隧道施工過程中圍巖孔隙水壓力的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

?

隧道施工過程中圍巖孔隙水壓力的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

結(jié)合ABAQUS分析軟件，建立了三維有限元模型,從而模擬整個(gè)隧道施工過程，通過對(duì)施工過程中不同時(shí)刻、不同部位圍巖的孔隙水壓力進(jìn)行分析，得出了相關(guān)結(jié)論，為同類工程提供參考。

圍巖,孔隙水壓力,隧道,ABAQUS軟件

近幾十年來，大規(guī)模巖溶地區(qū)隧道和海底隧道的修建給隧道設(shè)計(jì)和施工帶來了前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面，巖溶地區(qū)隧道受孔隙水壓力的影響，易導(dǎo)致隧道坍塌或突水突泥等災(zāi)害性事故。另一方面海底隧道相比陸地隧道而言地質(zhì)勘探更困難、力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確性更差。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)孔隙水壓力作用下隧道圍巖受力及變形響應(yīng)特征等方面進(jìn)行了研究[1-5]。本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS，基于重點(diǎn)研究隧道開挖過程中各個(gè)階段的圍巖孔隙水壓力的變化，以此力爭(zhēng)為類似隧道工程的安全設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本假設(shè)

1)整個(gè)模型位于地下水位以下，滲流計(jì)算采用飽和滲流分析；2)圍巖、襯砌視為連續(xù)均勻各向同性介質(zhì)；3)考慮到圍巖的可能受到破壞的特性，在分析中采用彈塑性分析，采用的屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；4)開挖過程中的超開挖現(xiàn)象不予考慮，認(rèn)為圍巖及襯砌之間無(wú)開挖間隙，不考慮注漿作用；5)分析過程中初襯及二襯視為一體；6)忽略開挖的具體過程，假設(shè)開挖的過程是瞬時(shí)完成的；7)數(shù)值模擬中采用連續(xù)介質(zhì)模型(地層—結(jié)構(gòu)模型)，襯砌結(jié)構(gòu)受力不大，認(rèn)為其處于彈性階段。

1.2 材料參數(shù)選取

圍巖選取Mohr-Coulomb塑性模型，襯砌選取線彈性模型。具體參數(shù)見表1和表2。

表1 巖土材料參數(shù)

表2 襯砌支護(hù)材料參數(shù)

1.3 模型建立

通過計(jì)算機(jī)的有限元軟件進(jìn)行模擬研究時(shí)，合適的模型是特別重要的。一個(gè)合理的符合實(shí)際情況的模型，不僅擬合計(jì)算的過程比較快速，而且模擬得出的結(jié)果也符合實(shí)際情況。在模型的區(qū)域足夠大且計(jì)算單元?jiǎng)澐值姆浅Ｐ〉那闆r下，模擬計(jì)算所得出的結(jié)果就越精確。但是這樣計(jì)算量就會(huì)增大，花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)增加，對(duì)設(shè)備的要求也會(huì)非常高。因此模型建立既得滿足精確度的要求，也得經(jīng)濟(jì)合理。本文建立的模型如下(見圖1，圖2)：

1)模型的上邊界為地表平面，垂直方向上模型長(zhǎng)度為100 m，水平方向上的模型長(zhǎng)度也是100 m，軸向上的長(zhǎng)度為30 m。隧道位于模型的中心位置，隧道左右洞間距16 m，襯砌結(jié)構(gòu)的厚度取為0.7 m。

2)模型的Y軸平行于隧道的軸線，模型是關(guān)于YZ面對(duì)稱的。

3)模型的初始條件為：隧道及襯砌結(jié)構(gòu)的飽和度為1，隧道模型表面孔壓為-1.2 MPa，隧道底面孔壓為1.8 MPa，隧道表面初始豎向有效應(yīng)力為0，底面初始有效應(yīng)力為4.6 MPa，測(cè)壓系數(shù)為0.46。

