基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究.pdf

第 1 3 卷第 2期 2 0 1 5 年 4 月 南水北调与水利 科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e& Te c h n o l o g y V0 1 1 3 No 2 Ap r 2 0 1 5 D O I ： 1 0 1 3 4 7 6 j c n k i n s b d q k 2 0 1 5 0 2 0 3 4 基 于流 固耦 合 的富水软岩地层 隧道 排水 方案研 究 赖金星 ， 樊浩博 ， 申爱军 ( 1 长安大学 公路学院， 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 宁夏路桥工程股份有限公司， 银川 7 5 0 0 0 4 ) 摘要： 为研究富水软岩隧道最优排水方案， 以甘肃省道 $ 3 0 4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 S o i l Wo r k s 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； S o i l Wo r k s ； 流固耦合 ； 堵水限排方案 中图分类号 ： U4 5 5 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 3 4 9 0 5 St u dy o n t h e d r a i n a g e s c he me o f wa t e r - r i c h s o f t r o c k t u n ne l b a s e d o n s o l i d - flu i d c o u pl i ng L AI J i n - x i n g ， F AN Ha o - b o ， S HE N Ai - j u n 2 ( 1 S c h o o l o f Hi g h u c z y， C h a n g a n U n i v e r s i t y， Xi a n 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a ； 2 N i n g xi a H i g h wa y a n d Br i d g e Co r p o r a t i o n， Yi n c h u a n 7 5 0 0 0 4 ， Ch i n a) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t O d e t e r mi n e t h e b e s t d r a i n a g e s c h e me o f wa t e r - r i c h s o f t r o c k t u n n e l ， t h e e x c a v a t i o n mo d e l s o f t h e Gu a n s h a n t u n n e l i n Ga n s u Pr o v i n c e we r e e s t a b l i s h e d u n d e r s t r e s s a n d s e e p a g e f i e l d s b a s e d o n t h e c o u p l i n g t h e o r y o f f l u i d a n d s o l i d Th e c o mp l e t e d r a i n a g e s c h e me ， n o n - d r a i n a g e s c h e me ， a n d c o n t r o l l e d d r a i n a g e s c h e me we r e a n a l y z e d u s i n g t h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e S o i l Wo r ks Th e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e a n d wa t e r l e v e l ， t u n n e l d i s p l a c e me n t a n d s t r e s s ， a n d p l a s t i c z o n e o f s u r r o u n d i n g r o c k we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e c o n t r o l l e d d r a i n a g e s c h e me c a n r e d u c e t h e e f f e c t t o u n d e r g r o u n d wa t e r d u r i n g t h e t u n n e l e x c a v a t i o n； f o r t h e c o n t r o l l e d d r a i n a g e s c h e me ， t h e a mo u n t s o f c r o wn s e t t l e me n t ， i n v e r t u p l i f t ， a n d g r o u n d s e t t l e me n t a r e t h e s ma l l e s t wh i l e t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t r e s s i s t h e l a r g e s t ， a n d t h e i n v e r t ma x i mu m t e n s i o n s t r e s s f o r t h e c o n t r o l l e d d r a i n a g e s c h e me i s 2 2 t i me s o f t h a t f o r t h e c o mpl e t e d r a i n a g e s c h e me ； a n d t h e r o c k p l a s t i c z o n e i s ma i n l y d i s t r i b u t e d i n t h e i n v e r t a r e a f o r t h e c o mp l e t e d r a i n a g e s c h e me a n d n o n - d r a i n a g e s c h e me ， a n d i n t h e s i d e wa l l f o r t h e c o n t r o l l e d d r a i n a g e s c h e me Th e r e s u l t s c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e s e l e c t i o n o f d r a i n a g e s c h e me o f wa t e r - r i c h s o f t r o c k t u n n e 1 Ke y wo r d s ： wa t e r - r i c h s o f t r o c k t u n n e l ； d r a i n a g e s c h e me ； S o i l W o r k s ； s o l i d - f l u i d c o u p l i n g； c o n t r o l l e d d r a i n a g e s c h e me 随着我国高速公路建设的迅速发展， 富水地区的公路隧 道修建也越来 越 多l_ 1 。