隧道施工过程中围岩孔隙水压力的有限元分析

王 举

(贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001)



隧道施工过程中围岩孔隙水压力的有限元分析

王 举

(贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

结合ABAQUS分析软件，建立了三维有限元模型,从而模拟整个隧道施工过程，通过对施工过程中不同时刻、不同部位围岩的孔隙水压力进行分析，得出了相关结论，为同类工程提供参考。

围岩,孔隙水压力,隧道,ABAQUS软件

近几十年来，大规模岩溶地区隧道和海底隧道的修建给隧道设计和施工带来了前所未有的技术挑战。一方面，岩溶地区隧道受孔隙水压力的影响，易导致隧道坍塌或突水突泥等灾害性事故。另一方面海底隧道相比陆地隧道而言地质勘探更困难、力学参数准确性更差。

国内外众多学者对孔隙水压力作用下隧道围岩受力及变形响应特征等方面进行了研究[1-5]。本文采用大型有限元分析软件ABAQUS，基于重点研究隧道开挖过程中各个阶段的围岩孔隙水压力的变化，以此力争为类似隧道工程的安全设计和施工提供理论依据和技术参考。

1 数值模拟

1.1 基本假设

1)整个模型位于地下水位以下，渗流计算采用饱和渗流分析；2)围岩、衬砌视为连续均匀各向同性介质；3)考虑到围岩的可能受到破坏的特性，在分析中采用弹塑性分析，采用的屈服准则为Mohr-Coulomb准则；4)开挖过程中的超开挖现象不予考虑，认为围岩及衬砌之间无开挖间隙，不考虑注浆作用；5)分析过程中初衬及二衬视为一体；6)忽略开挖的具体过程，假设开挖的过程是瞬时完成的；7)数值模拟中采用连续介质模型(地层—结构模型)，衬砌结构受力不大，认为其处于弹性阶段。

1.2 材料参数选取

围岩选取Mohr-Coulomb塑性模型，衬砌选取线弹性模型。具体参数见表1和表2。

表1 岩土材料参数

表2 衬砌支护材料参数

1.3 模型建立

通过计算机的有限元软件进行模拟研究时，合适的模型是特别重要的。一个合理的符合实际情况的模型，不仅拟合计算的过程比较快速，而且模拟得出的结果也符合实际情况。在模型的区域足够大且计算单元划分的非常小的情况下，模拟计算所得出的结果就越精确。但是这样计算量就会增大，花费的时间也会增加，对设备的要求也会非常高。因此模型建立既得满足精确度的要求，也得经济合理。本文建立的模型如下(见图1，图2)：

1)模型的上边界为地表平面，垂直方向上模型长度为100 m，水平方向上的模型长度也是100 m，轴向上的长度为30 m。隧道位于模型的中心位置，隧道左右洞间距16 m，衬砌结构的厚度取为0.7 m。

2)模型的Y轴平行于隧道的轴线，模型是关于YZ面对称的。

3)模型的初始条件为：隧道及衬砌结构的饱和度为1，隧道模型表面孔压为-1.2 MPa，隧道底面孔压为1.8 MPa，隧道表面初始竖向有效应力为0，底面初始有效应力为4.6 MPa，测压系数为0.46。

4)模型的位移边界条件：前后两面施加Y轴方向的水平约束，YZ面上施加沿X方向的水平约束，底面施加沿Z方向的竖向约束，模型的左边界施加沿X方向的水平约束。

5)模型的排水边界条件：隧道开挖前模型各表面均为不排水条件；隧道开挖完成后，围岩内壁设置为完全排水条件；施加衬砌后，衬砌内壁设置为完全排水条件。

1.4 围岩观测点布置

在隧道开挖的过程中需要了解围岩孔压，通过围岩孔压的情况来确定隧道周边地下水的分布情况。为了获得施工过程中围岩孔隙水压力随时间变化的数据，在模型中选取了4个观测点，根据观测点获得的数据来做出围岩孔隙水压力随着施工过程而发生变化的曲线，通过对曲线的分析来找出规律。观测点的布置如图3所示。

为了获得同一时间点上整个模型中不同点的孔隙水压力，在双线隧道的上方布置一排观测点，观测点的具体布置图如图4所示。

2 围岩孔隙水压力结果分析

在模型计算完成之后，选取模拟施工过程中各个阶段的模型计算结果，将所得到的数据进行处理分析。

将隧道周围的4个孔隙水压力观测点的数据导出，绘制成孔隙水压力—时间曲线，如图5所示。

将双线隧道上方的连续观测点的数据导出，绘制孔隙水压力—时间曲线，如图6所示。

根据图5，图6可以发现，在隧道进行开挖的过程中，隧道周围的围岩孔隙水压力不断减小，在模拟开挖阶段的最终时刻，隧道上部和左右侧观测点的围岩孔隙水压力降低为0。这是由于隧道开挖过程中隧道发挥了排水的作用，地下水通过隧道不断地被从土体排出。在施加衬砌结构之后，由于衬砌结构的防水作用，土体中的水不再渗入隧道中，并且随着其他区域的孔隙水渗流到隧道周围，隧道围岩孔隙水压力不断增高直到一个新的平衡状态。但由于模型没有考虑水的补充，因此固结后的围岩孔隙水压力小于初始阶段的围岩孔隙水压力。

3 结语

通过使用ABAQUS分析软件，建立了三维有限元模型来模拟整个隧道施工过程。根据模型中不同位置的观测点在不同时刻的数据，绘制出围岩孔隙水压力—时间曲线，通过分析，得出了以下结论：隧道的衬砌起着受力支护作用和防水作用，其中防水作用能够有助于保持隧道围岩原存应力状态。

[1] 李宗利,任青文,王亚红.考虑渗流场影响深埋圆形隧洞的弹塑性解[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):1291-1295.

[2] 房 倩,张顶立,黄明琦.基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(S2):3776-3784.

[3] 王学滨,王 玮,潘一山.孔隙压力条件下圆形巷道围岩的应变局部化数值模拟[J].煤炭学报,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] 许 江,杨红伟,彭守建,等.孔隙水压力—围压作用下砂岩力学特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报,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 举(1984- )，男，工程师

O241.82

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