基于流固耦合理論的深埋小凈距隧道穿越富水破碎帶段施工方案優化*

何瀚，凌同華，毛瓊柳

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

基于流固耦合理論的深埋小凈距隧道穿越富水破碎帶段施工方案優化*

何瀚，凌同華，毛瓊柳

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

以浙江省溫州市大坪尾隧道為工程背景，基于流固耦合理論，利用FLAC3D軟件，通過對比不同施工方案下圍巖的豎向位移變化、中夾巖柱水平位移變化、應力場變化及圍巖塑性區變化等，優選穿越富水破碎帶段深埋小凈距隧道的最優施工方案。結果表明，飽水狀態下臺階法施工會產生較大位移變形及中夾巖柱處應力集中現象，核心土法施工和臺階-核心土法施工對圍巖穩定性的影響接近，但臺階-核心土法施工產生的塑性區最小，綜合比較建議該隧道采用臺階-核心土法施工方案。

隧道；深埋小凈距隧道；圍巖穩定性；破碎帶；流固耦合；施工方案

在山區修建公路，受地形限制和交通選線的制約，不得不修建深埋小凈距隧道。斷層破碎帶是山嶺隧道修建中最常見的地質災害之一，由于其強度低、透水性大，容易使隧道圍巖不穩定而發生失穩，處理不當可能會引發施工事故。如何選擇合適的施工方案安全有效地穿越破碎帶是山嶺隧道修建中的重要課題。

針對隧道穿越破碎帶段施工方案的優化，張優利等利用FLAC3D軟件，以浙江寧波史家山2號隧道為工程實例，對比分析了不同施工工法下穿越斷層破碎帶的情況，得出了破碎帶對施工過程的影響，并提出了對應施工方案；張業民等以峽山隧道為工程背景，采用有限元法對深埋偏壓小凈距隧道段的開挖進行了數值模擬，比較了雙側壁導坑法、CD法和上下臺階法等工況下圍巖的穩定性，指出對于該工程雙側壁導坑法較為合適；李兵等對某高速公路斷層帶施工進行動態開挖模擬，對比分析了中隔壁法和上下臺階法引起的力學響應，認為該工程中中隔壁法優于臺階法。但這些研究忽略了隧道開挖中地下水滲流作用對圍巖穩定性的影響?？紤]到破碎帶具有透水性大等特性，在對穿越破碎帶段隧道開挖進行數值模擬時考慮地下水的滲流作用能更好地模擬實際工程施工。唐承平等運用Geo-studio軟件對大相嶺隧道F6斷層開挖進行數值模擬，比較了有無流固耦合作用下斷層開挖應力應變情況，認為斷層開挖中應考慮流固耦合作用。但目前基于流固耦合作用分析破碎帶段對隧道開挖圍巖穩定性的影響研究有限，祝末等基于流固耦合理論研究比較了不同傾角破碎帶在隧道開挖前后的滲流場、主應力區和塑性區等。雖然隧道工程中關于施工方案優化的問題已得到了較多研究，但研究成果大多未考慮到流固耦合作用或考慮了流固耦合作用但未考慮破碎帶等復雜地質環境。該文以浙江溫州穿越富水破碎帶段的大坪尾隧道為例，基于流固耦合理論，利用FLAC3D中流固耦合分析模塊比較臺階法、左洞臺階法-右洞核心土法、核心土法3種工況下隧道開挖后圍巖穩定性并分析滲流場的變化，為穿越富水破碎帶段隧道設計、施工及支護改進提供指導。

1 流固耦合計算原理

FLAC3D對巖體進行流固耦合計算時將巖體假定為等效連續介質，流體依據Darcy定律在巖體孔隙中流動，并滿足Biot方程。其主要方程有平衡方程、運動方程、本構方程和相容方程。

（1）平衡方程。對于隧道開挖引起的圍巖變形，流體質點平衡方程為：

式中：qi，i為滲流速度（m/s）；qv為被測體積的流體源強度（s-1）；ξ為單位體積空隙介質的流體體積變化量。

對于飽水孔隙介質，有：

式中：M為Biot模量（N/m2）；P為孔隙壓力；α為Biot系數；ε為體積應變；β為考慮流體和顆粒的熱膨脹系數（℃-1）；T為溫度。

液體質量平衡關系為：

式中：ξ為液體容量的變分（多孔深水材料的單位體積的液體體積的變分）；qv為液體的密度。

動量平衡的形式為：

式中：ρ為體積密度，ρ=1-n（）ρs+nρw；ρs、ρw分別為固體和液體的密度；1-n（）ρs為基體的干密度ρd；gj（j=1，2，3）為重力加速度的3個分量（m/s2）；vi（i=1，2，3）為介質運動速度的3個分量（m/s）。

