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某隧道流固耦合分析

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26苍 3 j9J 天津建设科技 市政公用建设 2016 6』j TiHniin(: islru(qi()II S(’iell( P ̄111d r ( }lllnhIgy Mmfi(dlial all(I I)iil)li ̄ (Il1nHlrI1(・lion 某隧道流固耦合分析 口文/朱亚坤 摘 要:依据FLAC一31 )数值分析软件模拟岩体渗流的流固耦合机理,建立了裂隙岩体 隧道等效渗流分析模型,对某隧道围岩的稳定性进行了数值模拟 对比分析了 不考虑渗流场条件下和考虑流固耦合作用下隧道围岩稳定性和结构受力:对围 岩的变形及其应力和支护结构的内力分布规律进行了分析,对隧道安全作出了 初步评价。结果表明,不考虑渗流场条件下隧道周边的位移和应力,要小于考虑 流固耦合作用的结果,耦合场作用要比不考虑渗流场条件下危险,应力场和渗流 场的耦合作用不容忽视 关键词:渗流场;流固耦合;数值模拟;隧道 1工程概况 续表1 某隧道下穿越河,轴线走向 黄河河床走向 制籽I 掸卡蜒 fl,l松 壤 擦 t 度/ 渗透 渗透常 -类J  |比V (・} 们 / (kN‘ 系数/ 数f(Iil:・ fLI率 CJ; 6()。火 ,穿越}I1』J术段约230 FI1,丁黄河河 I术下70 Ill左 ( I I| kI “ (。) HI ) (Ill・H’) I’Il・ ・ 1 f‘处通过,穿越河段百年一邋流 6 099.8 mS/s,断『fI『 卜部 64 0.30 650 35 22.() 10… 1 96 X ll( 96 X .)’ ().J(】 均流速为3.0 m/s,受其影响,隧道内地下水源补给允址 帷鼎 浆史护 3 2 0.32 700 38 21.() 1 97× 1—— 97 X —— ()… lI‘水化线以I 仅145 Ill, 余l 053 m均为水位线以下 (4lil) l() l()1 2 ,按设 ‘资料 l,】 ,开挖施 t,令隧道总涌水{ 叮 i().1 7 f).1 7 21.() 2 l2 X 2.12× ———— 凝Inj{'71  225 .l() l() 0.08 丛5 000~8 000 n】 hll |C25 29次衬砌 5 0.17 ().1 7 25.0 2.l()62 X 2. 1()062×  ().05 卡l{撕隧道『f;I 地质条什介 ,… 以 枚状板 化r‘枚 为主,遄水软化、遇风丌裂, 、裂 3数值计算 隙发育,受地F水影响JXl险很大。 3.1数值分析模型 此,隧道地下水施r控制,关系刮地下水环境保护、 汁箅模型取隧道轴线 阳为yj=fII,水 隧道施I 安拿 、结构使用安令与耐久性的 大 题。 隧道轴线 向为.)(轴,铅“向f 方阳为 轴, 个汁钟: - lA(: 模拟柑土材料流同耦合问题 "rl『的II『 模,Il』 .)(、y、 个力 向 寸为40 I'll X 3 m x 105.5 Ill 性 被 力 界认r,『’本义采HJ该软件进行模拟汁 陔模, 削分r 3 889个 冗,5 576个1 点, f l, 铆:址I,ff 2岩石物理力学参数 根据地质勘察和 ¨ 院提供的参数分析报告,取 得 体 _小物 J学参数。 的透水率、L丫1.位【I发水 嗣1渗透系数f{1钻孔 水试验、简易提水试验和 I-K ̄Il 抽水试验扶墩,得知 层的孔隙率和渗透系数均较低, JJil 的/,J 参数依掂卡f1天义献提商,材料参数 表1。 表1材料参数 卡1:I 弹棋 泊松 朴聚 撩 最度, 渗透 渗透常 孔 类J / 比’, 力 / 角‘p/ fkN‘ 系数/ 数i(m ・ 牢 f Pd kP o) ITI一 (Ill・s—l】 l’a・一’・s-I) 图1隧道计算模型 J风化  ()4 ().39 10 40 l 900 3.10 5 X 35×l0。’ 