基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究

摘要：为研究富水软岩隧道最优排水方案，以甘肃省道S304线关山隧道为研究对象，基于流固耦合分析理论，建立了应力场和渗流场作用下的隧道开挖模型。借助SoilWorks有限元软件对隧道全排水、全封堵及堵水限排三种施工方案进行了模拟，并对孔隙水压力及水位线、位移场及应力场、围岩塑性区的分布规律进行了研究。结果表明：富水软岩隧道开挖时，采用堵水限排方案可以有效减小对地下水位的影响，经济效益显著;三种施工方案中，堵水限排方案隧道的拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉量最小，但围岩的应力最大，仰拱最大拉应力为全排水方案的2.2倍;全排水方案与全封堵方案围岩塑性区主要产生在仰拱，堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧，塑性区的范围较小。研究结果可为富水软岩地层同类工程排水方案的确定提供借鉴。

关键词：富水软岩隧道;排水方案;SoilWorks;流固耦合;堵水限排方案

中图分类号：U455文献标志码：A文章编号：

Studyonthedrainageschemeofwater-richsoftrocktunnelbasedonsolid-fluidcoupling

（1.SchoolofHighway，Chang′anUniversity，Xi′an710064，China;

2.NingxiaHighwayandBridgeCorporation，Yinchuan750004，China）

Abstract：Inordertodeterminethebestdrainageschemeofwater-richsoftrocktunnel，theexcavationmodelsoftheGuanshantunnelinGansuProvincewereestablishedunderstressandseepagefieldsbasedonthecouplingtheoryoffluidandsolid.Thecompletedrainagescheme，non-drainagescheme，andcontrolleddrainageschemewereanalyzedusingthefiniteelementanalysissoftwareSoilWorks.Thedistributioncharacteristicsofporewaterpressureandwaterlevel，tunneldisplacementandstress，andplasticzoneofsurroundingrockwerestudied.Theresultsshowedthatthecontrolleddrainageschemecanreducetheeffecttoundergroundwaterduringthetunnelexcavation;forthecontrolleddrainagescheme，theamountsofcrownsettlement，invertuplift，andgroundsettlementarethesmallestwhilethesurroundingrockstressisthelargest，andtheinvertmaximumtensionstressforthecontrolleddrainageschemeis2.2timesofthatforthecompletedrainagescheme;andtherockplasticzoneismainlydistributedintheinvertareaforthecompletedrainageschemeandnon-drainagescheme，andinthesidewallforthecontrolleddrainagescheme.Theresultscanprovidereferencefortheselectionofdrainageschemeofwater-richsoftrocktunnel.

Keywords：water-richsoftrocktunnel;drainagescheme;SoilWorks;solid-fluidcoupling;controlleddrainagescheme

因此，目前提出了“以堵为主、限量排放”和全封堵两种治水方案[7-8]。“以堵为主、限量排放”通常通过围岩注浆措施来实现，全封堵则通过设置防水层和抗水压衬砌来实现。本文以甘肃省道S304线关山隧道F3断层VI级围岩为对象，利用SoilWorks软件对隧道采用全排水、全封堵及堵水限排3种施工方案进行流固耦合模拟分析，得出不同工况下孔隙水压力及水位线、围岩的位移场、应力场及岩体破坏区的分布规律，并据此研究丰富软岩富水隧道的排水方案。

1流固耦合计算原理

利用SoilWorks模拟岩体的流固耦合机理时，将岩体等效为均质、连续性介质，流固耦合分析计算采用的基本方程[9-10]包括：

（1）Darcy定律。即渗流计算基本方程：

q=k・i（1）

式中：q为单位面积的渗透流量;k为渗透系数;i为水力坡降。 （2）渗流方程。二维非稳定流基本方程如下：

x（kxHx）+y（kyHy）+Q=t（2）

式中：H为总水头;ki为i方向的渗透系数;Q为流量;φ为体积含水率;t为时间。

对于二维稳定流，流入和流出量随时间没有变化，故式（2）右边为零，即

x（kxHx）+y（kyHy）+Q=0（3）

（3）流固耦合方程。流固耦合计算时采用小位移的胡克法则，基本方程如下：

εx

εy

γx

γy=1E1-v00

-v10

002+2v

002+2vσx-p

σy-p

τxy

τyx

（4）

式中：τij为ij方向的剪应力;σi为i方向上的有效应力;p为超孔隙水压;v为泊松比;E为弹性模量。

2基于流固耦合的数值模拟

2.1工程概况

本次选取关山隧道F3断层VI级围岩进行模拟分析。衬砌内轮廓采用五心圆，初期支护采用22cm厚的C20喷射混凝土;中空注浆锚杆直径规格为D25，长度为3.5m[11]，数值计算中考虑锚杆和喷射混凝土的力学作用（不考虑工字钢和二次衬砌的作用）。隧道开挖采用台阶法，其中仰拱采用左、右拱脚导坑交错开挖、支护。隧道开挖示意图见图1。