（2）運動方程。對于均質、各向同性固體和常密度流體，Darcy定律可表示為：

式中：k為介質的滲透系數［m2/（Pa·s）］；ρf為流體密度（kg/m3）。

（3）本構方程。體積應變的變化引起流體孔隙壓力的變化，孔隙壓力的改變也會影響體積應變。孔隙介質本構方程的增量形式為：

式中：Δσij為應力增量；Hij是給定的函數；εij為總應變。

（4）相容方程。應變率和速度梯度之間的關系可表示為：

2 深埋小凈距隧道計算方案

2.1工程概況

大坪尾隧道全長2 900 m，位于浙江省蒼南縣境內，屬于華南褶皺系，山體構造性較差，有發育明顯的沖溝，隧道高程50～375 m。隧道區域地下水以裂隙水為主，受大氣降水和上腹孔隙水的下滲補給，水量隨季節變化。

計算樁號為K14+168—183，隧道平均埋深200 m。隧道左洞發育一條寬約3 m的小型破碎帶，產狀傾向180°、傾角80°，與隧道軸線小角度相交并逐漸左移?？紤]到合適的計算量及隧道開挖可能出現的最不利狀況，對破碎帶與隧道的空間位置采取平行軸線的方式模擬，厚度取3 m。

2.2圍巖和支護結構參數

隧道處圍巖主要為微風化鉀長花崗巖，數值計算中圍巖物理力學性質指標由地質勘察報告提供，參考隧道設計資料、隧道設計規范，確定圍巖物理力學參數見表1。

表1　圍巖及破碎帶相關力學參數

破碎帶在數值模擬中采用參數弱化法模擬。初期支護采取噴錨支護，在FLAC3D中采Cable單元、Shell單元分別模擬錨桿和噴射砼（未考慮工字鋼及二次襯砌的支護作用）。結合大坪尾隧道設計及變更資料，選定隧道支護設計參數見表2。

表2　隧道支護設計參數

2.3建立模型

計算模型取隧道軸線方向為Y軸，水平面內垂直軸線方向為X軸，鉛直向上方向為Z軸。計算范圍為0≤X≤120 m、0≤Y≤20 m、0≤Z≤100 m?？紤]到隧道平均埋深200 m，模型豎直方向取100 m，其中底部取自隧道以下40.36 m，頂部取隧道以上50 m，剩余部分折算成豎向荷載施加在模型表面。模型共25 355個節點、22 180個單元（見圖1）。

模型位移邊界條件為：底部邊界采用豎向位移約束；上部為自由邊界；前后、左右采用水平位移約束。隧道開挖一直處于飽水地帶，地下水水位位于模型頂部，滲流邊界條件為：模型頂部為自由透水邊界，固定孔隙水壓力為零；左右兩邊及底部邊界均為不透水邊界；隧道開挖圍巖邊界視為自由透水邊界。

圖1　大坪尾隧道數值計算模型

2.4計算工況

該段隧道原設計為Ⅲ級圍巖，施工中發現左洞穿越富水破碎帶?？紤]到小凈距隧道施工中后行洞對先行洞有較大影響，一般先選擇開挖地質條件較差地段，確定左洞為先行洞、右洞為后行洞。根據原設計方案及工程變更方案，選取3種施工方案進行比較：工況1為左右洞均采用上下臺階法開挖（臺階法）。工況2為左洞采用上下臺階法開挖，右洞采用環形開挖留核心土開挖法（臺階-核心土法）。工況3為左右洞均采用環形開挖留核心土開挖法（核心土法）。

3 計算結果分析

3.1圍巖位移場變化比較

以Y=10 m斷面為例，以圍巖位移變化、圍巖應力場、圍巖塑性區作為圍巖穩定性評價指標，比較3種施工方案下該斷面各指標的變化差異。由于左洞為先行洞，其在后續施工中會受到右洞開挖一定的擾動，主要選取左洞圍巖位移變化進行比較。

對隧道開挖進行全過程動態監測，比較不同施工進度下斷面Y=10 m處關鍵點（拱頂及仰拱）圍巖位移變化。施工進度見表3，各工況下Y=10 m斷面處監控點位移變化見表4。

