基于流固耦合理論的阿嘎下隧道圍巖位移影響分析

段克思 劉海明 郭偉

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

21世紀(jì)以來，雖然我國公路隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴大，但是存在著節(jié)理發(fā)育、圍巖破碎、斷層發(fā)育、高地應(yīng)力、地下水、突水突泥等一系列不良地質(zhì)問題，將導(dǎo)致隧道開挖面不穩(wěn)定，巖體更容易塌方，襯砌難度大，特別是公路隧道處于富水區(qū)強風(fēng)化巖層[1-3]。本文以阿嘎下隧道為工程背景，對云南地區(qū)富水強風(fēng)化巖層的公路隧道在流固耦合作用下對隧道襯砌的穩(wěn)定性進行研究，基于滲流理論研究固體與液體相互作用，結(jié)合數(shù)值模擬分析阿嘎下隧道圍巖的穩(wěn)定性，提出有針對的處理措施。研究結(jié)果可推廣應(yīng)用于阿嘎下隧道中，解決公路隧道富水區(qū)開挖、不同土層界面的風(fēng)化巖層開挖施工問題，為隧道施工提供科學(xué)依據(jù)，同時為類似的公路隧道提供理論、數(shù)值模擬及施工支撐。

1 基本參數(shù)及模型的建立

本文依托阿嘎下隧道的工程概況，運用MIDAS GTS NX建立合理的三維模型，模型圍巖等級為V級強風(fēng)化糜棱巖，采用CRD開挖法對阿嘎下隧道進行模擬開挖，同時采用CRD法比較考慮流固耦合與為未考慮流固耦合時地表沉降的差異?；緟?shù)如表1所示。

表1 阿嘎下隧道物理參數(shù)

模型計算區(qū)域：隧道平均埋深取35 m，地下水位線高度取95～105 m，為了消除邊界條件的影響，從隧道開挖區(qū)域向兩側(cè)各取略大于5倍的洞徑，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸橫向長240 m，豎向高116～126 m，縱向沿隧道軸線方向長140 m，CRD開挖劃分343 189個單元和236 369個節(jié)點，在提取數(shù)據(jù)時，為了消除隧道軸線方向邊界影響，提取模型軸向區(qū)間80～100 m段(模型中心區(qū)間20 m)結(jié)果作為研究依據(jù)，計算模型如圖1所示。

圖1 隧道模型網(wǎng)格圖

邊界約束：為避免模型形成臨空面，導(dǎo)致模型無法分析計算，考慮流固耦合時，在施加靜力約束的同時，根據(jù)勘探水位條件，在模型兩側(cè)施加總結(jié)點水頭95～105 m[4-7]。

阿嘎下隧道在開挖時，開挖隧道周圍的土層被嚴(yán)重破壞，則必然會造成隧道周圍的土層由于外界作用產(chǎn)生的擾動而變形，應(yīng)力重新分布[8]，因此在CRD開挖法開挖阿嘎下隧道中，對開挖圍巖變形監(jiān)測至關(guān)重要，而開挖隧道地表位移監(jiān)測是反映圍巖變形的關(guān)鍵參數(shù)。圖2為布置在距兩隧道中心左右各80 m(每2 m布置一個監(jiān)測點)地表監(jiān)測示意圖。

圖2 地表位移監(jiān)測示意

使用高密度電法視電阻率成像技術(shù)對阿嘎下隧道進行成像處理，阿嘎下隧道視電阻率成像圖中紅色和橙色區(qū)域為相對高阻區(qū)，代表巖體相對致密，完整性好，含水量小[9]；綠色和藍色為相對低阻區(qū)，代表巖體含水、松散破碎或裂隙含水帶:視電阻率分布不均的，表示巖體物性差異大，推測為巖體構(gòu)造發(fā)育，松散破碎;視電阻率橫向分布均勻，垂向呈層狀遞增的，表示巖體物性均一，無構(gòu)造發(fā)育，巖體僅表現(xiàn)為其風(fēng)化程度由淺到深逐漸減弱的自然規(guī)律，如圖3所示。

圖3 阿嘎下隧道高密度電法視電阻率成像

2 CRD開挖方式及開挖主要步驟

CRD模擬開挖主要步驟：拱部超前支護→左側(cè)上部開挖①→左側(cè)上部初期支護→左側(cè)下部開挖②→左側(cè)下部初期支護→右側(cè)上部開挖③→右側(cè)上部初期支護→右側(cè)上下部開挖④→右側(cè)下部初期支護→分段拆除臨時支護→仰拱及回填施工→重復(fù)上面步驟，直到開挖結(jié)束。開挖進尺為0.6 m，臺階長度為8 m。開挖示意圖如圖4所示。

