基于流固耦合的富水粉细砂隧道工作面失稳过程研究.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202302029开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于流固耦合的富水粉细砂隧道工作面失稳过程研究周小平（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州072750）摘要：基于流固耦合数值算法，以中老铁路太达村富水粉细砂隧道为依托，从隧道掌子面挤出位移和围岩塑性区的演变情况入手，分析隧道在由泥岩向富水粉细砂段施工过程中掌子面的失稳过程。结果表明：隧道掌子面在由泥岩向富水粉细砂段围岩开挖过程中，掌子面的挤出位移和塑性区体积都将发生突变；由于富水粉细砂围岩强度较低、抗扰动能力较弱，在隧道掘进至富水粉细砂段围岩前，掌子面失稳就可能发生；结合各种加固措施及富水粉细砂围岩的特点，提出相应的围岩预加固对策。关键词：富水隧道；软弱围岩；灾害防控；预加固；沉降观测；稳定性中图分类号：TU94+1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)05 0208 06 0 引言随着我国“一带一路”倡议和交通强国战略的不断推进深入，在西南艰险山区内铁路、公路、水利等基础建设持续推进，为当地的经济发展注入了澎湃动力1。然而，由于西部艰险山区特殊的地质条件，隧道在修建时极易遇到松散软弱岩体、富水环境等不良地质条件，当隧道掘进至上述区域后围岩受扰动便会迅速发生失稳破坏，掌子面易发生涌水、坍塌等事故2，尤其是在富水粉细砂地层内，由于粉细砂的泥质弱胶结、黏聚力小、遇水软化等复杂力学特点，这一现象更为明显。针对这一现象，学者们对富水软弱围岩隧道建设期间的灾变机理及防控技术开展了大量的研究。罗治国等3指出，隧道施工后围岩内部产生大量裂隙，同时地下水原既有平衡被打破，在水的作用下围岩强度进一步降低；袁青指出，地下水对围岩的软化和渗流是造成围岩强度变低的主要因素，地下水的存在是导致富水软岩隧道发生大变形的主要原因；吴明先等4提出了在地下水富集区可采用高强预应力锚索支护体系代替传统约束锚杆、环向注浆锚杆及超前小导管注浆加固围岩的支护方法；祁文睿等5构建了隧道破碎围岩变形综合实时监控量测体系，并提出了短进尺三台阶七步法开挖、地表超前预注浆和双层小导管超前注浆加固的综合施工处治措施，有效避免了掌子面建设过程中的失稳破坏事故；姚洪瑞6为减小对围岩的扰动和避免富水软岩的涌突水事故，提出了短进尺浅孔弱爆+超前支护+注浆治水的控制措施，并指出富水软弱围岩隧道建设期间的灾害防控应该综合考虑现场的地质条件和施工方法，从降低施工扰动和提升围岩稳定性两个方面展开灾害的防控工作。上述研究结果表明：目前在富水软弱围岩隧道建设期间的灾害发生机理及防控措施方面，学者们进行了较为深入的研究。但由于地下工程的隐蔽和不可见性，富水软弱围岩隧道在建设过程中的失稳过程和特点仍不明确，这也影响了对灾害的快速高效防控。本文以中老铁路太达村富水粉细砂隧道为依托，采用流固耦合数值算法，研究富水粉细砂隧道在施工期间的渐进性失稳过程，以期明确隧道在失稳期间的主要特点，从而采取更加高效的防控措施。1 工程概况太达村隧道是中老铁路的控制性工程，位于云南省普洱市宁洱县宁洱站普洱站区间。隧道全长5 815 m，隧道最大埋深约 180 m，为双线单洞铁路隧道。隧道横断面，见图 1。地勘资料显示：隧道掌子面范围内存在第三系 收稿日期：2023 04 11作者简介：周小平（1990），男，宁夏固原人。工程师，主要从事铁路隧道施工方面的工作。E-mail：。路基工程 208 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）弱胶结粉细砂岩，主要分布于 DK241+504+594和 DK241+694+784 段（其上方覆岩以炭质泥岩为主，靠近地表处分布厚度较小的粉质黏土），均属较破碎、极软弱或含水岩体。在隧道施工开挖时易出现坍塌和涌突水问题，见图 2、图 3，严重威胁隧道施工人员及设备安全。1279658212617529292352202201350220220235线路中线线路中线隧道中线O4O1O2O2O3O3O3r4r2r3R2R3r1R1R4694设计轨面2%2%图1隧道横断面(单位：cm)图2粉细砂隧道掌子面坍塌 图3粉细砂隧道涌水涌砂 2 流固耦合计算原理岩土体是一种非连续介质，其内部含有诸多孔隙、裂隙、节理等结构，因此岩土体内部也存在气体、液体这两种介质。