风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江西省自然科学基金项目（）；江西省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：黄春富（），男，硕士生，通信作者：曾开华（），男，博士，教授，文章编号：（）风化砂岩公路隧道渗流 应力耦合数值模拟黄春富，曾开华，骆禹锦，李斯磊（南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西 南昌 ）摘要：以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例，利用有限元分析软件 三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程，将所得结果与现场监测数据进行比较，研究了渗流 应力耦合对隧道稳定性的影响，比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明，在渗流 应力作用下，隧道稳定性受到明显影响，渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处，各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大，在拱顶处最小；对比非耦合条件，在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加，孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。关键词：山岭隧道；风化砂岩；渗流 应力耦合；数值模拟中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；国内外众多学者针对公路隧道在渗流条件下，进行了诸多数值模拟与现场施工监测的研究。文献 总结了国内外岩体裂隙渗流特性的研究成果，分析了裂隙岩体渗流 应力耦合模型的优缺点及其目前的工程应用，表明实验研究在岩石裂隙渗流特性研究中具有不可替代的作用。于洪丹等 利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统，对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。文献 根据隧道开挖实际地质条件和设计规范建立模型，利用 软件的流固耦合模块对隧道开挖进行研究，分析了含水条件下隧道开挖过程中的渗流场分布、围岩变形和围岩稳定性。文献 利用 软件在考虑流固耦合作用和不考虑流固耦合作用的两种情况下，分别对隧道围岩稳定性进行三维数值分析。王宗建等 针对高水压隧道开挖后围岩渗流场 应力场耦合问题，推导出围岩裂隙面正应力增量表达式；基于地下水动力学理论推导了地下水渗流力计算公式，运用 验证了其应用可行性。等 针对富水区隧道围岩开挖损伤区问题，提出了一种新的渗流应力损伤耦合模型，并对数值算法进行研究；骆禹锦等 利用 软件进行隧道施工过程的数值模拟，研究非绕轴对称岩石隧道工程环境因素对隧道洞壁位移产生的影响；纪佑军等 根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律，以及弹塑性力学理论，建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型，借助 模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。