圖4 CRD法開挖示意

阿嘎下隧道進行模擬開挖時，采用左右線同步開挖，同步開挖對圍巖的擾動更大[10]，研究同步開挖下圍巖穩(wěn)定性的規(guī)律并根據(jù)模擬的結(jié)果選取CRD開挖法對開挖圍巖穩(wěn)定性影響相對較小且經(jīng)濟的開挖方式，對隧道工程施工具有借鑒和指導(dǎo)意義。

3 流固耦合工況下阿嘎下隧道圍巖位移影響分析

根據(jù)圖2監(jiān)測點的布置，在隧道軸線方向選取坐標(biāo)為(-80,80,121)～(80,80，121)布置地表監(jiān)測點，阿嘎下隧道在未考慮流固耦合作用下，采用CRD開挖法，隧道間距分別為1、2、3、4、5d(d為隧道凈寬)時，隧道不同注漿圈左線與右線同步開挖地表沉降量如圖5—圖9所示。

圖5 CRD開挖法隧道間距1 d地表沉降量

圖6 CRD開挖法隧道間距2 d地表沉降量

圖7 CRD開挖法隧道間距3 d地表沉降量

圖8 CRD開挖法隧道間距4 d地表沉降量

圖9 CRD開挖法隧道間距5 d地表沉降量

在考慮流固耦合的情況下，在隧道注漿圈保持不變的情況下，CRD開挖數(shù)值模擬結(jié)論如下：對比圖5—圖9進行分析發(fā)現(xiàn)，隧道注漿圈保持不變時，地表最大沉降量隨著開挖間距增大而減小，開挖間距為1～3d時，地表沉降量最大值在兩隧道之間中心位置，沉降曲線成“尖U”形，開挖雙洞形成的沉降曲線近似等效于開挖一個更大凈寬單隧道所形成的沉降曲線，同時地表沉降量離原點越遠，沉降越小，最終趨近于0 mm；開挖間距離為4d時，地表沉降曲線成“平底U”形，最大沉降量和5d間距時沉降量相差近30.8%；開挖間距離為5d時，地表沉降曲線成“W”形，地表最大沉降值在隧道拱頂對應(yīng)的地表處，偏離隧道越遠，地表沉降越小，最終趨近于0 mm；從圖中-80 m至80 m范圍，中間區(qū)域隨著隧道間距的增加，地表的沉降量減小，兩邊區(qū)間隨著隧道間距的增加，地表的沉降量增大，這是由于左線和右線中間區(qū)域沉降量相互疊加產(chǎn)生，表明隧道間距越小，開挖后相互影響較大，隧道間距越大，相互作用越小。但從施工便捷、低運輸角度，隧道間距越小越有利，因此綜合考慮選取隧道間距為3d較為適宜。

注漿圈分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5d時，隧道在不同開挖間距左線與右線同步開挖地表沉降如圖10—圖14所示。

圖10 CRD開挖法0.1 d注漿圈地表沉降量

圖11 CRD開挖法0.2 d注漿圈地表沉降量

圖12 CRD開挖法0.3 d注漿圈地表沉降量

圖13 CRD開挖法0.4 d注漿圈地表沉降量

圖14 CRD開挖法0.5 d注漿圈地表沉降量

在考慮流固耦合的情況下，在隧道間距保持不變的情況下，CRD開挖數(shù)值模擬結(jié)論如下：對比圖10—圖14分析發(fā)現(xiàn)，在隧道距離保持不變，0.1d注漿圈引起地表沉降量最大，0.5d注漿圈引起地表沉降量最小，地表最大沉降量隨著注漿圈的增加而減??；0.3～0.5d注漿圈的沉降量曲線相差不大，并且引起的沉降量相對0.1～0.2d注漿圈引起的沉降較小，但是從低耗能、經(jīng)濟環(huán)保角度考慮，注漿圈厚度越小越好，綜合考慮CRD開挖法在流固耦合工況下建議注漿圈范圍0.3～0.4d較為適宜。

