基于流固耦合作用的偏压连拱隧道稳定性分析

曹媛媛，刘辉，刘耀坤，韩学礼

(1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2. 湖南理工学院湖南 岳阳 414000；3. 中铁十五局集团第二工程有限公司，上海 201713)

浅埋偏压连拱隧道工序繁杂，双洞开挖及支护交错进行，引起隧道位移变形严重，不利于隧道的稳定。持续强降雨时，因大量地表水渗入，易导致隧道塌方、冒顶等地质灾害。李地元[1]等人使用有限差分法，探讨连拱隧道开挖渗流机制，并分析了深埋连拱隧道开挖后的孔隙水压力场分布特征。于清杨[2]等人采用数值模拟进行计算，求出了地形偏压隧道对称位置的应力比值，提出了将拱肩处应力比作为定量，判别隧道是否偏压的特征值。朱正国[3]等人比较了先开挖浅埋侧主洞与先开挖深埋侧主洞2 种开挖施工顺序。采用FLAC3D有限差分软件，计算了浅埋偏压连拱隧道在不同开挖顺序的各阶段施工的隧道水平与竖向位移、中隔墙、锚杆及衬砌等支护结构的应力和变形情况。金美海[4]等人采用Ansys 软件进行了模拟验证，得到了偏压坡度的变化和浅埋偏压黄土隧道变形的分布特征。但是由于不同地区围岩、地质情况差别较大，取得的经验和成果尚不具指导意义。作者依托安乡至慈利高速公路的雷家台浅埋偏压连拱隧道，拟利用Midas/GTS 软件，模拟偏压连拱隧道开挖施工过程，并与施工实际监测数据进行对比，分析隧道不同施工阶段对隧道的沉降及水平位移变化规律，并指出渗流条件下偏压连拱隧道沉降及水平位移变化较大处的分布位置。

1 流固耦合计算原理

地下水流动过程中，围岩中的渗透力来源于围岩与围岩裂隙中的水，在外力作用下的摩擦挤压，渗透力可以用孔隙水压的积分表示[5]。Midas/GTS的渗透力效果，可利用渗流分析计算得到的孔隙水压力表示。

根据太沙基有效应力原理，总应力σ可分为有效应力σ′和孔隙水压力uw。高健[6]等人综合考虑有效支护压力和渗透力的影响，对隧道开挖面稳定性进行了分析，得到作用在隧道开挖面的支护压力，由有效支护压力和渗透力共同构成。孔隙水压力可区分为稳定状态孔隙水压psteady和过孔隙水压pexcess。因为水不能承受剪切应力，所以有效剪切应力与总的剪切应力相等。

2 偏压连拱隧道数值模拟

2.1 工程概况

雷家台隧道设计长度为235 m，最大埋深约54 m，隧道最高点与最低点的差值约为54 m。隧道纵坡为0.8%，山脊线与水平向夹角为20°～35°，山坡处于稳定状态。隧道纵断面示意图如图1 所示，隧道出入口设置于山前斜坡位置。地表覆盖层为第四系更新统坡积碎石，下伏基岩为强风化与中风化砂质页岩。隧道围岩为弱自稳性，其岩性较差，处于多雨的富水地区，抗渗性差。隧道上部的承压水，流经围岩裂隙，渗入隧道内，同时，地下水压力增加，围岩裂隙贯通性，致使围岩位移增加。经初步计算，按V 级围岩进行设计支护。

根据凌同华[7]等人的研究成果，进行隧道支护时，应强化喷射混凝土厚度的作用，可适当的增强偏压侧连拱隧道的锚杆间距和长度。围岩及支护力学参数见表1。

图1 雷家台隧道纵断面Fig. 1 Profile view of Leijiatai tunnel

表1 隧道围岩及支护的基本参数指标Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock of tunnel and support

隧道开挖采用“中导洞-双侧导洞工法”的方式。首先开挖中导洞、施工初次衬砌、下部锚杆及中隔墙施工。再分别进行左(右)洞的侧导洞，分上、下台阶2 次开挖，并完成初次支锚。然后施工左(右)洞主洞核心土，分上、中、下三台阶进行开挖。最后浇筑仰拱，隧道全断面二次衬砌，采用模板台车一次模筑。雷家台隧道施工顺序为：①→I→②→③→II→④→III1→⑤→⑥→IV1→⑦→III2→⑧→⑨→IV2，如图2 所示。