【】.3_2边界条件 ..35 l 2 5 ()36 450 30 1 980 7.1087 X 7.87× ()2 1位移边界条件 .l( 25 隧道汁箅模 位移边界条件采川I t 化移约 底 ”) 2 2 5 ().36 550 32 20.2 I.l0 72× 1.l【72× 】 0-2O 邴边 ,1 部边界为 『I{边 , 端采川水 },.化移 24 市政公用建设 MiIII1(‘ipal all(1 I'ublie Con ̄tru{‘tion 约柬j ._沿隧道纵m 测结果,以便作参号,见表2 表2周边位移计算结果 mm 二.二渗流边界条件 1顺面为¨南地下水面;固定孑L隙水乐力为220 kPa一 2)模型各点的初始水压力等于陔点处的静水水头; ——计算h’案 1 水平收敛 j 拱顶下沉 1 仰供隆起 1 L——————————————————0——————————————————— ——————————————————r————————————————1 }卜非耦合情况F f ———————— —————ll ——————底面和侧边界为不透水边界。 3)排水边界设置、将排水口的内表面设置为排水 水 —一  ~~  一 嘶,隧道内排水沟设计高60 cm, 2。隧道的排水效  一通过采用将歼挖边界排水口处的孔隙压力值没为零 耦合情 64 十———————一—_1—————————  {7 }8 34 26 巾表2・ 厅…,辩马 情况下的收敛变形大于非耦 合情况下自O LIn:敛变彤 的方法来实现 水 .一一  \ , 图2隧道衬砌结构形式 3.3计算方案 计算中岩体为弹塑性材料,采用Mhor叫ot lOlllb屈 服准则,模拟J 两种方案。 方案一,不考虑渗流,采『}】全断面开挖,』{{实体结 构单元模拟初支混凝土层和二次衬砌混凝土层,同时 /f 将格栅钢支架单独考虑,而是将它的影响结合存喷 g寸混凝土巾进行考虑,提高相应的 ・、 值。分析采用弹 性模 ,心服准则采川莫尔一库仑准则。隧道模型拱 顶距模型顶部78 Ill,河『末L部为厚度约10一l5 nl的第 系松散堆积物孔隙潜水含水层.模型计算区域的河水 深l0 n ,拱顶水头总高度在100 II1左右,78 111 方的 体及河水n重以荷载的形式施加在计算模 顶部 (220 kPa) 方案二,号虑流同耦合作用,未施做注浆lJJfl间圈, 开挖支护强度同方案一。 4计算结果与分析 4.1隧道开挖后围岩的变形规律 为比较两种方案下各自周边 岩变形情况,在开 挖隧道周边布置一条水平测线,朋于比较水平收敛变 肜,在拱顶设拱顶下沉监测点: 为最大限度减少边界约束对汁箅结果的影响,选 取中间断面作为计算数据提取断面并附各测线和监测 隧道 挖并施做一次衬砌后,两种方案JF隧道 的位移 3一图6 5.498 9×l() ~一5 00()()×lI) 5 000 0×l(J~一4 00()0×10 4()o0(】×l()’~一3 O(X)【)x I【】 3 O(X1(】x l0~一2 0f)()0 x 10 2 nIW1 0 x l[1 ~I.(H×1 0 x 10 】00()《)x}(】~一00f】()() ()000()~1 000 0 x 10‘ 1.00()(1 x l【】~~!【】 )0×l1)‘ 2()(m(1 x 10 ~3 O(X)()×10 3()lm0×…~4()( )0×10 4()000 x lI ~5.(RX1 0×l0’ 5 00()f)x l(1~5 483 7 x f c】’ f_'工Jll .1¨J左为负 单位:m 图3非耦合情况下水平位移 702 5×10~一3 0000×1 3 00()(】×l0 ~一 (M)()()x 1 2.