2.2计算模型

根据地质勘察资料和公路隧道设计规范，选取围岩及支护结构参数[12-15]，具体见表1。

将岩体的裂隙渗流模型等效为连续介质渗流模型，流体在岩体中流动服从Darcy定律，水头恒定，不因隧道开挖排水而衰减，渗流为层流;岩体为弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb本构模型。

2.3计算方案

按照稳态流进行模拟，分析以下3种工况下围岩位移场及应力场的变化规律。

（1）工况1：全排水方案。在模拟的过程中，地层的侧边及底部设置为不透水边界;顶部为自由地表，压力水头为0m;隧道的开挖边界设置为渗流边界，节点压力水头为设置为0m。

（2）工况2：全封堵方案。地层边界条件同工况1，同时将工况1中的开挖边界条件“节点压力水头0m”改为节点流量为0m3/d。

（3）工况3：堵水限排方案。地层和开挖边界条件同工况1，同时在工况1的开挖面以外3.5m范围内设置注浆圈。

3计算结果及分析

3.1孔隙水压力及水位线分析

从图3（a）可以看出，工况1隧道开挖后，在水头压力差的作用下，远场孔隙水向隧道开挖面流动;当补给充分的条件下，最终形成以隧道为中心的等水压线降水漏斗，水位线距离地面较远。隧道开挖后每延米渗流量为48.70m3/（m・d），说明全排水方案对地下水位造成的影响较为明显。

从图3（b）可以看出，工况2隧道开挖后，等水压线水平，水位线位于地表。隧道开挖后每延米渗流量为0m3/（m・d），说明全封堵方案未对原地下水造成任何影响。

从图3（c）可以看出，工况3隧道开挖后，隧道顶部地表未形成明显的等水压线降水漏斗，水位线下降较小。隧道开挖后每延米渗流量4.2m3/（m・d），与工况1相比，采取堵水限排方案可以有效降低地下水流失和地下水位的下降。

3.2位移场分析

从图4（a）可以看出，工况1隧道开挖后，对地表的影响呈现出以隧道为顶点的倒三角分布，地面最大下沉量接近55mm，隧道拱顶的最大沉降为87.6mm，仰拱隆起为115.6mm，隆起量较大。

3.3应力场分析

3.4岩体破坏区分析

4结论

（1）软岩富水隧道采取全排水方案措施对地下水的影响较大，不利于环保;采用全封堵方案，虽然不影响地下水位，但实际工程中造价较高且很难实现;采用堵水限排方案，隧道开挖后对地下水位的影响较小，经济性也较好。

（2）采用堵水限排方案，隧道开挖对地表的影响范围明显缩小，隧道拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉均大幅减小，堵水限排方案在控制围岩变形方面效果较为显著。

（3）采用全排水方案与全封堵方案，隧道围岩以压应力为主，在仰拱区域产生拉应力，拉应力值较小。采用堵水限排方案隧道围岩应力明显增大，隧道边墙以压应力为主，拱顶及仰拱以拉应力为主，最大拉应力值为全排水方案的2.2倍，但未超过规范的允许值。

（4）全排水方案与全封堵方案产生的塑性区及卸载区类似，围岩塑性区主要产生在仰拱，卸载区主要产生在边墙两侧。堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧，卸载区主要产生在仰拱，塑性区的范围明显缩小，表明注浆加固可以明显的提高围岩的强度，保证隧道的安全与稳定。

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[7]高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（6）：983-987.（GAOXin-qiang.Studyonthedistributionruleofwaterpressureuponliningsubjecttohighhydraulicpressuremountaintunnel[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2007，26（6）：983-987.（inChinese）） [8]张成平，张顶立，骆建军，等.高压富水岩溶隧道注浆机理及作用效果分析[J].地下空间与工程学报，2009，5（5）：683-685.（ZHANGCheng-ping，ZHANGDing-li，LUOJian-jun，etal.Analysisofgroutingmechanismanditseffectforkarsttunnellininghighwaterpressureandwater-enrichedregion[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering，2009，5（5）：693-685.（inChinese））