基于流固耦合的隧道一側(cè)溶洞對鐵路隧道的穩(wěn)定性研究

林中川

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400041）

隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)展及規(guī)模的擴(kuò)大，為方便出行，交通行業(yè)的發(fā)展尤為重要。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，一些簡單易攻克的問題已經(jīng)得以解決，但是一些復(fù)雜的問題還在繼續(xù)研究中，巖土工程就是其中重要的一部分。隨著巖體工程技術(shù)的快速發(fā)展，巖體工程的規(guī)模和深度都在不斷增長，需要更加重視多場耦合問題的求解研究。巖體存在于地質(zhì)條件中，在地質(zhì)條件中存在著初始地應(yīng)力、地下水的作用，巖石中化學(xué)物質(zhì)對圍巖的作用等，這些條件的相互作用，改變了原有的地層條件。在地下水豐富的地區(qū)，由于地下水的作用，在巖石中會(huì)形成溶洞、溶縫、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。若工程設(shè)計(jì)在地下水豐富的地區(qū)，就需要采用降低圍巖等級的辦法使隧道結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠，但是現(xiàn)階段這一方式主要還是依賴于一些工程經(jīng)驗(yàn)，缺少理論的分析。何川[1]根據(jù)重慶主城的過江排水隧道，采用流固耦合的計(jì)算方法，運(yùn)用有限差分理論，研究過江隧道在應(yīng)力場與滲流場的耦合作用下裂隙巖體的變化規(guī)律；黃鑫、李術(shù)才[2]等通過屬性數(shù)學(xué)理論建立了隱伏溶洞與隧道巖層間安全厚度風(fēng)險(xiǎn)評估的屬性識別模型，用于開展隱伏溶洞與隧道巖層間安全厚度危險(xiǎn)性分級，確保隧道工程施工安全。

1 理論的選用

選用的數(shù)值模擬軟件為FALC3D，其理論基礎(chǔ)為有限差分，將描述滲流問題的微分方程用各階導(dǎo)數(shù)的差商來代替，邊界條件也轉(zhuǎn)換為差分的形式，這樣就把微分的求解就轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程組的求解。

2 數(shù)值計(jì)算與分析

2.1 依托工程概況

本隧道位于重慶市彭水縣高古鎮(zhèn)境內(nèi)，最大埋深約350m，隧道全長5408m，為時(shí)速120Km/h 電化鐵路單線軌道，隧區(qū)主要地層有土層、頁巖、灰?guī)r夾頁巖、角礫巖等。隧址區(qū)可溶巖分布廣泛，節(jié)理裂隙發(fā)育、地表溶蝕較為嚴(yán)重，全隧道地下水較為發(fā)育。巖溶形態(tài)主要有沿構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育的溶洞、溶縫和巖溶漏斗等，在隧道開挖過程中，經(jīng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，隧道洞身在約YDK211+900 右側(cè)探出一有壓含水溶洞。

2.2 計(jì)算模型

其中一種工況的數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示，水平方向取120m，豎向方向取60m，軸向方向取100m，溶洞位于隧道的右側(cè)，沿軸向50m 處。由于內(nèi)含水且存在水源補(bǔ)給，使溶洞內(nèi)有較高的水壓，溶洞周圍的孔隙水壓力為3MPa，在進(jìn)行滲流分析時(shí)，假定滲流分析邊界的左右邊界、前后邊界及下邊界均為不透水邊界，隧道內(nèi)表面為弱透水邊界。分析采用M-C 屈服準(zhǔn)則。

根據(jù)地勘資料報(bào)告可知，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，溶洞大小編號如表2 所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 溶洞大小編號

2.3 隧道拱圈特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力隨溶洞半徑的變化特征

為研究不同半徑溶洞對隧道拱圈特征點(diǎn)圍巖壓力的影響，繪制拱圈的拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳處的最大、中間、最小主應(yīng)力及剪應(yīng)力的影響變化曲線。隧道軸向50m 處拱圈特征點(diǎn)圍巖壓力變化圖如圖2 所示。

圖2 隧道軸向50m 處主應(yīng)力變化曲線

由圖2 可知，溶洞大小變化對隧道左側(cè)圍巖主應(yīng)力影響較小。右拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著溶洞大小的增大，右拱腳的應(yīng)力也增大。拱頂應(yīng)力及仰拱底應(yīng)力在溶洞半徑較小時(shí)，其應(yīng)力值都小于右拱腳的應(yīng)力集中處，隨著溶洞的增大，拱頂應(yīng)力及仰拱底主應(yīng)力逐漸向右拱腳應(yīng)力值逼近，拱頂及仰拱底最大剪應(yīng)力在溶洞半徑為2.5m 時(shí)，三處的最大剪應(yīng)力值相近；溶洞半徑在大于2.5m 后，拱頂及仰拱底最大剪應(yīng)力超過右拱腳的應(yīng)力值。左拱腳及右拱腰處的主應(yīng)力值隨半徑的增大而增大，其增大的趨勢相同。