(W)(1 0×l(1 ~一l(】()()0×l l 00()【】x l00~【】00()0 0()(m0~1 000 0×I(】: l 00{】0 x 10~2 0【】0()x 10 2(W)(1 0×l0~3 m0 x I(1 3 O00(1 x 1()~3.693 7 x l0 _llJf__工JI 向左为负 单位:m 图4耦合情况下水平位移 7 244 9 x 10 ~一6.(H)()【1×l0 6 00()0 x l0 ~一400()0×I(1 4 000()×l0’一2 )(】0 x 1() 2 00()0 x l0 ~0 0()f)0 0.00()【)~!.0000 x l0 2.00()0×l0~4 0000×I(1 4( 抑0×l0~6000 0×l c1 6 000 0×10~~8.000(】x 1【】 8.000()x l0一~8 400 3×I1) IiIJ 1‘l土Jl 向F为缸 单位:m 图5非耦合情况下竖直位移 25 市政公用建设 第26卷第3期 天津建设科技 Munit‘ipal and Publk’Constuctrion  i— 1 l 3.395 0 x 10 —一3.000 0 x l( 一64l50 X l0 ~一6.000()×10、 一3.00O0x 1O ~一2.000 0 x l0 6.0000×l0 ~一4 000 0 x 10 一一2.0000 x l0一—一1.o000 x l0。 I.o000 x l0‘一0.o000 4.13000x l0 ~一2.0000×10 2.()0o()×l0 一0.0000 一0 0000~1.001)0 x l00 1 000 0x l00~2.o000×l0一: 0.0000 2.0000×1 2.()()O 0 x l0 ~4 0000×10‘ 4.000 0x 10s~6.0000x 10‘ 6.000 0 x 10-'~6.442()x 1 2.000 0 x 10 ~2.264 9×l00 卜为II:,向F为负 单位:m 图6耦合情况下竖直位移 单位:MPa 方案一,不考虑渗流影响时,竖向最大位移出现在 隧道拱顶,为7 mm;最大水平位移只有5.6 mm,水平收 敛1 1.2 mm,I叶J现在两侧墙中位置。方案二,考虑流固耦 合影响的情况下,隧道拱顶竖向位移为34 mm,隧道拱 底竖向位移为26 mm,最大水平位移只有32 mm,水平 收敛64 mm,出现在两侧墙中位置。这是由于裂隙水向 图9非耦合情况下剪应力分布 一1.3394×I —一1.250()x 10“ 1.250 0×1 —一1.00130×l0 1.O000 x 1 ~一7 500 0x 1( 7.5O00×1 —一5.fMW)0×10 5.000【】x 10 ~一2.500 0 x 10 2.500 0 x 1() ~0.0000 0.0000—2 50o 0×J0 2.5000×l0 ~5 000 0 x lO 5.000 0 x lO ~7 500 0×10 7.500 0 x l0 ~1.000 0 x 1 l 0o00×l0 ~1.2500 x 10 1.2500 xl ~1 385 8 x1 一-一临空面流动,使隧洞周边的位移都有不同程度的增加, 而位于隧道底板位置以下孑L隙水压力较大,产生很大 的位移,在考虑渗流场作用的流固耦合分析中,由于考 虑了隧道同岩的孔隙水压力的变化,围岩有效应力的 变化会使围岩孔隙率降低,从而导致更大的同岩位移。 计算结果表明考虑流固耦合影响的情况下,隧道周边 位移增加了4倍左右。 4.2隧道开挖后围岩的应力场分析 单位:MPa 图10耦合情况下剪应力分布 原岩处于 向稳定,由于人工开挖,导致初始的平 衡被打破,应力进行重分布,洞室周边嗣岩卸载,隧道 计算模型隧道挖通后中间断面围岩竖向应力和剪 应力见网7一图l0。 —表层应力降低。图8和图9是隧道垂直应力分布情况 表示,在隧道顶部和底部表面应力均为零。在隧道墙 中, 现了局部应力集中,非耦合情况下最大拉应力为 2.35 MPa,耦合情况下最大拉应力为2.79 MPa。