风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();江西省自然科学基金项目();江西省教育厅科学技术研究项目()作者简介:黄春富(),男,硕士生,通信作者:曾开华(),男,博士,教授,文章编号:()风化砂岩公路隧道渗流 应力耦合数值模拟黄春富,曾开华,骆禹锦,李斯磊(南昌工程学院 土木与建筑工程学院,江西 南昌 )摘要:以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件 三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流 应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流 应
2、力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。关键词:山岭隧道;风化砂岩;渗流 应力耦合;数值模拟中图分类号:文献标志码:,(,):,:;国内外众多学者针对公路隧道在渗流条件下,进行了诸多数值模拟与现场施工监测的研究。文献 总结了国内外岩体裂隙渗流特性的研究成果,分析了裂隙岩体渗流 应力耦合模型的优缺点及其目前的工程应用,表明实验研究在岩石裂隙渗流特性研究中具有不可替代的作用。于洪丹等 利用高精度渗流应力耦合三轴
3、试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。文献 根据隧道开挖实际地质条件和设计规范建立模型,利用 软件的流固耦合模块对隧道开挖进行研究,分析了含水条件下隧道开挖过程中的渗流场分布、围岩变形和围岩稳定性。文献 利用 软件在考虑流固耦合作用和不考虑流固耦合作用的两种情况下,分别对隧道围岩稳定性进行三维数值分析。王宗建等 针对高水压隧道开挖后围岩渗流场 应力场耦合问题,推导出围岩裂隙面正应力增量表达式;基于地下水动力学理论推导了地下水渗流力计算公式,运用 验证了其应用可行性。等 针对富水区隧道围岩开挖损伤区问题,提出了一种新的渗流应力损伤耦合模型,并对数值算法进行研究;骆
4、禹锦等 利用 软件进行隧道施工过程的数值模拟,研究非绕轴对称岩石隧道工程环境因素对隧道洞壁位移产生的影响;纪佑军等 根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助 模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。周益军 应用 软件对隧道开挖进行了数值分析,通过分析比较开挖前后地下渗流场和应力场的变化分析隧道渗漏水的原因;等 同时考虑作用在隧道掌子面上的有效应力和稳态地下水流条件下的渗透力等因素来评估隧道掌子面稳定性,将数值分析计算出的渗流力与模型试验结果进行对比分析;杨果岳等 针对隧道渗流参数难以确定的情况,提出了强
5、渗流条件下山区分离式隧道围岩参数的计算方法并进行数值模拟,将模拟结果与现场实测数据进行比较,获得了强渗流条件下的隧道参数值。等 采用隧道渗流模型测试系统对不同渗透系数的注浆圈和初级支护进行了实验,分析了支护结构对隧道内涌水量规律和水压分布的影响。现有的研究中,对于渗流与应力耦合与非耦合条件下的风化砂岩公路隧道围岩稳定性分析较少,针对在渗流条件下围岩支护结构的应力分析和不同岩性对围岩稳定性的影响分析不足。因此,本文运用 软件对实际风化砂岩隧道开挖过程得到的现场测试参数建立三维模型,分析了隧道围岩开挖后渗流对围岩孔隙水压力的影响;对比了非耦合与耦合状态下的围岩变形、衬砌应力和锚杆轴力的变化情况;同
6、时还进行了不同岩性下隧道渗流应力耦合分析。工程概况与地质条件 项目概述高且隧道进口位于井冈山市黄坳乡三和村高且组附近,出口位于井冈山市黄坳乡光裕村水北洲组附近,农村公路与隧道现场互通,交通便利。隧道为分离式长隧道,左右线间距为 。隧道右线起止桩号为 ,全长 。隧道右线位于半径 为 的左偏圆上,路线纵坡为 ,隧道最大埋深 为 。隧道左线起止桩号为 ,全长 。隧道左线位于左偏差圆上,圆曲线半径 为 ,路线纵坡为 。隧道最大埋深为 。隧道最大超高为 。工程地质条件隧道场地为低山地貌,山体向东北方向延伸,地形起伏较大,地面高程 ,相对高差约 ,边坡植被较厚,覆盖良好。项目地层结构上覆第四系全新统残坡积
7、粉质黏土,下覆中寒武统强风化残积砂岩和砂质板岩。根据隧道岩土工程勘察报告,右线围岩分级结果如下:级围岩长度 ,占隧道总长度的 ,级围岩段长 ,占全隧道长度的 ;左线围岩划分结果为:级 围 岩 长 ,占 全 隧 道 长 度 的 ,级围岩段长 ,占全隧道长度的 。根据工程地质调绘,隧道洞身出露的强风化变余砂岩与砂质板岩中节理裂隙较发育,节理呈闭合微张状,岩体完整性差,整段隧道埋深浅,无自稳能力,侧壁顶部易产生坍塌。岩层与支护结构物理力学参数根据高且隧道实际地质情况,强风化变余砂岩和砂质板岩岩层采用对于渗流模拟有着较好效果的修正摩尔库伦准则本构关系。隧道模型围岩物理参数如表 所示。表 隧道模型围岩物
8、理参数材料 ()粉质黏土 砂质板岩 变余砂岩 隧道数值模拟 数值分析模型的建立所选高且隧道区段最小埋深为 ,最大埋深为 ,考虑数值模拟模型计算结果的普适性,选择区段分布最广的埋深作为隧道模型的计算埋深;根据历次地质调查报告和隧道数值模拟的需要,确定地下水位。选取截面分布最广的地下水位作为计算水位的模型。因此,数值模拟模型选取埋深 ,隧道开挖前地下水位选取 。模型坐标系原点为隧道仰拱的测量中心点,隧道宽度方向与 轴坐标系重合,开挖方向与 轴坐标系重合,高度与 轴坐标系重合。隧道沿 轴方向开挖距离为 ,每 取一个隧道断面,共取 个断面进南昌工程学院学报 年行分析,所以模型尺寸为 (宽 长 高)。隧
9、道监测点布置根据高且隧道 段的实际工程地质条件,采用 软件建立数值分析模型,对所选隧道拱顶、拱肩、拱脚等特征位置进行位移监测,周边位移监测点布置如图 所示。图 周边位移监测点布置 隧道稳定性分析对比 隧道开挖后渗流场分析选取模型的中部处断面进行隧道围岩孔隙水压力随施工步骤的变化进行分析。随着隧道开挖的进行,地下水不断流向围岩裸露的自由面,故自由面上的围岩孔隙水压力最小,孔隙水压力随着自由表面向外逐渐增大。当喷混完成后,围岩的渗流场逐渐发生变化,衬砌的孔隙水压力相应增大。断面处的孔隙水压力值见表 。表 隧道中部断面孔隙水压力值 与掌子面距离 拱顶拱肩拱腰拱脚拱底 结合表 可知,在每个施工阶段,断
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