基于流固耦合的隧道一侧溶洞对铁路隧道的稳定性研究

林中川

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400041）

随着人类活动范围的扩展及规模的扩大，为方便出行，交通行业的发展尤为重要。经过几十年的发展，一些简单易攻克的问题已经得以解决，但是一些复杂的问题还在继续研究中，岩土工程就是其中重要的一部分。随着岩体工程技术的快速发展，岩体工程的规模和深度都在不断增长，需要更加重视多场耦合问题的求解研究。岩体存在于地质条件中，在地质条件中存在着初始地应力、地下水的作用，岩石中化学物质对围岩的作用等，这些条件的相互作用，改变了原有的地层条件。在地下水丰富的地区，由于地下水的作用，在岩石中会形成溶洞、溶缝、漏斗等，且存在地下暗河的可能，因此地下水的作用不可忽略。若工程设计在地下水丰富的地区，就需要采用降低围岩等级的办法使隧道结构达到安全可靠，但是现阶段这一方式主要还是依赖于一些工程经验，缺少理论的分析。何川[1]根据重庆主城的过江排水隧道，采用流固耦合的计算方法，运用有限差分理论，研究过江隧道在应力场与渗流场的耦合作用下裂隙岩体的变化规律；黄鑫、李术才[2]等通过属性数学理论建立了隐伏溶洞与隧道岩层间安全厚度风险评估的属性识别模型，用于开展隐伏溶洞与隧道岩层间安全厚度危险性分级，确保隧道工程施工安全。

1 理论的选用

选用的数值模拟软件为FALC3D，其理论基础为有限差分，将描述渗流问题的微分方程用各阶导数的差商来代替，边界条件也转换为差分的形式，这样就把微分的求解就转换为代数方程组的求解。

2 数值计算与分析

2.1 依托工程概况

本隧道位于重庆市彭水县高古镇境内，最大埋深约350m，隧道全长5408m，为时速120Km/h 电化铁路单线轨道，隧区主要地层有土层、页岩、灰岩夹页岩、角砾岩等。隧址区可溶岩分布广泛，节理裂隙发育、地表溶蚀较为严重，全隧道地下水较为发育。岩溶形态主要有沿构造节理裂隙发育的溶洞、溶缝和岩溶漏斗等，在隧道开挖过程中，经超前地质预报，隧道洞身在约YDK211+900 右侧探出一有压含水溶洞。

2.2 计算模型

其中一种工况的数值计算模型如图1 所示，水平方向取120m，竖向方向取60m，轴向方向取100m，溶洞位于隧道的右侧，沿轴向50m 处。由于内含水且存在水源补给，使溶洞内有较高的水压，溶洞周围的孔隙水压力为3MPa，在进行渗流分析时，假定渗流分析边界的左右边界、前后边界及下边界均为不透水边界，隧道内表面为弱透水边界。分析采用M-C 屈服准则。

根据地勘资料报告可知，岩土体的物理力学参数如表1 所示，溶洞大小编号如表2 所示。

表1 计算参数

表2 溶洞大小编号

2.3 隧道拱圈特征点围岩应力随溶洞半径的变化特征

为研究不同半径溶洞对隧道拱圈特征点围岩压力的影响，绘制拱圈的拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚处的最大、中间、最小主应力及剪应力的影响变化曲线。隧道轴向50m 处拱圈特征点围岩压力变化图如图2 所示。

图2 隧道轴向50m 处主应力变化曲线

由图2 可知，溶洞大小变化对隧道左侧围岩主应力影响较小。右拱脚处产生应力集中，随着溶洞大小的增大，右拱脚的应力也增大。拱顶应力及仰拱底应力在溶洞半径较小时，其应力值都小于右拱脚的应力集中处，随着溶洞的增大，拱顶应力及仰拱底主应力逐渐向右拱脚应力值逼近，拱顶及仰拱底最大剪应力在溶洞半径为2.5m 时，三处的最大剪应力值相近；溶洞半径在大于2.5m 后，拱顶及仰拱底最大剪应力超过右拱脚的应力值。左拱脚及右拱腰处的主应力值随半径的增大而增大，其增大的趋势相同。

2.4 隧道拱圈特征点应力沿轴向变化曲线

为研究隧道拱圈不同特征点的应力变化情况，选择离溶洞最近的右拱腰及沿轴向同一水平线的点，另还选择出现应力集中的右拱脚作为分析对象，绘制出右拱腰及右拱脚的应力分布曲线，如图3 所示。

图3 隧道右拱腰处轴向主应力分布曲线

由图3 可知，最大主应力沿轴向变化分三个阶段：（1）不受影响阶段，溶洞大小的变化对隧道拱圈特征点的最大主应力变化没有影响或者影响很小；（2）应力减小阶段，隧道沿轴向出现最大主应力减小；（3）应力增大阶段，隧道沿轴向出现应力变大的阶段，拱圈特征点并在离溶洞最近的位置出现最大主应力的最大值。

2.5 不同半径充水溶洞作用下对围岩位移分析

由于隧道右侧有一含水溶洞的存在，在隧道右侧的特征点的位移明显大于隧道左侧特征点位移。为分析隧道拱圈特征点围岩位移随溶洞大小变化特征，将隧道沿轴向50m 处的隧道横断面上特征位置的位移随溶洞大小的变化曲线绘制如图4 所示。

由图4 可以看出：隧道右侧充水溶洞对隧道的右侧拱腰的影响最大，在溶洞大小为1.5m 时，右侧拱腰水平位移达到-3.2mm，且随着溶洞的增大位移发生明显的增大，在溶洞大小为4m 时，右侧拱腰水平位移达到-29.7mm；右侧充水溶洞的增大对隧道拱圈其他特征点的影响较小，对隧道的左拱腰水平位移几乎没有影响，左拱腰水平位移随着溶洞的增大保持在同一水平。

2.6 隧道拱圈特征点水平位移沿轴向变化曲线

由图4 可知，右侧溶洞隧道的竖向位移影响较小，水平位移影响较大，为分析溶洞大小的变化对隧道轴向水平位移的影响及水平位移的影响范围，选择了右侧拱腰及左侧拱腰处的水平位移作为分析对象，对比分析右侧溶洞对隧道左右侧水平位移的影响趋势并绘制出左右侧拱腰隧道轴向水平位移曲线，如图5 所示。

图4 隧道轴向50m 处位移变化曲线

图5 隧道轴向拱腰处水平位移

从图5 可以看出：右侧拱腰处的水平位移有向隧道内部移动的趋势，溶洞隧道附近的拱腰有正向的影响，使溶洞附近的水平位移大小增大，随着溶洞半径的增大，溶洞附近的拱腰也增大；当溶洞半径为1.5m 时，左侧拱腰0 处的位移为-0.2mm，50m 处的位移-3mm，位移大小增大约15 倍；当溶洞半径为4m 时，左侧拱腰0 处的位移为-0.8mm，50m 处的位移-45mm，位移大小增大约56 倍。随着溶洞的增大，溶洞对拱腰处的水平位移影响越大，影响范围也随着溶洞半径的增大而增大。

3 结束语

（1）隧道一侧有溶洞时，溶洞对隧道的应力影响沿隧道轴向大致成对称分布，远离溶洞位置影响较小，靠近溶洞处影响较大；（2）随着溶洞的增大，溶洞对隧道的主应力影响大致成线形增长，溶洞越大，主应力大小越大，且隧道拱圈各特征点的主应力变化趋势相近；（3）隧道一侧有溶洞时，影响最大的是隧道离溶洞最近的位置且为水平位移的影响远大于竖向位移，溶洞对拱圈其他位置的水平位移影响较小。