图9和 图1O显示了隧道洞室周围的“双耳”应力集中关键部 2.355 2×l0 一2 2500×l 2 2500x l0 —一2.000 0x 1 2.0000×106—一1.7500×1 1.7500x l0 —一1.5000×l 一1.5()()0x l0 —一1.250 0 x 1 1.2500x l0 ~一1.0000×1fi, I.0000×】0 一一7.5000×l0 7 5000×10 ~一5 0000×l() 位,在两种方案下隧道的四角均出现了剪应力集中,非 耦合情况下最大处为0.64 MPa,耦合情况下最大处为 1.38 MPa。由于隧道所处位置处于微风化岩层中且埋深 一一5.0()()O×10 ~一2.500 0×l0’ 2 5000 x 1 ~00000 000()()~I.039 9 x 10 -较大,岩层的抗剪强度较低,使得隧道周边罔岩产生了 剪切破坏,形成了松动圈。 单位:MPa 图7非耦合情况下竖向应力分布 一考虑流固耦合时计算出的同岩应力一般比不考虑 流同耦合效应时的同岩应力要偏大一些,前者在竖直 方向的应力值比后者高20%,考虑流固耦合时同岩剪 2.79l 3×1 06—一2.5o00×l 2 5000×l0 20()()0 x l --2 o000×l0 —一1.500 0×10 1.500 0×l ~一1.0000×l 1.0000x l0 ~一5 0000×l0 一应力是不考虑流固耦合效应时的2倍。这是由于考虑 地下水的影响后,拱底和拱顶m现了拉应力增大,乐应 力也增大并且在拱顶上部一定范围内产生了一定程度 的应力集中。计算结果表明考虑流同耦合影响的情况 下,隧道周边围岩稳定性差。 4.3喷混凝土的应力 一5.0o()0x 10 ~00000 0.Oo0 0—5.()00 0 x l 5.Oo00x l0 一1.0000×l 1 000 0×10 —1.5000×l0 1.5O0 0 x l ~2.0000 x l0 2 0o00×10 ~2.409 6×l 单位:MPa 计算模型隧道挖通后中间断面喷混凝土层的第一 主应力和第三主应力分布见图1 1一图l4。 图8耦合情况下竖向应力分布 26 市政公用建设 Municipal and Public Construction 朱亚坤:某隧道流同耦合分析 第26卷第3期 —一1.8o0 0 x 此可见,在施T过程中必须注意墙角部位喷混凝土层 的是否会出现压坏现象,另外还要注意隧道仰拱中部 喷混凝土是否m现拉开裂缝。如果发现有裂缝,及时补 强,保证隧道施.[安全。计算结果表明考虑流固耦合影 响的情况下,初支受力提高明显,拉应力由0.017 MPa增 力口至0 1.16 MPa,压应力南1.8 MPa增力Ⅱ至0 5 MPa。 l 0 -、 ~ 1.806 5x 0 ~一l 6O00× ~一1.4o0 0 x O ~一l 2oo0× 0 —一1.o000× 0 ~一8.()()()0 0 ~6 000 0 x 0 一40O00× 0 ~2()()00× 0 ~~5.363 5 4.4隧道二次衬砌受力 计算模型中间断面隧道二次衬砌在模型开挖完成 后的主应力分布见图l5一图18。 0 O O O 0 O O 、 慝 0 ~一3(M)0 0 x l0 0 2 5000 xlO )0×l 0 —一2 0 ~一1.5o00 x 10 0 —一l 000 0×l0 0 , l 1、…●-fI v l 一1.038 9×l06~-1 000 0 x 10 1.【xM】0×1 8.0000 x l0 8 000 0×l0 6 0000×J0 一60000×l0 ~0.(州)0x l0 -4 0000 x 10 2(m 0×10 2 0000×lO ~O.()O0 O 00000~2.o(m 0×l0 2.oo0 0×10 ~3.009 9 x l【】 单位:MPa 图1 5非耦合情况下二衬最小主应力 -一3 g72 8 x 1 —~3 5∞0×l0 3.5()()0×l —一3.【xx】0×l0 3.