2.4 隧道拱圈特征點(diǎn)應(yīng)力沿軸向變化曲線

為研究隧道拱圈不同特征點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，選擇離溶洞最近的右拱腰及沿軸向同一水平線的點(diǎn)，另還選擇出現(xiàn)應(yīng)力集中的右拱腳作為分析對象，繪制出右拱腰及右拱腳的應(yīng)力分布曲線，如圖3 所示。

圖3 隧道右拱腰處軸向主應(yīng)力分布曲線

由圖3 可知，最大主應(yīng)力沿軸向變化分三個(gè)階段：（1）不受影響階段，溶洞大小的變化對隧道拱圈特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力變化沒有影響或者影響很??；（2）應(yīng)力減小階段，隧道沿軸向出現(xiàn)最大主應(yīng)力減??；（3）應(yīng)力增大階段，隧道沿軸向出現(xiàn)應(yīng)力變大的階段，拱圈特征點(diǎn)并在離溶洞最近的位置出現(xiàn)最大主應(yīng)力的最大值。

2.5 不同半徑充水溶洞作用下對圍巖位移分析

由于隧道右側(cè)有一含水溶洞的存在，在隧道右側(cè)的特征點(diǎn)的位移明顯大于隧道左側(cè)特征點(diǎn)位移。為分析隧道拱圈特征點(diǎn)圍巖位移隨溶洞大小變化特征，將隧道沿軸向50m 處的隧道橫斷面上特征位置的位移隨溶洞大小的變化曲線繪制如圖4 所示。

由圖4 可以看出：隧道右側(cè)充水溶洞對隧道的右側(cè)拱腰的影響最大，在溶洞大小為1.5m 時(shí)，右側(cè)拱腰水平位移達(dá)到-3.2mm，且隨著溶洞的增大位移發(fā)生明顯的增大，在溶洞大小為4m 時(shí)，右側(cè)拱腰水平位移達(dá)到-29.7mm；右側(cè)充水溶洞的增大對隧道拱圈其他特征點(diǎn)的影響較小，對隧道的左拱腰水平位移幾乎沒有影響，左拱腰水平位移隨著溶洞的增大保持在同一水平。

2.6 隧道拱圈特征點(diǎn)水平位移沿軸向變化曲線

由圖4 可知，右側(cè)溶洞隧道的豎向位移影響較小，水平位移影響較大，為分析溶洞大小的變化對隧道軸向水平位移的影響及水平位移的影響范圍，選擇了右側(cè)拱腰及左側(cè)拱腰處的水平位移作為分析對象，對比分析右側(cè)溶洞對隧道左右側(cè)水平位移的影響趨勢并繪制出左右側(cè)拱腰隧道軸向水平位移曲線，如圖5 所示。

圖4 隧道軸向50m 處位移變化曲線

圖5 隧道軸向拱腰處水平位移

從圖5 可以看出：右側(cè)拱腰處的水平位移有向隧道內(nèi)部移動(dòng)的趨勢，溶洞隧道附近的拱腰有正向的影響，使溶洞附近的水平位移大小增大，隨著溶洞半徑的增大，溶洞附近的拱腰也增大；當(dāng)溶洞半徑為1.5m 時(shí)，左側(cè)拱腰0 處的位移為-0.2mm，50m 處的位移-3mm，位移大小增大約15 倍；當(dāng)溶洞半徑為4m 時(shí)，左側(cè)拱腰0 處的位移為-0.8mm，50m 處的位移-45mm，位移大小增大約56 倍。隨著溶洞的增大，溶洞對拱腰處的水平位移影響越大，影響范圍也隨著溶洞半徑的增大而增大。

3 結(jié)束語

（1）隧道一側(cè)有溶洞時(shí)，溶洞對隧道的應(yīng)力影響沿隧道軸向大致成對稱分布，遠(yuǎn)離溶洞位置影響較小，靠近溶洞處影響較大；（2）隨著溶洞的增大，溶洞對隧道的主應(yīng)力影響大致成線形增長，溶洞越大，主應(yīng)力大小越大，且隧道拱圈各特征點(diǎn)的主應(yīng)力變化趨勢相近；（3）隧道一側(cè)有溶洞時(shí)，影響最大的是隧道離溶洞最近的位置且為水平位移的影響遠(yuǎn)大于豎向位移，溶洞對拱圈其他位置的水平位移影響較小。