图2 雷家台隧道施工顺序Fig. 2 Construction sequence of Leijiatai tunnel

2.2 数值模型建立

根据实际监测断面布置与数据采集，选取雷家台隧道K112+665 断面，建立模型，考虑流固耦合作用。隧道数值模拟网格划分如图3 所示。

图3 偏压连拱隧道网格划分图(单位：cm)Fig. 3 Grid division diagram of bias multi-arch tunnel(unit: cm)

隧道围岩采用Mohr-Coulomb 模型，其他支护构件采用弹性模型。连拱隧道根据实际情况，每一步开挖，模拟初期锚杆支护、喷浆支护及二次衬砌的实际施作，以达到最大效果[8−11]。

2.3 隧道K112+665 断面监测

隧道现场监测量控对隧道施工极为重要。在现场监测量控下，可以实时掌握围岩和支护动态，并及时发布险情预报，确保施工安全。雷家台隧道围岩测点布置如图4 所示。雷家台隧道支护结构受力观测点如图5 所示。

图4 雷家台隧道围岩测点布置方法Fig. 4 Arrangement of measurement points for Leijiatai tunnel

图5 支护结构受力观测点示意Fig. 5 Schematic diagram of stress observation points of support structure

3 隧道数值模拟与监测结果对比

3.1 连拱隧道实时监测结果

1) 连拱隧道左洞沉降监测

根据实际施工过程，双侧导洞开挖工法在左洞开挖中，对拱顶监测主要分为6 个阶段：

多孔钽金属加强块重建II、III型Paprosky髋臼骨缺损主要的并发症发生率较低，术区感染、假体无菌性松动、髋关节脱位和血管神经损伤是较常见的并发症，在围手术期应该多加防范。

第一阶段(1～12 d)，左、右上导洞开挖完成至下导洞开挖前，此阶段产生的左洞拱顶沉降变化值，占左洞总沉降值的6.5%。

第二阶段(13～22 d)，左、右下导洞开挖完成至左洞上台阶开挖前，此阶段产生的左洞拱顶沉降变化值占左洞总沉降值的10.8%。

第三阶段(23～40 d)左洞上台阶开挖至左洞核心土开挖之前，此阶段产生的左洞拱顶沉降变化值占左洞总沉降值的24.7%。

第四阶段(41～55 d)，左洞完成核心土和下台阶的开挖，并完成二次砌筑衬砌闭合，此阶段产生的左洞拱顶沉降变化值，占左洞总沉降值的10.8%。

第五阶段(56～75 d)，开挖至右洞核心土开挖前，此阶段产生的左洞拱顶沉降变化值，占左洞总沉降值的43.5%。

第六阶段(76 d～)，右洞核心土开挖，分三台阶由上至下依次开挖，随后完成右洞二次衬砌。此阶段产生的左洞拱顶沉降变化值，占左洞总沉降值的3.7%。

隧道拱顶沉降向下取正值，左洞断面沉降曲线如图6 所示。

图6 ZK112+665 断面拱顶沉降随时间变化Fig. 6 Settlement curve of arch at the section ZK112+665

从图6 中可以看出，23～40 d，由于上台阶开挖过程中，较严重的破坏了围岩稳定性，锚喷会逐步稳定拱顶位移沉降。41～55 d，开挖过程中引起沉降，但因二次衬砌闭合成环，抑制了拱顶位移，沉降时态曲线，已成收敛趋势。56～75 d，由于右洞上台阶的开挖，引起左洞“断崖式”沉降位移。在右洞开挖过程中，对左洞的位移场产生扰动，使左洞沉降收敛稳定状态遭受破坏，表明：连拱隧道位移场变化较为复杂。76 d 以后，右洞核心土分三台阶，由上至下依次开挖，围岩随着右洞二次衬砌的完成，其变形会趋于稳定。

2) 连拱隧道右洞的沉降监测

右洞开挖拱顶沉降分为2 个阶段：

第一阶段(1～20 d)为右洞开挖到核心土前，在刚开挖初期，拱顶沉降急剧增加，这是由于右洞受到左洞开挖干扰，围岩较为破碎，右洞拱顶沉降平均值为20.3 mm，占右洞总拱顶沉降的76.6%；

第二阶段(21～40 d)为右洞开挖完成，右洞拱顶沉降变化平均值为6.2 mm，占右洞总拱顶沉降的23.4%。右洞全部开挖完成后，及时闭合成拱，有利于隧道开挖稳定，整体支护结构抑制了拱顶沉降，收敛趋于稳定。右洞断面沉降曲线如图7 所示。