()f)o 0 x l0 ~一2 5()00 x l 2.5I x】0 x J0 —一2.0000 x I()=^ 2 0oo0×10 一1.5OO 0×lO l 500 0 x l0“—一l 0000 x l I.000 0 x 10“—一5.(){)o0 x 10 5.000 0 x 10 ~0.000 0 0.0000—5.(Xx)0 x l0’ 5.000 0 x l0’~1.f××)0x l l()O0 0×】0 ~】.50{)0×l0 1.5()0 0 x l0 ~1.6l2 1 x lI)6 ■h . 一5 0000×1 -()4~0.()()00 .764 2 x l o4 r un¨ 单位:MPa 单位:MPa 图1 3非耦合情况下初支最大主应力 一图1 6耦合情况下二衬最小主应力 -5.068 2 x 1O 一-4. )o 0×l 4.000()×10 ~2 o00 0 x l0’ -3.430 3 x 10 —一3 M】0 x l0 3.0000x l0 一一2 5000×1O’ 2.5000 x lO 一2 000 0×10 2.0o00×10 —一1.5《Ⅺ0×10 1 5000×1 ~1 000 0x10 -2【wl00x 10 ~0.Ot)00 0 000 0—2.0000x 10 2 0000×l0 一4.0000 x l0 -4000()×10 ~6 (啪0 x 1O 6.0O00x 10 一8.Oo0 0 x l0 8.0()o0×l0 ~1.Oo0 0 x 1 l 0000x 10 5 0000 x l【r 5.()f)0 0 x l0 ~0.( :)()0 l 0(砌0 x l0 ~1.160 9×l0 0.0000~1.764 2×l0 单位:MPa 单位:MPa 图14耦合情况下初支最大主应力 图17非耦合情况下二衬最大主应力 _2,356 1 x 10 2.500 0×10 -2.500 0 x 10 5.000 0x 10 _5.0000 x l0’~7 500 0×10 _7.5000x 10 1.00()()x 10 Il(}(x)(】x 1 ~I 2500 x 1【 】1.250 0 x l0 ~1.500()×I(1 1 5000×10 ~1.7500 x l( 从图1I一图l4可以看出,非耦合情况下,喷混凝 土层的应力主要表现为压应力,最大压应力出现在隧 道两侧墙角,最大值为1.8 MPa,小于C20喷混凝土的 弯曲抗压强度l9.4 MPa,喷混凝土层的最大拉应力出 现在隧道仰拱中部,最大值为0.0l7 MPa;耦合情况下, 喷混凝土层的最大拉应力出现在隧道仰拱中部,最大 值为1.16 MPa,仍小于C20喷混凝土的抗拉强度1.7 MPa;最大压应力出现在隧道两侧墙角,最大值为5 MPa,小于C20喷混凝土的弯曲抗压强度l9.4 MPa。由 1.7500 x 106~2.000 0 x 10 2(M)o0×l0 ~2.2500x 10 r_2.2500×10 ~2.461 6×l0 单位:MPa 图1 8耦合情况下二衬最大主应力 27 市政公用建设 第26卷第3期 天津建设科技 Municipal and Public Conslrucliou 从图l5一图I8可以看【叶J,非耦合情况下,二次衬 砌的最大拉应力 现在隧道两侧边墙内侧和仰拱位 置,最大拉应力为0.3 MPa,最大压应力出现在两侧墙 性区厚度小;方案二,考虑了渗流场与应力场的流固耦 r ●T=韭 合作用,塑性区急剧增大,比不考虑地下水渗流作用时 隧道围岩的塑性区大很多,这种情况下,隧道此断面处 0 0 O 0 0 0 2 4 6 8 0 角应集中部位,最大压应力值为1 MPa;耦合情况下,二 次衬砌的最大拉应力 现在隧道仰拱位置,最大拉应 力为2.4 MPa,最大压应力出现在两侧墙角应集中部位 和两侧拱腰外侧,最大压应力值为3.8 MPa。二种工况 的最大拉压应力均小于护喷混凝土的最大拉压应力。 计算结果表明考虑流同耦合影响的情况下,二衬受力 同岩的自稳性较差,开挖后应及时进行支护。考虑流固 耦合影响的情况下,隧道周边围岩稳定性差,按耦合条 件下的塑性区来考虑设计,更符合实际。 