在隧道施工过程中，岩土体中内赋气体对其稳定性影响不大，但水对岩土体的力学参数和结构稳定性产生极其重要的影响。一方面，水在岩体孔隙、裂隙和节理面的渗流，会带走部分结构面甚至是基岩原有的充填物质，同时影响其颗粒间的胶结状态，导致结构面和基岩的强度同时降低；另一方面，地下水在孔隙、裂隙和节理面的渗流过程中，会增加各孔隙、裂隙和节理面间的连通性，使得水对岩土体性质影响进一步增大7。围岩受到施工扰动后，其内部的渗流场和应力场平衡被迅速打破，当渗流场和应力场变化幅度过大时，隧道掌子面的涌突水和坍塌也随之发生。因此，在数值计算时充分考虑水对施工的影响是十分必要的。目前，FLAC3D 因其强大的流固耦合功能而受到隧道工作者的广泛关注，其建立了孔隙压力、流体渗流速度、岩土体应力、应变间的关系，同时考虑了开挖过程中水与围岩间的双向耦合关系，能够很好地模拟富水围岩在开挖过程中的坍塌失稳现象8。FLAC3D 中流固耦合计算流程，见图4。设置物理学参数确定边界条件施加初始应力开始计算得出结果开启渗流模式围岩水力参数确定孔隙水压边界施加初始孔隙水压设置渗流模式渗流求解设置图4FLAC3D 中流固耦合计算流程 3 数值模型建立本文采用有限差分数值分析软件 FLAC3D 模拟富水粉细砂隧道在开挖期间的坍塌失稳过程，并在计算中采用软件内置的流固耦合模块，用以考虑隧道施工过程中水对施工的影响。根据太达村粉细砂隧道的实际情况，考虑到数值模拟计算的边界效应，建立三维模型长 120 m，宽 120 m，高 80 m，严格按照设计要求设置系统锚杆，锚杆长度 4 m，直径 22 mm，间距 1.2 m1.0 m（环纵），见图 5。上台阶中台阶下台阶仰拱隧道泥岩粉细砂（a）整体模型（b）开挖支护（c）支护结构图5数值分析模型 为便于建模计算，模型进行的假定和边界条件周小平：基于流固耦合的富水粉细砂隧道工作面失稳过程研究 209 设置如下：假定围岩为均质材料，并将其简化为理想弹塑性材料，围岩本构模型采用摩尔-库仑模型；将衬砌简化为理想弹性材料，在本次计算仅考虑初支，不考虑二次衬砌；在本次计算中不考虑锚杆的影响；本隧道为深埋隧道，埋深最大处达到 180 m，超出模型上部的土体采用在模型上部施加均布面力进行模拟；模型左、右、前、后、下边界面为法向位移约束，上边界为应力边界约束；地下水水位位于拱顶上方 20 m 处。计算过程中材料的力学性能参数，见表 1。表1材料力学性能参数名称密度/（kgm3）弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/（）黏聚力/kPa孔隙率渗透系数/（cms1）泥岩20403300.29301600.252.01011粉细砂1837880.3525500.343.0102初期支护2040240000.200.201.0108 模型采用三台阶仰拱法施工，每台阶开挖长度为 1 m，首先将掌子面、初支、仰拱部分的核心土删除，再运行一定步数进行应力释放，随后施加初支及仰拱，再运行一定步数，待模型达到初步平衡后继续进行下一循环开挖。模型自重应力及孔隙水压力耦合计算平衡后，竖向应力和孔隙水压，见图 6。Tolerance in SVD algorithm:1e071.6663E+061.7500E+062.0000E+062.2500E+062.5000E+062.7500E+063.0000E+063.2500E+063.5000E+063.7500E+064.0000E+064.2223E+06zxy9.0003E+059.0000E+058.5000E+058.0000E+057.5000E+057.0000E+056.5000E+056.0000E+055.5000E+055.0000E+054.5000E+054.0000E+053.5000E+053.0000E+052.5000E+052.0000E+051.5000E+051.0000E+055.0000E+040.0000E+00（a）竖向应力（b）孔隙水压图6模型平衡后竖向应力和孔隙水压 4 富水粉细砂隧道开挖失稳过程分析富水粉细砂隧道掌子面失稳的过程，可以概括为掌子面挤出位移和围岩失稳破坏区域的突然增加，鉴于此，在数值模拟中可以通过分析掌子面的挤出位移和围岩塑性区的演变规律来研究富水粉细砂隧道的开挖失稳过程。