表3　Y＝10 m斷面處施工進度

從表4可以看出：1）圍巖在開挖前均發生了一定的位移變形，臺階法、臺階-核心土法、核心土法在監測斷面下的拱頂沉降分別為1.42、1.42、1.16mm，這是因為隧道開挖后，圍巖應力重分布，附近圍巖發生了一定卸載變形。核心土法施工位移變化最小，是因為核心土法相比于臺階法開挖進尺短、支護快，能及時承載圍巖向下的變形。2）開挖至斷面Y=10 m處時，圍巖發生了最大位移變形。臺階法、臺階-核心土法和核心土法的拱頂沉降相對值分別為4.44、4.44、3.77mm，分別為總沉降值的37.76%、40.62%、32.59%；仰拱隆起相對值分別為3.08、3.08、2.68mm，分別為總隆起值的41.01%、41.62%、36.56%。說明隧道開挖是導致圍巖位移變形的主要原因之一。3）左洞挖通時，臺階法、臺階-核心土法、核心土法方案下監控點拱頂沉降分別達到9.55、9.55、8.89mm。右洞開挖后左洞監控點在后行洞施工中產生的拱頂沉降值為臺階法2.21mm、臺階-核心土法1.38mm、核心土法1.47mm，可見后行洞采用臺階法開挖時對先行洞的干擾明顯大于核心土法。臺階法、臺階-核心土法、核心土法施工方案下，左洞累計沉降值分別為11.76、10.93、10.36mm，核心土法施工位移變形最小，但與臺階-核心土法產生的變形位移相差有限。

表4　監控點各工序豎向位移值mm

小凈距隧道施工中要始終注意對中夾巖柱的保護。選取Y=10 m處中夾巖柱中心點進行監測，比較各施工方案下隧道挖通后中夾巖柱的水平位移變化。中夾巖柱監測點見圖2，Y=10 m斷面處中夾巖柱的水平位移變化見表5。

圖2　中夾巖柱監測點示意圖

表5　中夾巖柱監測點的水平位移mm

從表5可看出：不同施工方案下中夾巖柱監測點水平位移變化都很接近，且均小于2.0mm，說明隧道施工中采取的支護方案對保證中夾巖柱的穩定性有效。中夾巖柱整體都是向X負方向發生位移，且頂部位移略小于底部位移，其傾角接近左洞破碎帶傾角，說明破碎帶的存在對隧道開挖中中夾巖柱的穩定有一些影響。值得注意的是，由于數值模擬初始應力場僅考慮了豎向自重應力，未考慮水平構造應力，破碎帶對中夾巖柱水平位移的影響有限。但在實際施工中有必要加強監測。

從上述位移場分析結果來看，隧道單洞采用核心土法開挖時，無論是產生的沉降還是對先行洞圍巖產生的擾動都小于臺階法，從控制圍巖豎向位移變化角度，可優先考慮核心土法及臺階-核心土法。

3.2圍巖應力場對比分析

FLAC3D中應力為正表示拉應力，為負表示壓應力。考慮滲流作用時，3種施工方案下隧道挖通后圍巖最大、最小主應力見表6和圖3～5。

表6　不同工況下圍巖主應力值MPa

從圖3～5和表6可看出：考慮流固耦合作用時，3種施工方案下隧道主應力分布情況類似，大小接近，具有相似的力學分布規律。隧道拱腰及中夾巖柱處圍巖以受壓為主，拱頂及仰拱處圍巖以受拉為主；大主應力最大值主要集中在中夾巖柱處，小主應力最大值主要集中在隧道拱腰處，其中最大主應力2.24 MPa，最小主應力11.06 MPa。臺階法施工中，中夾巖柱處及拱頂仰拱處圍巖出現應力集中現象，施工中應首先考慮對拱腰處尤其是中夾巖柱處圍巖進行注漿加固，防止應力過大引起圍巖破壞。

圖3　臺階法開挖圍巖主應力云圖（單位：MPa）

圖4　臺階-核心土法開挖圍巖主應力云圖（單位：MPa）

圖5　核心土法開挖圍巖主應力云圖（單位：MPa）

3.3塑性區對比分析

利用FLAC3D分析隧道圍巖穩定性時，圍巖塑性區分布情況必須考慮。圖6為地下水滲流作用下采用3種施工方案開挖隧道后的圍巖塑性區分布，表7為各施工方案下的塑性區體積。

圖6　不同施工方案下隧道圍巖塑性區分布

從圖6和表7可以看出：考慮滲流作用時，3種施工方案下隧道開挖后圍巖塑性區具有類似的分布規律。1）塑性區主要集中在兩洞拱腰、拱腳處附近圍巖及左洞與破碎帶相交處圍巖，說明隧道開挖中拱腰、拱腳處圍巖與破碎帶處圍巖受到了較大擾動，施工中要注意及時支護，在開挖下臺階時建議在外側拱腳處及時施作鎖腳錨桿。2）考慮滲流作用時，3種施工方案下圍巖塑性區大小接近，臺階-核心土法施工產生的塑性區最小，臺階法施工下圍巖塑性區稍小于核心土法施工下圍巖塑性區，這是因為雖然核心土法進尺短、支護快，但由于進尺頻率高，同樣會對圍巖產生較大擾動。

