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    基于流固耦合原理隧道穿越富水?dāng)鄬訋гO(shè)防長度研究

    2018-07-28 01:26:46張雨帆周佳媚周生波
    關(guān)鍵詞:富水拱頂滲流

    張雨帆,周佳媚,周生波,程 毅,余 樂

    (西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

    斷層是廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造,其巖體松散破碎,且多數(shù)富水性良好,是隧道建設(shè)主要地質(zhì)災(zāi)害源之一。分析歷年的突水突泥災(zāi)害案例發(fā)現(xiàn),每年因穿越斷層破碎帶而發(fā)生的突水突泥災(zāi)害在隧道突水突泥中占的比例很大,在富水?dāng)鄬悠扑閹У貐^(qū)修建隧道,由于地質(zhì)條件復(fù)雜和管理不當(dāng)?shù)纫蛩?,受地表水和地下水滲流影響,以及開挖支護(hù)過程中的擾動(dòng),極易發(fā)生突水、突泥,對隧道建設(shè)安全影響極大[1-3]。因此,研究隧道施工穿越富水?dāng)鄬訋r(shí)的力學(xué)特征具有一定的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。目前已有多位學(xué)者對此進(jìn)行了研究,Buhan[4](1996)等模擬了一套系統(tǒng)的滲流條件下巖土體穩(wěn)定性分析框架,通過自編數(shù)值程序來實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)滲流條件下淺埋圓形隧道開挖面的穩(wěn)定性分析;翁賢杰[5]通過數(shù)值模擬的方式,控制單因素變化,模擬研究了圍巖等級、地下水水位、圍巖滲透性等地質(zhì)因素對隧道突水突泥的影響,基于該理論研究結(jié)果,并總結(jié)國內(nèi)外成功案例,制定了一套合理的注漿治理方案;唐承平等[6]以大相嶺隧道工程為依托,通過數(shù)值模擬的方法,對比了考慮流固耦合與不考慮流固耦合時(shí)隧道開挖產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變,得出前者應(yīng)變比后者大9%~32.8%的結(jié)論;郭建強(qiáng)[7]將復(fù)合單元法應(yīng)用于斷層帶巖體滲流計(jì)算中,該方法巧妙地結(jié)合了等效模擬和離散模擬的優(yōu)點(diǎn),并基于復(fù)合單元法的基本原理和不連續(xù)巖體滲流復(fù)合單元法模型,編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。而根據(jù)研究表明[8],滲流力是隧道開挖掌子面失穩(wěn)的主要因素。

    雖然流固耦合在國內(nèi)外的研究成果豐碩,但是隧道穿越高富水?dāng)鄬訋У难芯窟€有待開發(fā)。由于隧道施工穿越富水?dāng)鄬?,則富水?dāng)鄬訒谒淼篱_挖過程中產(chǎn)生一個(gè)影響分區(qū),所以在施工過程中由掌子面逐漸靠近到穿越斷層最后離開富水?dāng)鄬拥冗@一系列過程中,施工和支護(hù)的工藝參數(shù)也將隨著開挖面與斷層帶之間距離的變化而不斷調(diào)整,因而有必要對富水?dāng)鄬訁^(qū)對隧道整體擾動(dòng)的支護(hù)設(shè)防長度進(jìn)行研究,優(yōu)化施工工藝參數(shù)。在本文中,將以FLAC3D內(nèi)置的滲流模型為基礎(chǔ),分析流固耦合作用下,不同工況隧道穿越在富水?dāng)鄬舆^程中施工擾動(dòng)機(jī)能影響,然后根據(jù)地質(zhì)資料和數(shù)值模擬結(jié)果選取合理工況,并得到斷層帶在此工況下的隧道支護(hù)設(shè)防長度,同時(shí),對不同斷層在不同傾角的隧道設(shè)防長度也進(jìn)行了分析計(jì)算。

    1 研究背景

    1.1 工程概況

    該公路隧道公路等級為高速公路雙向四車道,設(shè)計(jì)速度為100 km/h。其中一號隧道穿過低緩丘陵地貌區(qū),按左、右線分離布設(shè),為分離式長隧道。隧道建筑限界及內(nèi)輪廓如圖1所示。

    圖1 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓(單位:cm)