图7 YK112+665 断面拱顶沉降随时间变化Fig. 7 Settlement curve of arch at section YK112+665

3) 连拱隧道断面收敛监测

对于左洞开挖时，导洞开挖完成后，围岩收敛变化不明显，测线D-E 收敛值为2 mm。从 22 d 开始开挖左洞上台阶，在40 d 重新趋于收敛，范围在5～6 mm 之间。从55 d 开始，进行左洞完全开挖，收敛变化不明显，测线D-E 收敛变化值约1 mm。表明：左洞下台阶开挖对隧道左洞的横向收敛有影响，具有局限性[12]。右洞上台阶开挖完成前，左洞测线D'-E' 收敛值急剧增加，之后趋于收敛。右洞开挖扰动左洞围岩稳定性。左洞测线D-E 最终收敛值为12 mm；左洞测线F-G 周边位移值的最终收敛值为6 mm。

右洞测线D′-E′在左洞开挖的第1～5 施工阶段期间，由于右洞处于偏压隧道深埋侧，地质环境较差，围岩上部自重大，断面收敛最终稳定在13 mm，右洞测线F′-G′最终收敛于8 mm。K112+665 断面周边收敛曲线如图8 所示。

3.2 数值计算结果

连拱隧道围岩在考虑流固耦合作用下，进行数值模拟的变形情况如图9,10 所示。在流固耦合作用下，围岩受力更加复杂。在开挖过程中，隧道周边孔隙水压力的变化，产生孔隙水压力差，造成渗流场的改变。

从图9,10 可以看出，围岩各处位移模拟分析的变形结果。从图9 可以看出，拱顶沉降值最大处在右洞B'监测点处，其值为29.1 mm。从图10 可以看出，最大水平收敛值在右洞测线D'-E'位置处，其值为15.2 mm。

图8 K112+665 断面周边收敛随时间变化Fig. 8 Peripheral convergence curve of K112+665 section

图9 考虑流固耦合作用下围岩Y 方向位移Fig. 9 Displacement of surrounding rock in Y-direction considering fluid-solid coupling

图10 考虑流固耦合作用下围岩X 方向位移Fig. 10 Displacement of surrounding rock in X direction considering fluid-solid coupling

从图9,10 还可以看出，在考虑流固耦合作用下，产生的竖向围岩位移值较大处在右洞拱顶处，隧道洞周收敛作用较大处为右洞右拱脚位置处。产生这些现象是由于左、右洞施工不对称性及自然地形产生的偏压效应作用的结果。

3.3 数值计算与监测结果的对比

拱顶沉降数值模拟结果与施工现场实时沉降监测数据对比，见表2。周边收敛模拟与施工现场实时收敛数据对比，见表3。

由表2,3 可知，在考虑流固耦合作用时，现场监测内力数据和数值计算结果进行对比，隧道开挖关键位置的位移，有大致相同规律，即2 种方法得出的拱顶沉降值最大处都在右洞B'监测点处，最大水平收敛值都在右洞测线D'-E'位置处[13]。两者虽在量值上有差异，但规律一致，可以得到相同的结论，并在后续施工中2 种方法可以互相补充合理应用。

表2 K112+665 断面拱顶沉降模拟计算结果对比Table 2 Simulation results of settlement of arch in section K112+665

表3 K112+665 断面周边收敛位移模拟计算结果对比Table 3 Simulation results of convergence displacement around K112+665 section

4 结论

通过对监测数据进行整理和采用数值模拟方法进行计算，在考虑流固耦合作用下，对偏压连拱隧道围岩及支护结构的稳定性进行了分析。将拱顶沉降和围岩收敛值的模拟值与实测值进行对比。得出的结论为：

1) 围岩受扰动后，所产生的拱顶沉降在左、右洞之间不对称，左洞的拱顶沉降小于右洞。中隔墙与左洞上台阶连接处、中隔墙与右洞拱腰连接部位2 处竖向位移较大。2 种方法得出的拱顶沉降值最大处都在右洞B′监测点，最大水平收敛值都在右洞测线D′-E′位置。施工要对这些位置采取强化措施，在深埋侧右洞需要采用更合理的超前支护措施，加强锚喷作用或改变连接方式，优化支护，以控制和减小围岩位移，确保施工安全。

2) 右洞上台阶开挖时，引起左洞“断崖式”沉降位移。所以建议左洞施工开挖后，尽早完成闭合支护，加强围岩稳定性，防止右洞开挖对左洞干扰，而造成坍塌事故。

3) 数值模拟结果与实测结果进行了对比，分析得到的规律一致。因此，在项目后续其他相似水文地质条件下，开挖施工也应考虑流固耦合作用，并将数值模拟结果在设计变更中作为重要参考，改进施工 方案。