周益军 应用 软件对隧道开挖进行了数值分析，通过分析比较开挖前后地下渗流场和应力场的变化分析隧道渗漏水的原因；等 同时考虑作用在隧道掌子面上的有效应力和稳态地下水流条件下的渗透力等因素来评估隧道掌子面稳定性，将数值分析计算出的渗流力与模型试验结果进行对比分析；杨果岳等 针对隧道渗流参数难以确定的情况，提出了强渗流条件下山区分离式隧道围岩参数的计算方法并进行数值模拟，将模拟结果与现场实测数据进行比较，获得了强渗流条件下的隧道参数值。等 采用隧道渗流模型测试系统对不同渗透系数的注浆圈和初级支护进行了实验，分析了支护结构对隧道内涌水量规律和水压分布的影响。现有的研究中，对于渗流与应力耦合与非耦合条件下的风化砂岩公路隧道围岩稳定性分析较少，针对在渗流条件下围岩支护结构的应力分析和不同岩性对围岩稳定性的影响分析不足。因此，本文运用 软件对实际风化砂岩隧道开挖过程得到的现场测试参数建立三维模型，分析了隧道围岩开挖后渗流对围岩孔隙水压力的影响；对比了非耦合与耦合状态下的围岩变形、衬砌应力和锚杆轴力的变化情况；同时还进行了不同岩性下隧道渗流应力耦合分析。工程概况与地质条件 项目概述高且隧道进口位于井冈山市黄坳乡三和村高且组附近，出口位于井冈山市黄坳乡光裕村水北洲组附近，农村公路与隧道现场互通，交通便利。隧道为分离式长隧道，左右线间距为 。隧道右线起止桩号为 ，全长 。隧道右线位于半径 为 的左偏圆上，路线纵坡为 ，隧道最大埋深 为 。隧道左线起止桩号为 ，全长 。隧道左线位于左偏差圆上，圆曲线半径 为 ，路线纵坡为 。隧道最大埋深为 。隧道最大超高为 。工程地质条件隧道场地为低山地貌，山体向东北方向延伸，地形起伏较大，地面高程 ，相对高差约 ，边坡植被较厚，覆盖良好。项目地层结构上覆第四系全新统残坡积粉质黏土，下覆中寒武统强风化残积砂岩和砂质板岩。根据隧道岩土工程勘察报告，右线围岩分级结果如下：级围岩长度 ，占隧道总长度的 ，级围岩段长 ，占全隧道长度的 ；左线围岩划分结果为：级 围 岩 长 ，占 全 隧 道 长 度 的 ，级围岩段长 ，占全隧道长度的 。根据工程地质调绘，隧道洞身出露的强风化变余砂岩与砂质板岩中节理裂隙较发育，节理呈闭合微张状，岩体完整性差，整段隧道埋深浅，无自稳能力，侧壁顶部易产生坍塌。岩层与支护结构物理力学参数根据高且隧道实际地质情况，强风化变余砂岩和砂质板岩岩层采用对于渗流模拟有着较好效果的修正摩尔库伦准则本构关系。隧道模型围岩物理参数如表 所示。表 隧道模型围岩物理参数材料 （）粉质黏土 砂质板岩 变余砂岩 隧道数值模拟 数值分析模型的建立所选高且隧道区段最小埋深为 ，最大埋深为 ，考虑数值模拟模型计算结果的普适性，选择区段分布最广的埋深作为隧道模型的计算埋深；根据历次地质调查报告和隧道数值模拟的需要，确定地下水位。选取截面分布最广的地下水位作为计算水位的模型。因此，数值模拟模型选取埋深 ，隧道开挖前地下水位选取 。模型坐标系原点为隧道仰拱的测量中心点，隧道宽度方向与 轴坐标系重合，开挖方向与 轴坐标系重合，高度与 轴坐标系重合。隧道沿 轴方向开挖距离为 ，每 取一个隧道断面，共取 个断面进南昌工程学院学报 年行分析，所以模型尺寸为 （宽 长 高）。隧道监测点布置根据高且隧道 段的实际工程地质条件，采用 软件建立数值分析模型，对所选隧道拱顶、拱肩、拱脚等特征位置进行位移监测，周边位移监测点布置如图 所示。图 周边位移监测点布置 隧道稳定性分析对比 隧道开挖后渗流场分析选取模型的中部处断面进行隧道围岩孔隙水压力随施工步骤的变化进行分析。随着隧道开挖的进行，地下水不断流向围岩裸露的自由面，故自由面上的围岩孔隙水压力最小，孔隙水压力随着自由表面向外逐渐增大。