4.1 基于挤出位移的掌子面失稳过程分析基于文中提出的数值分析模型，提取了上台阶不同开挖距离条件下掌子面的挤出位移情况，见图 7（限于篇幅，文中只列举部分），掌子面处的最大挤出位移与上台阶开挖距离的关系，见图 8。从图 7、图 8 可看出，掌子面的最大挤出位移变化情况可大致呈现三个阶段：第一阶段，台阶法施工的初步阶段，随着上、中、下及仰拱部分围岩的逐次开挖，掌子面围岩受到其上方及周围的土压作用而发生逐渐挤出，上、中、下、仰拱部分依次开挖结束后，掌子面的最大挤出位移分别为 3.01、3.51、5.83、6.92 mm，在此阶段掌子面的情况稳定；第二阶段，隧道全部进入泥岩地层，由于泥岩地层具有一定自稳能力，因此，掌子面的挤出位移一直保持稳定，在 8.14 mm 左右；第三阶段，当掌子面的上台阶开挖 26.0 m 后，掌子面的挤出位移发生突变，增长速率迅速增大，由 26.0 m 处10.24 mm 增加至 36.0 m 处的 83.30 mm，此时掌子面挤出位移急剧变大，说明掌子面已经发生了失稳。在图 8 中对挤出位移发生突变的位置进行了拟合，结果显示：当上台阶开挖至 27.1 m 时，掌子面的挤出位移就发生了突变，距离富水粉细砂地层 2.9 m。这说明在泥岩地层内施工时，掌子面的挤出位移相对较小，掌子面能够基本保持稳定，而当施工地段接近富水粉细砂地层时，由于水流渗透以及对围岩的软化，掌子面在接近富水粉细砂地层时就有可能发生较大的挤出变形。同时，通过上文中的分析也可以说明，当开挖至距离富水粉细砂地层 3.2 m 之前，掌子面失稳的可能性较小，而当超过此距离时，掌子面失稳的可能性极大。路基工程 210 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）2.6226E042.5000E040.0000E+002.5000E045.0000E047.5000E041.0000E031.2500E031.5000E031.7500E032.0000E032.2500E032.5000E032.7500E033.0000E033.0060E03（a）开挖2 m 1.9976E040.0000E+002.5000E045.0000E047.5000E041.0000E031.2500E031.5000E031.7500E032.0000E032.2500E032.5000E032.7500E033.0000E033.2500E033.5000E033.5081E03（b）开挖4 m 2.4367E040.0000E+005.0000E041.0000E031.5000E032.0000E032.5000E033.0000E033.5000E034.0000E034.5000E035.0000E035.5000E035.8286E03（c）开挖6 m 4.1042E040.0000E+005.0000E041.0000E031.5000E032.0000E032.5000E033.0000E033.5000E034.0000E034.5000E035.0000E035.5000E036.0000E036.5000E036.9285E03（d）开挖8 m 1.4030E031.0000E035.0000E040.0000E+005.0000E041.0000E031.5000E032.0000E032.5000E033.0000E033.5000E034.0000E034.5000E035.0000E035.5000E036.0000E036.5000E037.0000E037.5000E038.0000E038.1233E03（e）开挖16 m 2.1626E032.0000E031.0000E030.0000E+001.0000E032.0000E033.0000E034.0000E035.0000E036.0000E037.0000E038.0000E038.7857E03（f）开挖24 m 2.4530E032.0000E031.0000E030.0000E+001.0000E032.0000E033.0000E034.0000E035.0000E036.0000E037.0000E038.0000E039.0000E031.0000E021.1000E021.2000E021.3000E021.4000E021.4193E02（g）开挖28 