    隧道范圍發(fā)育 3 條斷層帶,編號分別為 F1、F2、F3,本文主要研究隧道穿越F2斷層帶的力學(xué)特征。F2斷層帶走向北西,產(chǎn)狀5°∠50°,巖體節(jié)理發(fā)育、破碎,局部巖石強(qiáng)風(fēng)化,可見斷層滑移面、階地、斷層角礫及斷層泥。主體沿溝谷地帶展布,寬10~30 m。隧道穿越F2斷層帶縱斷面如圖2所示。

    1.2 隧道穿越富水?dāng)鄬訋У湫蜑?zāi)害

    富水?dāng)鄬娱L期處于復(fù)雜地應(yīng)力場和滲流場的相互影響演繹,在隧道施工的過程中又受到土體開挖釋放荷載的應(yīng)力開挖場的影響,這3種應(yīng)力場不是簡單的線性疊加,而是一種復(fù)雜的耦合關(guān)系。在這種復(fù)雜的地質(zhì)狀況下,極易誘發(fā)復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害,所以對隧道穿越富水?dāng)鄬訋У娘L(fēng)險(xiǎn)評估和力學(xué)響應(yīng)等地質(zhì)機(jī)能研究很有必要。隧道穿越富水?dāng)鄬訋r(shí),由于斷層破碎帶處一般來說地層巖性較差,同時(shí)地下水豐富,在隧道施工工程中易引發(fā)突水突泥和洞頂塌陷、片幫冒頂?shù)榷喾N地質(zhì)災(zāi)害。在貴州三黎高速公路攀嶺隧道施工過程中,由于隧址雨水量大,而破碎帶節(jié)理發(fā)育充分巖體破碎,導(dǎo)致在隧道施工穿越不良地質(zhì)夾層的過程中發(fā)生了多次掌子面滲水,滲水過程中夾雜了塊狀和泥漬土顆粒等黏土,繼而引發(fā)了多次規(guī)模較大、時(shí)間較長且破壞力較廣的突水突泥,導(dǎo)致了多次的停工返工,給隧道施工和設(shè)計(jì)帶來了極大的困難和嚴(yán)重的損失。而在福建漳州梁山雙線鐵路隧道施工至某破碎帶1個(gè)月內(nèi)就先后發(fā)生4次大規(guī)模的突水突泥,總涌水量高達(dá)2萬m3,并導(dǎo)致地表出現(xiàn)1個(gè)25 m的橢圓形塌陷坑。由此可見,對這種富水且?guī)r性較差的斷層帶在施工擾動(dòng)下引起的一系列耦合機(jī)理研究是很有必要的。

    2 數(shù)值模擬

    2.1 建立模型

    以廣東揭陽某隧道為原型,選取了含斷層F2的隧道段進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)所得地質(zhì)資料,概化出如下三維地質(zhì)模型,該段隧道地層以花崗巖為主,地下水位線距離地表20 m。假設(shè)地質(zhì)模型頂部為零點(diǎn),從上至下依次分為如下4層:①全風(fēng)化花崗巖,0~14 m;②強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,14~21 m;③中風(fēng)化花崗巖,21~35 m;④微風(fēng)化花崗巖,35~75 m。地層具體力學(xué)參數(shù)見表1。

    參照上述地質(zhì)條件,利用有限元軟件ANSYS建立模型,并導(dǎo)入FLAC3D5.0,模型如圖3所示。模型尺寸為130 m×75 m×100 m,共有96 596個(gè)節(jié)點(diǎn),91 500個(gè)單元。其中,斷層寬度20 m,傾角74°。

    圖3 FLAC模型(藍(lán)色平面為水位面)

    2.2 流固耦合模擬

    FLAC3D可以進(jìn)行單純滲流問題的分析,也可以進(jìn)行流固耦合的分析。其計(jì)算過程可以簡化為圖4所示流程,左邊表示應(yīng)力場計(jì)算過程,右邊表示考慮滲流后的新增步驟。