当喷混完成后，围岩的渗流场逐渐发生变化，衬砌的孔隙水压力相应增大。断面处的孔隙水压力值见表 。表 隧道中部断面孔隙水压力值 与掌子面距离 拱顶拱肩拱腰拱脚拱底 结合表 可知，在每个施工阶段，断面的孔隙水压力在拱底部最高，然后是拱脚、拱腰及拱肩依次减小，拱顶处最小。渗流主要发生在隧道的两处，分别是仰拱和边墙。随着开挖面的不断推进，孔隙水压力从拱顶等各特征位置从上往下直到拱底部逐渐降低。当施工到达该断面时，围岩开始自由渗流。随着渗流量和渗透速率的增加，孔隙水压力自然降低到最小值。随着施工距离该段越来越近，各个控制点的孔隙水压力下降得更多。喷射完成后，孔隙水压力随着断面自由渗流面的钝化和减弱而逐渐增大，且在施工过程中，孔隙水的增大趋势与减小趋势相反。随着施工面离断面越来越远，断面中的孔隙水压力增加较少，最终恢复到开挖前的水平。隧道开挖后围岩变形分析取 个断面分析隧道施工开挖中及开挖后竖向位移，开挖中拱顶平均沉降值为 ，拱底平均上升值为 。开挖后，拱顶的平均沉降值为 ，拱底的平均隆起值为 。整体上隧道完全开挖后的竖向位移变化比开挖过程中的竖向位移值平均增大约 ，其主要原因是隧道开挖完成后在没达到完全稳定的状态之前，隧道周边的围岩压力大于未开挖完成之前。考虑到边界条件的影响，为使数据更加有真实性，选择隧道中部断面分析拱顶、拱底和水平间的位移分析。非耦合与耦合状态的竖向和水平位移云图见图 。第 期黄春富，等：风化砂岩公路隧道渗流应力耦合数值模拟图 非耦合与耦合状态的竖向和水平位移云图如图 所示，围岩开挖后拱顶沉降和拱底隆起最大，隧道上部围岩的沉降与深度成正比，随深度增加而增加；相反隧道下部围岩的隆起量随着深度的增大而减小，并沿隧道中线向两侧减小。在非渗流条件下，拱顶沉降量为 ，在渗流 应力耦合条件下，拱顶沉降量为 。即拱底沉降量增加 。拱底的隆起量最大，下部围岩的隆起量与深度成反比，随深度的增加而减小，并沿隧道中线向两侧减小。在非渗流条件下，拱底隆起量 ，在渗流 应力耦合条件下，拱底隆起量 。在非渗流条件下，拱底隆起量增加了 。隧道周边围岩的水平位移在图形上一般呈蝴蝶形。在未耦合条件下，拱腰左侧的水平收敛为 ，右侧的水平收敛为 。在渗流 应力耦合条件下，拱腰左侧水平收敛为 ，右侧水平收敛为 。也就是说，在渗流应力耦合条件下，拱腰右侧的水平收敛增加了约 。支护结构受力分析图 为非耦合与耦合条件下隧道锚杆轴力云图。隧道入口拱脚处的锚杆轴力是最大的，边墙处锚杆内力较大，而拱部锚杆受力较小未能充分利用。锚杆最大轴力在非耦合条件下为 ，在耦合条件下为 。总体而言，两种情况下锚杆的受力状态和大小相似，渗流对锚杆受力的影响很小。导致拱顶和边墙处系统锚杆受力变化的主要是围岩的位移方式，因此在一定深度范围会出现拱顶围岩的整体沉降，而边墙围岩整体是不发生移动的，隧道边墙处的锚杆受力通常要大于拱顶处的。图 非耦合与耦合条件下隧道锚杆轴力云图根据相关工程规范，普通空心注浆锚杆的极限拉力值为 ，模拟计算的最大轴力结果为 ，其数值远小于规范极限值。因此，在确保拱脚处锚杆符合安全要求的情况下，可视情况减少布置在隧道拱部的锚杆或缩短锚杆长度，以控制工程成本。不同岩性隧道渗流应力耦合分析 孔隙水压力分析图 为砂质板岩和变余砂岩在开挖过程中的孔隙水压分布，隧道围岩开挖在隧道附近形成自由渗流面和低孔隙水压力分布场。孔隙水压力以隧道断面为中心，由小到大呈漏斗状。在这个低水压区，仰拱的水力梯度较大，侧墙次之，隧道底部孔隙水压力南昌工程学院学报 年最大，其次是侧墙，在隧道拱顶处孔隙水压力最小。围岩控制点变余砂岩孔隙水压力小于砂质板岩孔隙水压力。砂质板岩仰拱处的孔隙水压力为 ，拱顶处的孔隙水压力为 ；变余砂岩仰拱处的孔隙水压力为 ，拱顶处的孔隙水压力为 。