流固耦合作用下不同隧道間距不同注漿地表最大沉降量如表2所示。

表2 流固耦合作用下不同隧道間距不同注漿圈地表最大沉降量 mm

對表2數(shù)據(jù)分析表明：隧道間距1d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-23.5 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-20.2 mm，沉降差3.3 mm；隧道間距2d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-19.6 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-17.9 mm，沉降差1.7 mm；隧道間距3d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-18.4 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-16.9 mm，沉降差1.5 mm；隧道間距4d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-16.8 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-15.5 mm，沉降差1.3 mm；隧道間距5d時，地表最大沉降量為0.1d注漿圈-16.3 mm，最小沉降量為0.5d注漿圈-15.3 mm，沉降差1 mm。在流固耦合作用下，隨著注漿圈和開挖間距增加，沉降差從3.3 mm減小至1 mm，充分表明控制好注漿圈厚度和開挖間距能減小開挖引起的沉降。

4 考慮流固耦合與未考慮流固耦合地表位移對比

根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)開挖間距在3～4d，注漿圈為0.3～0.4d時最為適宜，所以采用CRD法對間距3d，注漿圈分別為0.3、0.4d，考慮流固耦合時與未考慮流固耦合時地表位移進行對比。對比結(jié)果如圖15—圖16所示。

圖15 CRD法0.3 d注漿圈3 d隧道間距

圖16 CRD法0.3 d注漿圈4 d隧道間距

由上圖可知，在流固耦合的工況下，地表沉降更大，因此要特別注重在富水區(qū)地下水的影響，適當(dāng)?shù)脑黾幼{圈和開挖間距能有效的減少開挖引起的地表沉降。

5 討論

通過對上述文章分析以及查閱相關(guān)文獻，現(xiàn)對地表下沉原因進行討論：

(1)強風(fēng)化糜棱巖具有極易破碎的工程性質(zhì)，在考慮流固耦合的情況下，應(yīng)當(dāng)考慮孔隙水壓力對土層的影響。對隧道進行開挖時會對土層有較大的擾動，并且在開挖面的部位受孔隙水壓力影響較大，從而影響土體的骨架，這會使得土體處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致土體固結(jié)沉降上升[11]。

(2)隧道間距對地表沉降有較大的影響，類比土力學(xué)中的地基附加應(yīng)力來進行討論，當(dāng)隧道間距由大變小時其對另一個隧道來講其附加應(yīng)力隨距離減小而增大。不僅是距離遠近會導(dǎo)致地表沉降出現(xiàn)差異性，幾何位置的對稱與否、邊界條件的設(shè)立對沉降也有較為明顯的影響[12]。

(3)從建模角度上來講，當(dāng)在模型兩側(cè)施加總節(jié)點水頭時，使該土層具有一定黏性土的性質(zhì)，黏性土具有膠體的特性，黏性土在沉降過程中會在其表面生成多種類型的孔隙水，在工程擾動下一部分弱結(jié)合水處于流動狀態(tài)，隨著土體內(nèi)孔隙水的排出，這就導(dǎo)致了土體體積的變小，從而使土體沉降壓縮，這也就說明了為什么考慮流固耦合時土體發(fā)生的壓縮比未考慮流固耦合時發(fā)生的土體壓縮要大[13]。

(4)無論是從考慮流固耦合還是未考慮流固耦合的情況來講，開挖土體的沉降變化規(guī)律在一定程度上具有一致性；開挖基坑周邊地表沉降、基礎(chǔ)沉降、支護變形與剪切的變化趨勢相一致[14]。

6 結(jié)論

(1)在考慮流固耦合的情況下，通過控制變量法對注漿地表沉降量進行分析時，通過控制隧道間距保持不變的情況下探討了不同尺寸的注漿圈對地表沉降的影響，結(jié)果表明較小尺寸的注漿圈引起的地表沉降較小，但綜合考慮CRD開挖法在流固耦合工況下建議注漿圈取0.3～0.4d較為合適。

(2)在考慮流固耦合的情況下，通過控制變量法對注漿地表沉降量進行分析時，通過控制隧道注漿圈保持不變的情況下探討了不同間距對地表沉降的影響，結(jié)果表明開挖間距較小時，地表沉降相對而言較為明顯，當(dāng)開挖間距逐步增大，地表中心沉降量相對減小，綜合考慮現(xiàn)場情況及施工便捷等因素，當(dāng)間距取3d時較為適宜。

(3)在考慮流固耦合的情況下，注漿圈與開挖間距的增加會使地表沉降量有明顯的減小，因此控制注漿圈與開挖間距能有效的控制地表位移。

(4)地表沉降在考慮流固耦合時其沉降表現(xiàn)與未考慮流固耦合時有明顯的差異性，考慮流固耦合的地表沉降其沉降表現(xiàn)更為明顯，所以應(yīng)當(dāng)特別注重工程在富水區(qū)段進行施工時的地表沉降問題。