轴线方向为Y轴，水平面内垂直隧道轴线方向为X轴，铅直向上方向为Z轴，整个计算模型在X、Y、Z三个方向尺寸为40 m×3 m×105.5 m。该模型共剖分了3 889个单元，5 576个节点，见图1。

图1　隧道计算模型

3.2边界条件

3.2.1位移边界条件

隧道计算模型位移边界条件采用竖向位移约束底部边界，上部边界为自由边界，左右两端采用水平位移约束。

3.2.2渗流边界条件

1）顶面为自由地下水面；固定孔隙水压力为220 kPa。

2）模型各点的初始水压力等于该点处的静水水头；底面和侧边界为不透水边界。

3）排水边界设置。将排水口的内表面设置为排水面，隧道内排水沟设计高60 cm，见图2。隧道的排水效果通过采用将开挖边界排水口处的孔隙压力值设为零的方法来实现。

图2　隧道衬砌结构形式

3.3计算方案

计算中岩体为弹塑性材料，采用Mhor-coulomb屈服准则，模拟了两种方案。

方案一，不考虑渗流，采用全断面开挖，用实体结构单元模拟初支混凝土层和二次衬砌混凝土层，同时不将格栅钢支架单独考虑，而是将它的影响结合在喷射混凝土中进行考虑，提高相应的c、φ值。分析采用弹塑性模型，屈服准则采用莫尔-库仑准则。隧道模型拱顶距模型顶部78 m，河床上部为厚度约10～15 m的第四系松散堆积物孔隙潜水含水层，模型计算区域的河水深10 m，拱顶水头总高度在100 m左右，78 m上方的岩体及河水自重以荷载的形式施加在计算模型顶部（220 kPa）。

方案二，考虑流固耦合作用，未施做注浆加固圈，开挖支护强度同方案一。

4　计算结果与分析

4.1隧道开挖后围岩的变形规律

为比较两种方案下各自周边围岩变形情况，在开挖隧道周边布置一条水平测线，用于比较水平收敛变形，在拱顶设拱顶下沉监测点。

为最大限度减少边界约束对计算结果的影响，选取中间断面作为计算数据提取断面并附各测线和监测点沿隧道纵向监测结果，以便作参考，见表2。

表2　周边位移计算结果mm

由表2可看出，耦合情况下的收敛变形大于非耦合情况下的收敛变形。

当隧道开挖并施做二次衬砌后，两种方案下隧道的位移见图3-图6。

图3　非耦合情况下水平位移

图4　耦合情况下水平位移

图5　非耦合情况下竖直位移

图6　耦合情况下竖直位移

方案一，不考虑渗流影响时，竖向最大位移出现在隧道拱顶，为7 mm；最大水平位移只有5.6 mm，水平收敛11.2 mm，出现在两侧墙中位置。方案二，考虑流固耦合影响的情况下，隧道拱顶竖向位移为34 mm，隧道拱底竖向位移为26 mm，最大水平位移只有32 mm，水平收敛64 mm，出现在两侧墙中位置。这是由于裂隙水向临空面流动，使隧洞周边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压力较大，产生很大的位移，在考虑渗流场作用的流固耦合分析中，由于考虑了隧道围岩的孔隙水压力的变化，围岩有效应力的变化会使围岩孔隙率降低，从而导致更大的围岩位移。计算结果表明考虑流固耦合影响的情况下，隧道周边位移增加了4倍左右。

4.2隧道开挖后围岩的应力场分析

计算模型隧道挖通后中间断面围岩竖向应力和剪应力见图7-图10。

图7　非耦合情况下竖向应力分布

图8　耦合情况下竖向应力分布

图9　非耦合情况下剪应力分布

图10　耦合情况下剪应力分布

原岩处于三向稳定，由于人工开挖，导致初始的平衡被打破，应力进行重分布，洞室周边围岩卸载，隧道表层应力降低。图8和图9是隧道垂直应力分布情况表示，在隧道顶部和底部表面应力均为零。在隧道墙中，出现了局部应力集中，非耦合情况下最大拉应力为2.35 MPa，耦合情况下最大拉应力为2.79 MPa。图9和图10显示了隧道洞室周围的“双耳”应力集中关键部位，在两种方案下隧道的四角均出现了剪应力集中，非耦合情况下最大处为0.64 MPa，耦合情况下最大处为1.38 MPa。由于隧道所处位置处于微风化岩层中且埋深较大，岩层的抗剪强度较低，使得隧道周边围岩产生了剪切破坏，形成了松动圈。

考虑流固耦合时计算出的围岩应力一般比不考虑流固耦合效应时的围岩应力要偏大一些，前者在竖直方向的应力值比后者高20%，考虑流固耦合时围岩剪应力是不考虑流固耦合效应时的2倍。这是由于考虑地下水的影响后，拱底和拱顶出现了拉应力增大，压应力也增大并且在拱顶上部一定范围内产生了一定程度的应力集中。计算结果表明考虑流固耦合影响的情况下，隧道周边围岩稳定性差。