由此可以得出结论，渗流情况下孔隙水压力对两种岩性隧道的影响差异主要在拱顶。图 砂质板岩和变余砂岩在开挖过程中的孔隙水压图 拱顶沉降位移分析渗流作用下孔隙水压力对两种岩性隧道影响的差异主要体现在隧道拱顶处，对两种围岩隧道的拱顶沉降变形进行分析，图 为同等工况条件下模拟竖直方向位移云图，其中砂质板岩、变余砂岩隧道拱顶沉降模拟值分别为 、。由图 可以得出对于不同岩性隧道渗流作用下的沉降值：砂质板岩隧道拱顶累计沉降实测值 ，模拟值为 ，实际监测值与数值模拟结果相差 ；变余砂岩隧道拱顶累计沉降实测值为 ，模拟值为 ，实际监测值与数值模拟结果相差 ，数值模拟的沉降趋势与实测数据接近。从沉降变化趋势看，数值模拟沉降的变化趋势较为规律，呈现“倒抛物线”增长趋势，而实际监测数据中则没有此种规律，这是由于实际施工过程中对于拱顶沉降影响因素较多，不仅有地下水渗流的影响，且拱顶沉降值受施工工序因素影响较大。图 砂质板岩和变余砂岩隧道的竖向位移云图 结论通过对比分析非渗流与渗流 应力耦合情况下隧道稳定性变化，通过与现场实测值的比较，验证了分析模型的合理性。（）各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最高，在拱顶处最低。渗流主要发生在隧道的仰拱和边墙处。隧道各部分的孔隙水压力随着隧道工作掌第 期黄春富，等：风化砂岩公路隧道渗流应力耦合数值模拟图 两种岩性隧道拱顶沉降实测值与模拟值对比图子面的不断开挖而减小，拱底处的孔隙水压力下降幅度最大，拱顶处的孔隙水压力变化最小。随着隧道开挖，断面各控制点的孔隙水压力先降低后升高。（）隧道围岩开挖后，拱顶处的沉降位移最大，拱底处隆起最大，围岩水平位移总体上呈蝴蝶形。对比非渗流条件，在渗流 应力耦合条件下，拱顶沉降、拱底隆起和水平收敛值分别增加了 、和 。（）在渗流作用下，隧道初始支护荷载增加，最大拉应力位于隧道拱脚处，隧道衬砌顶部拉应力显著增加，锚杆最大轴力出现在隧道入口两侧的拱脚处。渗流 应力耦合条件下的拉应力大于非耦合条件下的拉应力。在耦合与非耦合条件下，侧墙处锚杆内力均较大，拱部锚杆受力均较小，锚杆的受力状态和大小均相近，表明渗流对锚杆受力影响较小。（）渗流条件下孔隙水压力对砂质板岩隧道和变余砂岩隧道影响的差异主要体现在隧道拱顶上。数值模拟结果和拱顶实际沉降变化趋势相同，说明所建数值模型能真实反映实际施工情况，可为类似工程提供参考。参考文献：盛金昌，速宝玉 裂隙岩体渗流应力耦合研究综述 岩土力学，（）：蒋宇静，李博，王刚，等 岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展 岩石力学与工程学报，（）：于洪丹，陈飞飞，陈卫忠，等 含裂隙岩石渗流力学特性研究 岩石力学与工程学报，（）：严绍洋，李亮辉，高燕希，等 公路隧道开挖渗流场的有限差分法分析 中外公路，（）：唐杰军，凌同华 山区公路分离式隧道围岩流固耦合数值分析 矿业研究与开发，（）：陈发本，黄德镛，杨卓 考虑流固耦合的富水隧道开挖对比分析 交通科学与工程，（）：，（）：王宗建，李振，卢谅，等 基于渗流力作用的围岩渗透系数分布规律研究 地下空间与工程学报，（）：，（）：骆禹锦，李学军，曾开华，等 马蹄形截面隧道施工模拟与洞壁位移影响因素 南昌工程学院学报，（）：纪佑军，刘建军，程林松 考虑流 固耦合的隧道开挖数值模拟 岩土力学，（）：周益军 景婺黄高速公路隧道裂隙岩体渗流与应力耦合特性分析 长沙理工大学，：，（）：杨果岳，钟政意，林小城 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