4)模型的位移邊界條件：前后兩面施加Y軸方向的水平約束，YZ面上施加沿X方向的水平約束，底面施加沿Z方向的豎向約束，模型的左邊界施加沿X方向的水平約束。

5)模型的排水邊界條件：隧道開挖前模型各表面均為不排水條件；隧道開挖完成后，圍巖內(nèi)壁設(shè)置為完全排水條件；施加襯砌后，襯砌內(nèi)壁設(shè)置為完全排水條件。

1.4 圍巖觀測(cè)點(diǎn)布置

在隧道開挖的過程中需要了解圍巖孔壓，通過圍巖孔壓的情況來確定隧道周邊地下水的分布情況。為了獲得施工過程中圍巖孔隙水壓力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，在模型中選取了4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)來做出圍巖孔隙水壓力隨著施工過程而發(fā)生變化的曲線，通過對(duì)曲線的分析來找出規(guī)律。觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖3所示。

為了獲得同一時(shí)間點(diǎn)上整個(gè)模型中不同點(diǎn)的孔隙水壓力，在雙線隧道的上方布置一排觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)的具體布置圖如圖4所示。

2 圍巖孔隙水壓力結(jié)果分析

在模型計(jì)算完成之后，選取模擬施工過程中各個(gè)階段的模型計(jì)算結(jié)果，將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

將隧道周圍的4個(gè)孔隙水壓力觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制成孔隙水壓力—時(shí)間曲線，如圖5所示。

將雙線隧道上方的連續(xù)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制孔隙水壓力—時(shí)間曲線，如圖6所示。

根據(jù)圖5，圖6可以發(fā)現(xiàn)，在隧道進(jìn)行開挖的過程中，隧道周圍的圍巖孔隙水壓力不斷減小，在模擬開挖階段的最終時(shí)刻，隧道上部和左右側(cè)觀測(cè)點(diǎn)的圍巖孔隙水壓力降低為0。這是由于隧道開挖過程中隧道發(fā)揮了排水的作用，地下水通過隧道不斷地被從土體排出。在施加襯砌結(jié)構(gòu)之后，由于襯砌結(jié)構(gòu)的防水作用，土體中的水不再滲入隧道中，并且隨著其他區(qū)域的孔隙水滲流到隧道周圍，隧道圍巖孔隙水壓力不斷增高直到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。但由于模型沒有考慮水的補(bǔ)充，因此固結(jié)后的圍巖孔隙水壓力小于初始階段的圍巖孔隙水壓力。

3 結(jié)語(yǔ)

通過使用ABAQUS分析軟件，建立了三維有限元模型來模擬整個(gè)隧道施工過程。根據(jù)模型中不同位置的觀測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，繪制出圍巖孔隙水壓力—時(shí)間曲線，通過分析，得出了以下結(jié)論：隧道的襯砌起著受力支護(hù)作用和防水作用，其中防水作用能夠有助于保持隧道圍巖原存應(yīng)力狀態(tài)。

[1] 李宗利,任青文,王亞紅.考慮滲流場(chǎng)影響深埋圓形隧洞的彈塑性解[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(8):1291-1295.

[2] 房 倩,張頂立,黃明琦.基于連續(xù)介質(zhì)模型的海底隧道滲流問題分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(S2):3776-3784.

[3] 王學(xué)濱,王 瑋,潘一山.孔隙壓力條件下圓形巷道圍巖的應(yīng)變局部化數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(5):723-728.

[4] Bruno M S, Nakagawa F M. Pore pressure influence on tensile fracture propagation in sedimentary rock[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1991,28(4):261-273.

[5] 許 江,楊紅偉,彭守建,等.孔隙水壓力—圍壓作用下砂巖力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(8):1618-1623.

Finite element analysis of surrounding rock pore water pressure in the tunnel construction

Wang Ju

(Guizhou Road & Bridge Group Co., Ltd, Guiyang 550001, China)

The three-dimensional finite element model of tunnel construction is established by using ABAQUS finite element analysis software. Through the analysis of the pore pressure at different times and different parts of the construction process, the following conclusions are drawn, for reference.

surrounding rocks, pore water pressure, tunnel, ABAQUS software

1009-6825(2017)16-0168-03

2017-03-27

王 舉(1984- )，男，工程師

O241.82

A