基于流固耦合理论的深埋小净距隧道穿越富水破碎带段施工方案优化*

何瀚，凌同华，毛琼柳

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

基于流固耦合理论的深埋小净距隧道穿越富水破碎带段施工方案优化*

何瀚，凌同华，毛琼柳

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

以浙江省温州市大坪尾隧道为工程背景，基于流固耦合理论，利用FLAC3D软件，通过对比不同施工方案下围岩的竖向位移变化、中夹岩柱水平位移变化、应力场变化及围岩塑性区变化等，优选穿越富水破碎带段深埋小净距隧道的最优施工方案。结果表明，饱水状态下台阶法施工会产生较大位移变形及中夹岩柱处应力集中现象，核心土法施工和台阶-核心土法施工对围岩稳定性的影响接近，但台阶-核心土法施工产生的塑性区最小，综合比较建议该隧道采用台阶-核心土法施工方案。

隧道；深埋小净距隧道；围岩稳定性；破碎带；流固耦合；施工方案

在山区修建公路，受地形限制和交通选线的制约，不得不修建深埋小净距隧道。断层破碎带是山岭隧道修建中最常见的地质灾害之一，由于其强度低、透水性大，容易使隧道围岩不稳定而发生失稳，处理不当可能会引发施工事故。如何选择合适的施工方案安全有效地穿越破碎带是山岭隧道修建中的重要课题。

针对隧道穿越破碎带段施工方案的优化，张优利等利用FLAC3D软件，以浙江宁波史家山2号隧道为工程实例，对比分析了不同施工工法下穿越断层破碎带的情况，得出了破碎带对施工过程的影响，并提出了对应施工方案；张业民等以峡山隧道为工程背景，采用有限元法对深埋偏压小净距隧道段的开挖进行了数值模拟，比较了双侧壁导坑法、CD法和上下台阶法等工况下围岩的稳定性，指出对于该工程双侧壁导坑法较为合适；李兵等对某高速公路断层带施工进行动态开挖模拟，对比分析了中隔壁法和上下台阶法引起的力学响应，认为该工程中中隔壁法优于台阶法。但这些研究忽略了隧道开挖中地下水渗流作用对围岩稳定性的影响。考虑到破碎带具有透水性大等特性，在对穿越破碎带段隧道开挖进行数值模拟时考虑地下水的渗流作用能更好地模拟实际工程施工。唐承平等运用Geo-studio软件对大相岭隧道F6断层开挖进行数值模拟，比较了有无流固耦合作用下断层开挖应力应变情况，认为断层开挖中应考虑流固耦合作用。但目前基于流固耦合作用分析破碎带段对隧道开挖围岩稳定性的影响研究有限，祝末等基于流固耦合理论研究比较了不同倾角破碎带在隧道开挖前后的渗流场、主应力区和塑性区等。虽然隧道工程中关于施工方案优化的问题已得到了较多研究，但研究成果大多未考虑到流固耦合作用或考虑了流固耦合作用但未考虑破碎带等复杂地质环境。该文以浙江温州穿越富水破碎带段的大坪尾隧道为例，基于流固耦合理论，利用FLAC3D中流固耦合分析模块比较台阶法、左洞台阶法-右洞核心土法、核心土法3种工况下隧道开挖后围岩稳定性并分析渗流场的变化，为穿越富水破碎带段隧道设计、施工及支护改进提供指导。

1 流固耦合计算原理

FLAC3D对岩体进行流固耦合计算时将岩体假定为等效连续介质，流体依据Darcy定律在岩体孔隙中流动，并满足Biot方程。其主要方程有平衡方程、运动方程、本构方程和相容方程。

（1）平衡方程。对于隧道开挖引起的围岩变形，流体质点平衡方程为：

式中：qi，i为渗流速度（m/s）；qv为被测体积的流体源强度（s-1）；ξ为单位体积空隙介质的流体体积变化量。

对于饱水孔隙介质，有：

式中：M为Biot模量（N/m2）；P为孔隙压力；α为Biot系数；ε为体积应变；β为考虑流体和颗粒的热膨胀系数（℃-1）；T为温度。

液体质量平衡关系为：

式中：ξ为液体容量的变分（多孔深水材料的单位体积的液体体积的变分）；qv为液体的密度。

动量平衡的形式为：

式中：ρ为体积密度，ρ=1-n（）ρs+nρw；ρs、ρw分别为固体和液体的密度；1-n（）ρs为基体的干密度ρd；gj（j=1，2，3）为重力加速度的3个分量（m/s2）；vi（i=1，2，3）为介质运动速度的3个分量（m/s）。