m 2.5332E030.0000E+005.0000E031.0000E021.5000E022.0000E022.5000E023.0000E023.5000E024.0000E024.5000E025.0000E025.5000E026.0000E026.5000E026.8705E02（h）开挖32 m 2.7502E030.0000E+005.0000E031.0000E021.5000E022.0000E022.5000E023.0000E023.5000E024.0000E024.5000E025.0000E025.5000E026.0000E026.5000E027.0000E027.5000E028.0000E028.3309E02（i）开挖36 m 图7上台阶不同开挖距离条件下掌子面挤出位移演变情况 4812 16 20 24 28 32 36 40020406080100掌子面最大挤出位移/mm上台阶开挖距离/m27.1挤出位移缓慢增长挤出位移相对稳定挤出位移急剧增长图8上台阶不同开挖距离条件下掌子面最大挤出位移情况 4.2 基于塑性破坏区的掌子面失稳过程分析基于上文中建立的数值模型，对不同开挖阶段条件下围岩产生的塑性破坏情况进行了分析，上台阶开挖至不同阶段时围岩的塑性区分布情况，见图 9（限于篇幅，文中只列举部分），围岩总的塑性区体积与上台阶开挖距离的关系，见图 10。（a）开挖2 m（f）开挖24 m（b）开挖4 m（g）开挖28 m（c）开挖6 m（h）开挖32 m（d）开挖8 m（i）开挖36 m（e）开挖16 m 弹性区剪切破坏区（已发生、正发生）剪切破坏区（已发生、正发生）张拉破坏区（正发生）剪切破坏区（已发生）剪切、张拉破坏区（已发生）张拉破坏区（已发生）图9上台阶不同开挖距离条件下掌子面围岩塑性区演变情况 周小平：基于流固耦合的富水粉细砂隧道工作面失稳过程研究 211 4812162024283236400246810上台阶开挖距离/m27.6塑性区增加相对缓慢塑性区急剧增加塑性区增加相对稳定掌子面塑性区体积/103 m3图10上台阶不同开挖距离条件下掌子面围岩塑性体积情况 掌子面塑性区增长变化情况同样呈现三个阶段：第一阶段，随着上、中、下台阶的逐次开挖，掌子面的塑性区体积呈现出增大的趋势，但增幅较小，第一阶段结束后围岩总的塑性区体积为785.6 m3；第二阶段，随着上、中、下台阶及仰拱都已进入隧道，此时总的塑性区体积增长情况趋于稳定，每开挖 1.0 m 围岩的塑性区增长体积大致为 211.0 m3；第三阶段，当掌子面的上台阶开挖28.0 m 后，每一次开挖后围岩的塑性区增长体积迅速增大，由 28.0 m 处 4 789.1 m3增加至 36.0 m 处的7 631.5 m3，每开挖 1.0 m 围岩的塑性区增长体积大致为 348.0 m3，是之前的两倍左右。对挤出位移发生突变的位置进行拟合，结果显示：当上台阶开挖至 27.6 m 时，即距离富水粉细砂地层 2.4 m，围岩塑性区体积的增长情况就发生突变。这说明掌子面的坍塌失稳在进入富水粉细砂段围岩前就已发生。在泥岩内施工时，围岩的塑性区增长情况较为稳定，掌子面能基本保持稳定，而当施工地段接近富水粉细砂地层时，由于水流渗透及对围岩的软化，掌子面在靠近富水粉细砂围岩的过程中围岩迅速失稳，容易诱发掌子面的快速坍塌破坏。同时，从塑性区的演变规律来看，当上台阶掌子面开挖至距离富水粉细砂地层 2.4 m 之前（略小于基于掌子面挤出位移得到的围岩突变距离，在灾害防控过程中应取较大值，即 2.9 m），掌子面失稳的可能性较小，而当超过此距离时，掌子面失稳的可能性极大。从施工过程中掌子面的挤出位移和塑性区情况看，由于富水粉细砂围岩强度较低、抗扰动能力较弱，在掌子面靠近富水粉细砂地层过程中，富水粉细砂围岩便有可能在水的作用下发生破坏，涌向掌子面，造成掌子面的失稳破坏。根据对掌子面挤出位移和塑性区突变的位置进行拟合可知：在施工至距离富水粉细砂 3.2 m 时，掌子面就可能发生坍塌失稳事故，当隧道施工至此位置前，就应采取措施避免事故的发生。5 富水粉细砂地层预加固对策由于富水粉细砂自身强度较低，在掌子面开挖后，围岩可能迅速失稳坍塌，对施工人员及设备造成极大的安全威胁。为避免上述事故的发生，应考虑采用超前预加固的措施对前方富水粉细砂进行预先加固。现阶段，矿山法隧道常用的加固措施包括洞内帷幕注浆、洞内水平旋喷桩、管幕注浆法、地表垂直旋喷桩注浆法、注浆直接注浆加固法、冻结法。