表7　圍巖塑性區體積m3

3.4滲流場分析

飽水狀態時3種施工方案下隧道開挖前后的圍巖滲流場變化基本相同。臺階-核心土法開挖前后滲流場見圖7，隧道開挖后圍巖地下水流動矢量分布見圖8。

從圖7可看出：隧道開挖前，孔隙水壓力和圍巖深度成正比，破碎帶處圍巖因為較大的滲透系數和孔隙率，在周圍巖體水壓作用下其水壓力等值線略微呈凹下去的態勢。開挖后，由于假定開挖圍巖邊界為自由透水邊界，孔隙水壓為零，孔隙水壓力差的作用使周邊圍巖的地下水向洞內滲透，導致周邊圍巖的孔隙水壓力出現較大下降，造成滲流場的改變。開挖穩定后，形成類似滲水漏斗的形狀，左洞拱腳處因為破碎帶的存在略微呈現凹下去的態勢，與開挖前一致。

從圖8可看出：隧道開挖后，滲水主要集中在左洞的拱頂仰拱處，這也是隧道與破碎帶交界處，表明此處圍巖是隧道開挖中地下水的重要流出通道，也是滲水高發部位，施工中應特別注意這一部位的防排水。隧道拱腰、拱腳相接處也分布了大量流動矢量，表明這些地方也可能出現涌水現象，施工中同樣要加強防排水。

圖7　圍巖孔隙水壓力等值線云圖（單位：MPa）

圖8　隧道周邊圍巖滲流場流動矢量分布（單位：MPa）

在大坪尾隧道實際開挖過程中，出現涌水的部位正是左洞拱頂及左洞拱腳處，驗證了模擬計算結果的可靠性。

4 結論

（1）比較飽水狀態時3種隧道施工方案下圍巖的穩定性指標，對于復雜地質條件下的深埋小凈距隧道，臺階-核心土法對限制圍巖變形、控制圍巖應力集中、限制塑性區發展的效果比臺階法、核心土法好。臺階法施工較快，但圍巖會產生較大變形，有最大的拱頂沉降、仰拱隆起及中夾巖柱水平偏移，而且中夾巖柱處存在較明顯的應力集中現象。核心土法施工時，圍巖的位移變形、應力控制與臺階-核心土法接近，但塑性區偏大，且其施工工期最長。建議該隧道采用臺階-核心土法開挖，即左洞臺階法、右洞核心土法。

（2）飽水狀態時3種施工方案下圍巖應力分布規律較為一致，大小接近，其中破碎帶處圍巖均受到一定拉應力作用，開挖后此處圍巖塑性區分布較為集中，穩定性較差，施工中應注意對此處圍巖進行及時支護。

（3）3種施工方案下深埋小凈距隧道滲流場變化規律一致，初始滲流場破碎帶處圍巖水壓偏低，開挖后最終形成以隧道開挖區域為中心的滲水漏斗形狀。開挖后左洞與破碎帶相交處圍巖及拱腰、拱腳處圍巖是滲水多發部位，這些部位也是后續施工中防排水的重點部位。

［1］ 李文華，李昊，古銀城，等.斷層對隧道圍巖穩定性影響的有限元分析［J］.施工技術，2013，42（7）.

［2］ 張志強，李寧.軟弱夾層分布部位對洞室穩定性影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，24（18）.

［3］ Hao Y H，Azzam R.The plastic zones and displacements around underground openings in rock masses containing a fault［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2005，20（1）.

［4］ 張優利，劉勝春，梁順，等.隧道穿越斷層破碎帶關鍵技術研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013，37（3）.

［5］ 張業民，李文劍，李進才.深埋偏壓小凈距隧道施工力學特征數值模擬研究［J］.力學與實踐，2011，33（2）.

［6］ 李兵，金愛兵，王宇，等.深長隧道斷層帶施工方案優化［J］.長安大學學報：自然科學版，2011，31（6）.

［7］ 唐承平，黃水亮，巫錫勇.基于流固耦合作用大相嶺隧道斷層開挖分析［J］.公路交通科技：應用技術版，2011（8）.

［8］ 王祝末，尚岳全，王迎超，等.不同傾角的破碎帶對隧道圍巖穩定性影響［J］.公路工程，2010，35（3）.

［9］ 董子龍.富水破碎小凈距隧道施工技術［J］.隧道建設，2008，28（3）.

［10］ 郭牡丹.流固耦合數值實現及其在大伙房水庫輸水工程中的應用［D］.沈陽：東北大學，2010.

［11］ 洪開榮.山區高速公路隧道施工關鍵技術［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［12］ 寧文光.富水小凈距交錯重疊地鐵隧道施工技術研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

U455.4

A

1671-2668（2016）05-0217-06

國家自然科學基金資助項目（51278071；51308072）；湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（14B007）

2016-03-08