（2）运动方程。对于均质、各向同性固体和常密度流体，Darcy定律可表示为：

式中：k为介质的渗透系数［m2/（Pa·s）］；ρf为流体密度（kg/m3）。

（3）本构方程。体积应变的变化引起流体孔隙压力的变化，孔隙压力的改变也会影响体积应变。孔隙介质本构方程的增量形式为：

式中：Δσij为应力增量；Hij是给定的函数；εij为总应变。

（4）相容方程。应变率和速度梯度之间的关系可表示为：

2 深埋小净距隧道计算方案

2.1工程概况

大坪尾隧道全长2 900 m，位于浙江省苍南县境内，属于华南褶皱系，山体构造性较差，有发育明显的冲沟，隧道高程50～375 m。隧道区域地下水以裂隙水为主，受大气降水和上腹孔隙水的下渗补给，水量随季节变化。

计算桩号为K14+168—183，隧道平均埋深200 m。隧道左洞发育一条宽约3 m的小型破碎带，产状倾向180°、倾角80°，与隧道轴线小角度相交并逐渐左移。考虑到合适的计算量及隧道开挖可能出现的最不利状况，对破碎带与隧道的空间位置采取平行轴线的方式模拟，厚度取3 m。

2.2围岩和支护结构参数

隧道处围岩主要为微风化钾长花岗岩，数值计算中围岩物理力学性质指标由地质勘察报告提供，参考隧道设计资料、隧道设计规范，确定围岩物理力学参数见表1。

表1　围岩及破碎带相关力学参数

破碎带在数值模拟中采用参数弱化法模拟。初期支护采取喷锚支护，在FLAC3D中采Cable单元、Shell单元分别模拟锚杆和喷射砼（未考虑工字钢及二次衬砌的支护作用）。结合大坪尾隧道设计及变更资料，选定隧道支护设计参数见表2。

表2　隧道支护设计参数

2.3建立模型

计算模型取隧道轴线方向为Y轴，水平面内垂直轴线方向为X轴，铅直向上方向为Z轴。计算范围为0≤X≤120 m、0≤Y≤20 m、0≤Z≤100 m。考虑到隧道平均埋深200 m，模型竖直方向取100 m，其中底部取自隧道以下40.36 m，顶部取隧道以上50 m，剩余部分折算成竖向荷载施加在模型表面。模型共25 355个节点、22 180个单元（见图1）。

模型位移边界条件为：底部边界采用竖向位移约束；上部为自由边界；前后、左右采用水平位移约束。隧道开挖一直处于饱水地带，地下水水位位于模型顶部，渗流边界条件为：模型顶部为自由透水边界，固定孔隙水压力为零；左右两边及底部边界均为不透水边界；隧道开挖围岩边界视为自由透水边界。

图1　大坪尾隧道数值计算模型

2.4计算工况

该段隧道原设计为Ⅲ级围岩，施工中发现左洞穿越富水破碎带。考虑到小净距隧道施工中后行洞对先行洞有较大影响，一般先选择开挖地质条件较差地段，确定左洞为先行洞、右洞为后行洞。根据原设计方案及工程变更方案，选取3种施工方案进行比较：工况1为左右洞均采用上下台阶法开挖（台阶法）。工况2为左洞采用上下台阶法开挖，右洞采用环形开挖留核心土开挖法（台阶-核心土法）。工况3为左右洞均采用环形开挖留核心土开挖法（核心土法）。

3 计算结果分析

3.1围岩位移场变化比较

以Y=10 m断面为例，以围岩位移变化、围岩应力场、围岩塑性区作为围岩稳定性评价指标，比较3种施工方案下该断面各指标的变化差异。由于左洞为先行洞，其在后续施工中会受到右洞开挖一定的扰动，主要选取左洞围岩位移变化进行比较。