    圖4 FLAC3D滲流求解流程

    FLAC3D軟件內(nèi)置有4種基礎(chǔ)的滲流模型,可以應(yīng)對一些基本的工程計(jì)算。然而,隧道開挖是一個(gè)復(fù)雜、循環(huán)往復(fù)的過程,既存在土體開挖卸荷,也存在引排水改變滲流場,且本工程實(shí)例還存在斷層帶,其物理力學(xué)、水力學(xué)等參數(shù)與周邊圍巖存在較大差異,難以直接根據(jù)用戶手冊提供來選取合適的滲流模型;與此同時(shí),使用FLAC3D進(jìn)行流體-固體的完全耦合分析通常需要耗費(fèi)大量的時(shí)間,而實(shí)際上并不是所有關(guān)于流體的問題都必須用完全耦合的分析方法進(jìn)行求解,很多情況下,可以使用不同程度的不耦合方法進(jìn)行簡化分析,加快計(jì)算速度。

    2.3 工況設(shè)置

    FLAC3D主要根據(jù)以下3個(gè)因素來進(jìn)行耦合分析方法的選擇[9-10]:

    (1)問題的力學(xué)時(shí)標(biāo)與擴(kuò)散特征時(shí)間之間的比值;

    (2)施加擾動(dòng)的屬性(流體擾動(dòng)還是力學(xué)擾動(dòng));

    (3)流體剛度與土骨架剛度的比值,稱為流固剛度比Rk

    (1)

    式中,M為流體的biot模量;K、G分別為土體的體積模量與剪切模量。

    根據(jù)流固剛度比Rk的大小,可以將流固耦合問題分為以下兩類。

    ①相對剛性骨架(Rk?1)

    這種情況下由于固體剛度較大,流體具有高壓縮性,因此可以不用進(jìn)行耦合分析。

    ②相對柔性骨架(Rk?1)

    這種情況下,土體的模量較小,流體不可壓縮,因此需要進(jìn)行耦合分析。

    根據(jù)以上3個(gè)因素,并結(jié)合本文工程實(shí)例,設(shè)置如下6種工況(表2),其中工況5與工況6作為對比工況,不設(shè)置斷層。

    3 結(jié)果分析

    3.1 FLAC3D內(nèi)置滲流模型對比

    表2中工況1~工況4為FLAC3D內(nèi)置的4種滲流模型。4種工況的初步對比如下。

    工況1:穩(wěn)定流分析計(jì)算,在本文中主要作為工況2的一個(gè)對比工況,來分析流體模量在隧道開挖時(shí)的影響。

    工況2:不排水固結(jié)計(jì)算,可以認(rèn)為隧道采用全堵水的防水系統(tǒng),且滲流達(dá)到平衡所需時(shí)間遠(yuǎn)大于開挖引起的擾動(dòng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間,故可以忽略滲流的影響。

    表2 工況設(shè)計(jì)

    工況3:不完全流固耦合的計(jì)算方式,主要適用于流體擾動(dòng),可以認(rèn)為是工況4的一個(gè)修正版。因?yàn)楫?dāng)流固剛度比Rk較大時(shí),工況4這種完全流固耦合的計(jì)算方法達(dá)到平衡所需時(shí)間較長[14],可以采用這種分步耦合的計(jì)算方法。由于本文Rk<20,故不對工況3進(jìn)行分析。

    工況4:完全流固耦合的計(jì)算方式,可以認(rèn)為隧道采用全排水的防水體系,且?guī)r體孔隙內(nèi)的水會相互滲流,直到達(dá)到孔隙水壓力的平衡。在FLAC3D中,工況4與工況2區(qū)別就在于是否考慮滲流。

    (1)工況1、工況2對比

    通過表2可知,工況1與工況2均不開啟滲流,二者的區(qū)別在于流體模量的大小,工況1將流體模量設(shè)置為0,不考慮流體的承載能力,工況2中流體模量為實(shí)際值,考慮了流體的承載能力。

    圖5為工況1與工況2斷面Z=50的豎向位移云圖,從圖5可以看出,工況2拱頂?shù)呢Q向位移比工況1要小11%,說明考慮流體模量時(shí),流體具有一定的承載能力。

    圖5 斷面Z=50處豎向位移云圖

    由于流體模量的不同,工況1與工況2的孔隙壓力也有很大的區(qū)別。圖6為工況1與工況2的孔隙壓力云圖。從圖6可以看出,工況1的孔隙壓力和初始孔隙壓力差不多,說明當(dāng)流體模量為0時(shí),隧道的開挖不引起孔隙壓力的改變;工況2中空隙壓力由于隧道開挖產(chǎn)生了較大的變化,并在拱腳處產(chǎn)生了較大孔隙壓力,可能產(chǎn)生突水突泥等工程災(zāi)害。