其中，管幕法、洞内水平旋喷桩施工进度较慢、成本较高，地表垂直旋喷桩和地表注浆加固目前尚无 100 m 以上埋深施工的成功案例，施工风险性大，冻结法施工难度、工期都极高，不适合该工程。综合考虑后，建议采取以洞内帷幕注浆为主的方式对掌子面前方软弱岩土体进行加固。6 结语本文采用流固耦合的计算方法分析隧道在由泥岩向富水粉细砂隧道施工过程中掌子面失稳的全过程，研究了掌子面挤出位移和围岩塑性区这两个关键特征因素在粉细砂隧道失稳过程中的演变规律。（1）隧道掌子面在由泥岩向富水粉细砂段围岩开挖过程中，掌子面的挤出位移和塑性区都将发生突变，掌子面挤出位移和塑性区的变化情况可作为判别掌子面是否可能发生失稳的关键指标。（2）从掌子面的挤出位移和塑性区的变化情况可看出，由于富水粉细砂围岩强度较低、抗扰动能力较弱，在隧道掘进至富水粉细砂段围岩前，富水粉细砂围岩便有可能在水的作用下发生破坏，涌向掌子面，造成掌子面的失稳破坏。（3）根据对掌子面挤出位移和塑性区突变的位置进行拟合可知：在施工至距离富水粉细砂3.2 m 时，掌子面就可能发生坍塌失稳事故，当隧道施工至此位置前，就应采取措施避免事故的发生。（4）结合各种预加固措施的特点和效果，建议以洞内帷幕注浆为主的方式对富水粉细砂段围岩进行超前预加固，以确保施工安全。参考文献(References)：1 谢毅,徐正宣,陈明浩,等.山区铁路隧道超长定向钻探关键技术研究 J.铁道工程学报,2022,39（8）:1 5,11.XIE Y,XU Z X,CHEN M H,et al.Research on the key technology ofultra long directional drilling in railway tunnel in mountainous area J.路基工程 212 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）Journal of Railway Engineering Society,2022,39（8）:1 5,11.2 陈秀雯,刘家奇,张浩,等.西南地区岩溶富水隧道坍塌力学机理及处治措施 J.科学技术与工程,2021,21（36）:15639 15645.CHEN X W,LIU J Q,ZHANG H,et al.Collapse mechanism andtreatment measures of karst water-rich tunnel in Southwest China J.Science Technology and Engineering,2021,21（36）:15639 15645.3 罗治国,张智健,李勇森,等.富水软弱围岩隧道塌方机理及治理措施 J.河南科技大学学报(自然科学版),2021,42（2）:59 64.LUO Z G,ZHANG Z J,LI Y S,et al.Collapse mechanism and treatmentmeasures of water-rich and weak surrounding rock tunnels J.Journal ofHenan University of Science and Technology(Natural Science),2021,42（2）:59 64.4 吴明先,刘瑞辉,王万平,等.地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构破坏及其控制措施研究 J.公路,2022,67（5）:237 243.WU M X,LIU R H,WANG W P,et al.Research on damage of ground-water to the initial support structure of deep buried soft surrounding rocktunnel and its control measures J.Highway,2022,67（5）:237 243.5 祁文睿,高永涛.公路隧道穿越软弱破碎围岩综合施工及监测技术研究 J.公路交通科技,2021,38（11）:88 96,105.QI W R,GAO Y T.Study on comprehensive construction and monitoringtechnology of highway tunnel crossing weak and fractured surroundingrock J.Journal of Highway and Transportation Research and Develop-ment,2021,38（11）:88 96,105.6 姚洪瑞.