对隧道开挖进行全过程动态监测，比较不同施工进度下断面Y=10 m处关键点（拱顶及仰拱）围岩位移变化。施工进度见表3，各工况下Y=10 m断面处监控点位移变化见表4。

表3　Y＝10 m断面处施工进度

从表4可以看出：1）围岩在开挖前均发生了一定的位移变形，台阶法、台阶-核心土法、核心土法在监测断面下的拱顶沉降分别为1.42、1.42、1.16mm，这是因为隧道开挖后，围岩应力重分布，附近围岩发生了一定卸载变形。核心土法施工位移变化最小，是因为核心土法相比于台阶法开挖进尺短、支护快，能及时承载围岩向下的变形。2）开挖至断面Y=10 m处时，围岩发生了最大位移变形。台阶法、台阶-核心土法和核心土法的拱顶沉降相对值分别为4.44、4.44、3.77mm，分别为总沉降值的37.76%、40.62%、32.59%；仰拱隆起相对值分别为3.08、3.08、2.68mm，分别为总隆起值的41.01%、41.62%、36.56%。说明隧道开挖是导致围岩位移变形的主要原因之一。3）左洞挖通时，台阶法、台阶-核心土法、核心土法方案下监控点拱顶沉降分别达到9.55、9.55、8.89mm。右洞开挖后左洞监控点在后行洞施工中产生的拱顶沉降值为台阶法2.21mm、台阶-核心土法1.38mm、核心土法1.47mm，可见后行洞采用台阶法开挖时对先行洞的干扰明显大于核心土法。台阶法、台阶-核心土法、核心土法施工方案下，左洞累计沉降值分别为11.76、10.93、10.36mm，核心土法施工位移变形最小，但与台阶-核心土法产生的变形位移相差有限。

表4　监控点各工序竖向位移值mm

小净距隧道施工中要始终注意对中夹岩柱的保护。选取Y=10 m处中夹岩柱中心点进行监测，比较各施工方案下隧道挖通后中夹岩柱的水平位移变化。中夹岩柱监测点见图2，Y=10 m断面处中夹岩柱的水平位移变化见表5。

图2　中夹岩柱监测点示意图

表5　中夹岩柱监测点的水平位移mm

从表5可看出：不同施工方案下中夹岩柱监测点水平位移变化都很接近，且均小于2.0mm，说明隧道施工中采取的支护方案对保证中夹岩柱的稳定性有效。中夹岩柱整体都是向X负方向发生位移，且顶部位移略小于底部位移，其倾角接近左洞破碎带倾角，说明破碎带的存在对隧道开挖中中夹岩柱的稳定有一些影响。值得注意的是，由于数值模拟初始应力场仅考虑了竖向自重应力，未考虑水平构造应力，破碎带对中夹岩柱水平位移的影响有限。但在实际施工中有必要加强监测。

从上述位移场分析结果来看，隧道单洞采用核心土法开挖时，无论是产生的沉降还是对先行洞围岩产生的扰动都小于台阶法，从控制围岩竖向位移变化角度，可优先考虑核心土法及台阶-核心土法。

3.2围岩应力场对比分析

FLAC3D中应力为正表示拉应力，为负表示压应力。考虑渗流作用时，3种施工方案下隧道挖通后围岩最大、最小主应力见表6和图3～5。

表6　不同工况下围岩主应力值MPa

从图3～5和表6可看出：考虑流固耦合作用时，3种施工方案下隧道主应力分布情况类似，大小接近，具有相似的力学分布规律。隧道拱腰及中夹岩柱处围岩以受压为主，拱顶及仰拱处围岩以受拉为主；大主应力最大值主要集中在中夹岩柱处，小主应力最大值主要集中在隧道拱腰处，其中最大主应力2.24 MPa，最小主应力11.06 MPa。台阶法施工中，中夹岩柱处及拱顶仰拱处围岩出现应力集中现象，施工中应首先考虑对拱腰处尤其是中夹岩柱处围岩进行注浆加固，防止应力过大引起围岩破坏。