    圖6 斷面Z=50孔隙壓力云圖

    (2)工況2、工況4對比

    工況2與工況4的區(qū)別在于是否開啟滲流,當(dāng)開啟滲流后,巖體孔隙內(nèi)的水會由高壓區(qū)流向低壓區(qū),以此來達(dá)到孔隙壓力的平衡。

    從圖7工況4的位移云圖可以看出,由于土體孔隙內(nèi)流體的滲流作用,頂部遠(yuǎn)離隧道的地層也發(fā)生了較大的位移。工況4斷面Z=50處位移云圖由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“漏斗”形位移云圖疊加而成,漏斗的開口略大于工況2,且拱頂位移比工況2大19%。

    圖7 工況4斷面Z=50 m處豎向位移云圖

    圖8為工況4的孔隙壓力云圖。從圖8可以看出,開啟滲流后,工況4的孔壓云圖亦由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“漏斗”云圖疊加而成,且由于滲流作用,開挖后土體孔隙內(nèi)的水向隧道內(nèi)滲流,隧道拱腳不再存在孔壓應(yīng)力集中。

    圖8 工況4斷面Z=50 m處孔隙壓力云圖

    3.2 富水?dāng)鄬訋гO(shè)防長度

    隧道開挖時(shí),斷層破碎帶存在一個(gè)影響范圍,在影響范圍內(nèi),斷層破碎帶對隧道開挖具有較大的危害,因此引入斷層設(shè)防長度的概念來描述斷層對隧道開挖的影響。

    關(guān)于隧道穿越破碎斷層帶的設(shè)防長度,諸多學(xué)者對此都有過研究。耿萍等[11]通過動(dòng)力分析和振動(dòng)臺模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式,得出在動(dòng)力荷載情況下,斷層兩側(cè)設(shè)防長度為3.5倍洞徑;黃強(qiáng)兵、彭建兵等[12-13]以西安地鐵1號線斜交穿越地裂縫帶為工程背景,通過地裂縫活動(dòng)的大型物理模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬,得出了地裂縫上下盤的設(shè)防寬度。本文將通過表2中4種工況的對比,得出在滲流場作用下的斷層帶設(shè)防長度及部分參數(shù)對設(shè)防長度的影響。

    (1)富水?dāng)鄬訋гO(shè)防長度判定

    本文提取工況2、工況4、工況5與工況6的計(jì)算結(jié)果,以隧道開挖完后的最終變形和第三主應(yīng)力來分析斷層帶對隧道開挖的影響。

    ①位移分析

    提取4種工況中不同Z坐標(biāo)下拱頂與仰拱的最終位移,如圖9、圖10所示(其中圖9斷層帶范圍37~57 m,圖10為33~53 m):

    圖9 拱頂豎向位移隨Z坐標(biāo)變化曲線

    圖10 仰拱豎向位移隨Z坐標(biāo)變化曲線

    從圖9、圖10可以看出,對于隧道變形而言,斷層帶存在一個(gè)影響范圍,并且斷層帶內(nèi)的最終變形量遠(yuǎn)大于斷層帶影響范圍外的最終變形量。若以拱頂與仰拱的最終變形量為依據(jù),來判定斷層帶設(shè)防長度,可以得到表3結(jié)果。

    表3 以隧道位移為控制標(biāo)準(zhǔn)的斷層帶設(shè)防長度

    注:B為隧道寬度

    結(jié)合圖9、圖10以及表3可以得到以下結(jié)論。

    a.斷層帶對隧道開挖而言,存在一個(gè)影響范圍,可以用設(shè)防長度來量化該影響范圍;并且在流固耦合作用下的斷層帶上盤設(shè)防長度大于無流固耦合作用的設(shè)防長度,而下盤的設(shè)防長度二者差別不大。

    b.對于拱頂而言,考慮滲流的位移大于不考慮滲流的位移,而對于仰拱的位移,二者結(jié)果正好相反。分析認(rèn)為,工況4仰拱的位移剛開挖后較大,之后逐漸減小,說明仰拱下部圍巖內(nèi)的水通過滲流作用流入隧道內(nèi),釋放了一部分應(yīng)力,導(dǎo)致仰拱處的位移減小。

    c.從圖9的工況6曲線可以看出,拱頂位移隨著Z坐標(biāo)的增大而逐漸減小,說明工況6中的流固耦合計(jì)算還未完全達(dá)到平衡;經(jīng)多次試算發(fā)現(xiàn),F(xiàn)LAC3D計(jì)算流固耦合時(shí)若要達(dá)到平衡,需要非常多的時(shí)間步(計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)大于不考慮流固耦合的情況),由于對設(shè)防長度的分析影響不大,故不深入分析。