软弱围岩大断面隧道光面爆破 J.爆破,2020,37（2）:42 47.YAO H R.Smooth blasting for large cross-section tunneling in weaksurrounding rocks J.Blasting,2020,37（2）:42 47.7 管连永,尚明源,李化云.富水高压隧道掌子面涌突水稳定性研究 J.西华大学学报(自然科学版),2021,40（4）:108 112.GUAN L Y,SHANG M Y,LI H Y.Study on the stability of water inrushfrom the tunnel face in water rich strata J.Journal of Xihua University(Natural Science),2021,40（4）:108 112.8 邓思远,杨其新,蒋雅君,等.FLAC3D 流固耦合渗流模型探讨 J.隧道建设,2016,36（2）:179 185.DENG S Y,YANG Q X,JIANG Y J,et al.Discussion on seepage modelbased on FLAC3D solid-fluid coupling J.Tunnel Construction,2016,36（2）:179 185.StudyonInstabilityProcessofWorkingFaceinWater-richSiltyFineSandsBasedonFluid-SolidCouplingZHOU Xiaoping（China Railway 18th Bureau Group No.3 Engineering Co.,Ltd.,Zhuozhou 072750,Hebei,China）Abstract:Based on fluid-solid coupling numerical algorithm,and relying on Taida Village Tunnel in water-richsilty fine sands of the ChinaLaos Railway,started with the extrusion displacement of the working face and thedevelopment of surrounding rock plastic zone,the instability process of the working face from mudstone to water-rich silty fine sands section is analyzed.The result shows that,because the surrounding rock in water-rich siltyfine sands is of low strength and weak capability of anti-disturbance,the working face where tunneling in the frontof the section in water-rich silty fine sands may be subject to instability disaster.Combined with the reinforcementmeasures and the features of surrounding rock in water-rich silty fine sands,the countermeasure of pre-reinforcement of surrounding rock was proposed.Key words:water-rich tunnel；weak and dangerous rock；disaster prevention and control；pre-reinforcement；settlement observation；stability周小平：基于流固耦合的富水粉细砂隧道工作面失稳过程研究 213