图3　台阶法开挖围岩主应力云图（单位：MPa）

图4　台阶-核心土法开挖围岩主应力云图（单位：MPa）

图5　核心土法开挖围岩主应力云图（单位：MPa）

3.3塑性区对比分析

利用FLAC3D分析隧道围岩稳定性时，围岩塑性区分布情况必须考虑。图6为地下水渗流作用下采用3种施工方案开挖隧道后的围岩塑性区分布，表7为各施工方案下的塑性区体积。

图6　不同施工方案下隧道围岩塑性区分布

从图6和表7可以看出：考虑渗流作用时，3种施工方案下隧道开挖后围岩塑性区具有类似的分布规律。1）塑性区主要集中在两洞拱腰、拱脚处附近围岩及左洞与破碎带相交处围岩，说明隧道开挖中拱腰、拱脚处围岩与破碎带处围岩受到了较大扰动，施工中要注意及时支护，在开挖下台阶时建议在外侧拱脚处及时施作锁脚锚杆。2）考虑渗流作用时，3种施工方案下围岩塑性区大小接近，台阶-核心土法施工产生的塑性区最小，台阶法施工下围岩塑性区稍小于核心土法施工下围岩塑性区，这是因为虽然核心土法进尺短、支护快，但由于进尺频率高，同样会对围岩产生较大扰动。

表7　围岩塑性区体积m3

3.4渗流场分析

饱水状态时3种施工方案下隧道开挖前后的围岩渗流场变化基本相同。台阶-核心土法开挖前后渗流场见图7，隧道开挖后围岩地下水流动矢量分布见图8。

从图7可看出：隧道开挖前，孔隙水压力和围岩深度成正比，破碎带处围岩因为较大的渗透系数和孔隙率，在周围岩体水压作用下其水压力等值线略微呈凹下去的态势。开挖后，由于假定开挖围岩边界为自由透水边界，孔隙水压为零，孔隙水压力差的作用使周边围岩的地下水向洞内渗透，导致周边围岩的孔隙水压力出现较大下降，造成渗流场的改变。开挖稳定后，形成类似渗水漏斗的形状，左洞拱脚处因为破碎带的存在略微呈现凹下去的态势，与开挖前一致。

从图8可看出：隧道开挖后，渗水主要集中在左洞的拱顶仰拱处，这也是隧道与破碎带交界处，表明此处围岩是隧道开挖中地下水的重要流出通道，也是渗水高发部位，施工中应特别注意这一部位的防排水。隧道拱腰、拱脚相接处也分布了大量流动矢量，表明这些地方也可能出现涌水现象，施工中同样要加强防排水。

图7　围岩孔隙水压力等值线云图（单位：MPa）

图8　隧道周边围岩渗流场流动矢量分布（单位：MPa）

在大坪尾隧道实际开挖过程中，出现涌水的部位正是左洞拱顶及左洞拱脚处，验证了模拟计算结果的可靠性。

4 结论

（1）比较饱水状态时3种隧道施工方案下围岩的稳定性指标，对于复杂地质条件下的深埋小净距隧道，台阶-核心土法对限制围岩变形、控制围岩应力集中、限制塑性区发展的效果比台阶法、核心土法好。台阶法施工较快，但围岩会产生较大变形，有最大的拱顶沉降、仰拱隆起及中夹岩柱水平偏移，而且中夹岩柱处存在较明显的应力集中现象。核心土法施工时，围岩的位移变形、应力控制与台阶-核心土法接近，但塑性区偏大，且其施工工期最长。建议该隧道采用台阶-核心土法开挖，即左洞台阶法、右洞核心土法。

（2）饱水状态时3种施工方案下围岩应力分布规律较为一致，大小接近，其中破碎带处围岩均受到一定拉应力作用，开挖后此处围岩塑性区分布较为集中，稳定性较差，施工中应注意对此处围岩进行及时支护。

（3）3种施工方案下深埋小净距隧道渗流场变化规律一致，初始渗流场破碎带处围岩水压偏低，开挖后最终形成以隧道开挖区域为中心的渗水漏斗形状。开挖后左洞与破碎带相交处围岩及拱腰、拱脚处围岩是渗水多发部位，这些部位也是后续施工中防排水的重点部位。

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U455.4

A

1671-2668（2016）05-0217-06

国家自然科学基金资助项目（51278071；51308072）；湖南省教育厅科学研究优秀青年项目（14B007）

2016-03-08