    ②應(yīng)力分析

    提取工況2與工況4斷層上下盤的拱頂最小主應(yīng)力,并以監(jiān)測點(diǎn)距斷層距離為橫坐標(biāo),繪制如圖11所示曲線。

    圖11 斷層上下盤拱頂最小主應(yīng)力變化曲線

    從圖11可以看出,無論是否考慮滲流,在靠近斷層的一定范圍內(nèi),拱頂?shù)牡谌鲬?yīng)力均隨著隧道斷面遠(yuǎn)離斷層而逐漸減小,且斷層上盤與下盤的值差距不大;工況4的最小主應(yīng)力值總體小于工況2的,說明流固耦合作用下,土體孔隙內(nèi)的水以滲流的形式流入隧道內(nèi),加大了應(yīng)力釋放。

    若以隧道拱頂最小主應(yīng)力為依據(jù),也可以得出斷層帶上下盤的設(shè)防長度,如表4所示。

    表4 以拱頂?shù)谌鲬?yīng)力為控制標(biāo)準(zhǔn)的斷層帶設(shè)防長度

    (2)斷層傾角對設(shè)防長度的影響

    以工況4為基礎(chǔ),斷層傾角為單一變量,統(tǒng)計(jì)不同斷層傾角下斷層上盤拱頂?shù)谌鲬?yīng)力的空間變化規(guī)律,如圖12所示。

    圖12 不同斷層傾角下的拱頂?shù)谌鲬?yīng)力變化規(guī)律

    從圖12可以得出以下結(jié)論:

    ①在斷層傾角為42°~90°時(shí),拱頂?shù)谌鲬?yīng)力的變化規(guī)律基本不變;

    ②除了42°的工況外,斷層上盤的隧道設(shè)防長度基本不變,均為1.5B,斷層傾角為42°時(shí),設(shè)防長度為2B,說明當(dāng)斷層傾角超過一定范圍時(shí),斷層設(shè)防長度增大;

    ③隨著斷層傾角的減小,設(shè)防區(qū)域外的拱頂?shù)谌鲬?yīng)力逐步增大。

    4 結(jié)論

    本文以廣東揭陽某隧道工程為依托,利用有限差分軟件FLAC3D模擬了隧道開挖穿越富水?dāng)鄬訋У倪^程,得出以下結(jié)論。

    (1)流固耦合是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,不同的滲流模型可以模擬不同的工程問題:工況2可以模擬隧道開挖后短時(shí)間內(nèi)的孔隙水壓力;工況4可以模擬流固耦合對隧道穿越富水?dāng)鄬訋У挠绊憽r體孔隙內(nèi)的流體具有一定的承載能力,應(yīng)當(dāng)考慮流體模量(當(dāng)流體穩(wěn)定滲流時(shí)可以不考慮流體模量)。流固耦合對地層的孔隙壓力、隧道變形及應(yīng)力等都具有一定的影響,且考慮滲流的情況下,隧道穿越富水?dāng)鄬訋У脑O(shè)防長度應(yīng)適當(dāng)增大。

    (2)不同斷層傾角下的隧道拱頂?shù)谌鲬?yīng)力變化趨勢相差不大,但是數(shù)值隨傾角的減小而增大,當(dāng)傾角為42°時(shí),在這種正向施工中斷層上盤的設(shè)防長度需適度增大。傾角小于42°的情況下,設(shè)防長度設(shè)置為1.5倍隧道寬度較為合適。

    (3)FLAC3D主要通過控制力學(xué)與滲流進(jìn)程開關(guān)的方式來模擬流固耦合,通過控制流體模量或流固剛度比來控制計(jì)算時(shí)間,因此合適的流固剛度比在模型計(jì)算時(shí)顯得尤為重要,關(guān)于流固剛度比與計(jì)算速度的關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究。

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