4.3喷混凝土的应力

计算模型隧道挖通后中间断面喷混凝土层的第一主应力和第三主应力分布见图11-图14。

图11　非耦合情况下初支最小主应力

图12　耦合情况下初支最小主应力

图13　非耦合情况下初支最大主应力

图14　耦合情况下初支最大主应力

从图11-图14可以看出，非耦合情况下，喷混凝土层的应力主要表现为压应力，最大压应力出现在隧道两侧墙角，最大值为1.8 MPa，小于C20喷混凝土的弯曲抗压强度19.4 MPa，喷混凝土层的最大拉应力出现在隧道仰拱中部，最大值为0.017 MPa；耦合情况下，喷混凝土层的最大拉应力出现在隧道仰拱中部，最大值为1.16 MPa，仍小于C20喷混凝土的抗拉强度1.7 MPa；最大压应力出现在隧道两侧墙角，最大值为5 MPa，小于C20喷混凝土的弯曲抗压强度19.4 MPa。由此可见，在施工过程中必须注意墙角部位喷混凝土层的是否会出现压坏现象，另外还要注意隧道仰拱中部喷混凝土是否出现拉开裂缝。如果发现有裂缝，及时补强，保证隧道施工安全。计算结果表明考虑流固耦合影响的情况下，初支受力提高明显，拉应力由0.017 MPa增加到1.16 MPa，压应力由1.8 MPa增加到5 MPa。

4.4隧道二次衬砌受力

计算模型中间断面隧道二次衬砌在模型开挖完成后的主应力分布见图15-图18。

图15　非耦合情况下二衬最小主应力

图16　耦合情况下二衬最小主应力

图17　非耦合情况下二衬最大主应力

图18　耦合情况下二衬最大主应力

从图15-图18可以看出，非耦合情况下，二次衬砌的最大拉应力出现在隧道两侧边墙内侧和仰拱位置，最大拉应力为0.3 MPa，最大压应力出现在两侧墙角应集中部位，最大压应力值为1 MPa；耦合情况下，二次衬砌的最大拉应力出现在隧道仰拱位置，最大拉应力为2.4 MPa，最大压应力出现在两侧墙角应集中部位和两侧拱腰外侧，最大压应力值为3.8 MPa。二种工况的最大拉压应力均小于护喷混凝土的最大拉压应力。计算结果表明考虑流固耦合影响的情况下，二衬受力提高明显，拉应力由0.3 MPa增加到2.4 MPa，压应力由1 MPa增加到3.8 MPa。

施做二次衬砌后，二次衬砌的受力显著，说明在软弱围岩地层中，二次衬砌也是隧道的主要承载结构。

4.5渗流场结果分析

取耦合情况下的渗流场进行分析，由初始条件确定，隧道开挖前围岩处于饱水状态，顶部地表为自由界面，固定孔隙水压力为300 kPa，左右边界和底部边界不透水，因此，隧道开挖前围岩孔隙水压力为静水压力，见图19。隧道开挖后，认为地下水在隧道开挖区域的排水边界上为自由透水边界，围岩渗流场发生改变。隧道做二次衬砌后围岩孔隙水压力见图20。

图19　隧道开挖前孔隙水压力

图20　隧道做二次衬砌后孔隙水压力

通过分析可以发现，考虑流固耦合未注浆堵水的情况下，隧道开挖后，隧道围岩周边渗流场发生明显的变化，地下水发生了渗流，在隧道周围形成降水漏斗。隧道围岩的孔隙水压力下降，然后上升，最后达到稳定平衡状态，在保持衬砌排水的情况下，达到1.0 MPa左右，衬砌外水压力较大，拟采用帷幕注浆堵水，降低隧道周边围岩水压力；同时排水口处孔隙水压力最小，地下水流动矢量表明，隧道开挖后地下水在压力水头作用下向开挖隧道内渗透，渗水多发部位主要集中在拱脚和边墙处，这些部位是隧道防排水施工中的重点部位，与实际较相符。

4.6塑性区分布

方案一，不考虑地下水渗流作用时隧道围岩的塑性区厚度小；方案二，考虑了渗流场与应力场的流固耦合作用，塑性区急剧增大，比不考虑地下水渗流作用时隧道围岩的塑性区大很多，这种情况下，隧道此断面处围岩的自稳性较差，开挖后应及时进行支护。考虑流固耦合影响的情况下，隧道周边围岩稳定性差，按耦合条件下的塑性区来考虑设计，更符合实际。

5　结论

对于有地下水流作用的，特别是存在高地下水位作用的河床底部地下隧洞的开挖将引起地下水的流动，改变地下水渗流场的分布，从而对洞室的稳定性带来影响，使得洞室周边的位移和衬砌支护的受力增加，隧道围岩的塑性区增大很多，因此在有地下水作用地区隧洞的开挖和支护，必须考虑地下水渗流作用的影响，进行流固耦合分析，应设计合理的方案（拟采用帷幕注浆堵水，降低周围围岩孔隙水压力），以保持洞室围岩的稳定和洞室施工的安全，这样才能与工程实际情况相吻合，在结构设计研究中，应力场和渗流场的耦合作用不容忽视。

［1］张有天.岩石水力学与工程［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

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［3］王恩志.三维裂隙网络渗流数值模型研究［J］.工程力学，1997，（S2）：520-525.

U451

C

1008-3197（2016）03-24-05

2015-12-22

朱亚坤/男，1984年出生，工程师，硕士，天津市地下铁道集团有限公司，从事工程技术管理工作。

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