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 5结论 对于有地下水流作用的,特别是存在高地下水位 作用的河床底部地下隧洞的开挖将引起地下水的流 动,改变地下水渗流场的分布,从而对洞室的稳定性带 提高明显,拉应力由0.3 MPa增加到2.4 MPa,压应力由 1 MPa增加到3.8 MPa。 施做二次衬砌后,二次衬砌的受力显著,说明在软 弱嗣岩地层中,二次衬砌也是隧道的主要承载结构。 4.5渗流场结果分析 来影响,使得洞室周边的位移和衬砌支护的受力增加, 隧道同岩的塑性区增大很多,因此在有地下水作用地 区隧洞的开挖和支护,必须考虑地下水渗流作用的影 响,进行流固耦合分析,应设计合理的方案(拟采用帷 幕注浆堵水,降低周嗣嗣岩孑L隙水压力),以保持洞室 同岩的稳定和洞室施1二的安全,这样才能与T程实际 取耦合情况下的渗流场进行分析,由初始条件确 定,隧道开挖前同岩处于饱水状态,顶部地表为自由界 面,固定孔隙水压力为300 kPa,左右边界和底部边界 不透水,因此,隧道开挖前围岩孑L隙水压力为静水压 力,见图19。隧道开挖后,认为地下水在隧道开挖区域 的排水边界上为自由透水边界,围岩渗流场发生改变。 隧道做二次衬砌后同岩孑L隙水压力见图20。 .情况相吻合,在结构设计研究中,应力场和渗流场的耦 合作用不容忽视。 口■ 0000×l0 O.(】(}0 0—9.0000 x l 0 ~3.0oo 0 ~5 000 0 1.8o00×l0 ~2.7000 X l() 3.6000 x l0 一4 500 0×】0 5 4000x l0’~6.3o00 X l 7.2O00×l0 ~8.IO0 0×l0 9.O000X 10 ~9.9000 X lfr 0 ~7.000 0 0s~9.0000 0 ~1.100 0 1.3o00 一0 ~1 5000 0“~l 7oo 0 0 ~l 9000 2l00 n ~一1.0800×10 ~l l700 x I()f ’I.260 0x 10 一1.3500 X l0 ■ 参考文献: 【11张有天.岩石水力学与【程【M】.北京:中国水利水电Ⅲ版辛f:, 2005. 1.440 0×1 —1.53{)()×l 1.620 0 x l0 ~I.710 0x l0“ 1.8o00×l0 ~1.887 4 X 1()I 2.186 5 图19隧道开挖前 图20隧道做二次衬砌后 【2】郑少河.裂隙岩体渗流损伤耦合模型的理论分析lJJ.岩石力学 与T程学报,2001,20(2):156—159. 【3】王恩志.三维裂隙网络渗流数值模型研究【J】.T程力学.1997, (S2):520-525. 子L隙水压力 孔隙水压力 通过分析可以发现,考虑流固耦合未注浆堵水的 情况下,隧道开挖后,隧道闱岩周边渗流场发生明显的 变化,地下水发生了渗流,在隧道周围形成降水漏斗。 隧道同岩的孔隙水压力下降,然后上升,最后达到稳定 平衡状态,在保持衬砌排水的情况下,达到1.0 MPa左 右,衬砌外水压力较大,拟采用帷幕注浆堵水,降低隧 道周边围岩水压力;同时排水口处孑L隙水压力最小,地 口中图分类号:U451 口文献标识码:C 口文章编号:1 008—31 97(201 6)03—24—05 口DOl编码:10.3969/j.issn.1008—3197.2016.03.009 下水流动矢量表明,隧道开挖后地下水在压力水头作 用下向开挖隧道内渗透,渗水多发部位主要集中在拱 脚和边墙处,这些部位是隧道防排水施T中的重点部 位,与实际较相符。 4.6塑性区分布 口收稿日期:2015—12—22 口作者简介:朱亚坤/男,1 984年出生,工程师,硕士,天津市地下 铁道集团有限公司,从事工程技术管理工作。 方案一,不考虑地下水渗流作用时隧道罔岩的塑 28 

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