大 量工程 实践 表 明_ 2 ， 以往采 取 的 “ 排堵结合， 以排为主” 地下水处理办法， 将导致地下水 的大 量流失 ， 一方面使得隧道内存在不同程度的水害， 影响衬砌 结构和行车安全 ， 使后期维修和养护费用大大提高( 如大瑶 山隧道、 华蓉山隧道、 中梁山隧道等) ； 另一方面地下水位下 降， 会导致生态环境恶化， 严重影响隧址周围人民的生产和 生活 。 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l 7 。“ 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 $ 3 0 4线关山隧道 F 3断层 VI 级围岩为对 象 ， 利用 S o i l Wo r k s 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 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 0 3 修 回 日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 2 网络出版时间 ： 2 0 1 4 0 3 1 9 网络 出版地址 ： h t t p ： www c n k i n e t k c ms d e t a il 1 3 1 3 3 4 Tv 2 0 1 5 0 3 1 9 0 9 3 3 0 0 9 h t ml 基金项 目： 陕西省 自然科学基金项 目( 2 0 1 0 J M7 0 2 1 ) 作者简介 ： 赖金星 ( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 广东龙川人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事隧道工程方面的教学与科研工作 。E ma i l ： 3 7 3 1 5 9 6 2 6 q q c o rn 通讯作者 ： 樊浩博 ( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 河南漯河人 ， 博士研究生 ， 主要从事隧道工程方面的研究 。E - ma i l ： 7 3 9 5 1 2 2 7 6 q q C O rn 王 吞 技 采 3 4 9 第 l 3卷 总第 7 7期 南水北调与水利科技 2 0 1 5年 4月 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 S o i l Wo r k s 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l 9 。 包括 ： ( 1 ) D a r c y 定律。即渗流计算基本方程： q 一是 ( 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： ( 也 ) + ( ) +Q一 ( 2 ) 式中： H 为总水头； 志 为 i 方向的渗透系数 ； Q为流量； 为体 积含水率 ； 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 基 ( 3 H J 十 3 ( 是 3 H ) + Q ： o ( 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 ： 1 一 口 O O 1 0 0 0 2 + 2 v 0 0 2 + 2 v 厂 c k 一 ( 4 ) 式 中： 为 方 向的剪应力 ； 为 i 方 向上 的有效应 力 ； P为 超孔隙水压； 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 关山隧道是甘肃省道 $ 3 0 4线华亭至庄浪二级公路改建 项目的控制性工程， 全长 2 8 2 5 m， 起止桩号 K1 0 8 +8 2 9至 Kl l l +6 5 4 。该改建项 目是甘肃省“ 四纵四横” 公路网主骨架 中“ 一纵” 的重要 路段 ， 是 连接陇东 和陇南的主要通 道。隧道 洞身穿越地层为白垩系六盘山群和尚铺组， 上部岩性为紫红 色砂岩和泥质砂岩互层， 下部岩性为青灰色砂岩、 砾岩互层， 局部夹薄层砂质页岩 ， 软硬 相间 ； 共 穿越 7处断层破 碎带 ， 断 层走向与隧道轴线交角为 4 O。 6 0。 ， 走 向 NW、 NE， 倾角 7 0。 8 5。 ， 多为正断层。断层影响带内岩体破碎、 松散， 裂 隙水发育， 稳定性差。 本次选取关 山隧 道 F 3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 2 2 c m厚的 C 2 0喷射 混凝土； 中空注浆锚杆直径规格为 1 3 2 5 ， 长度为 3 5 m_ ” ， 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 计算时考虑边界条件的影响， 计算模型网格划分见图2 。 选取竖直方向为 Z轴， 水平方向为 X轴， 计算范围选取 0 z 1 2 0 m， O -z 1 2 0 r n ， 隧道埋深 7 5 m； 在左右边界施加 X 方向的位移约束， 在底部边界施加 Z方向的位移约束； 地下 3 5 0 | 王 l槛 l蔽 E 朱 图 1 隧道开挖示意 图 Fi g 1 S c h e ma t i c o f t u n n e l e x c a v a t i o n 水位取地表计算 ， 不考虑初期支护的堵水作用。 图 2 模型网格 划分 Fi g 2 Me s h o f t h e mo d e l 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 1 2 1 5 ， 具体见表 1 。 表 1 计算模型 参数 Ta b 】P a r a m e t e r s o f t he m o d e l 型 嚣 比 。 尹 围岩0 2 0 4 2 0 5 1 0 0 3 3 0 2 4 注浆圈 2 5 0 3 5 2 3 5 5 0 0 3 7 0 O 1 初喷混凝土 1 5 0 3 2 4 一 一 一 锚杆 2 0 6 0 3 7 6 8 一 一 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 Da r c y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 Mo h r - C o u l o mb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 ) 3 2 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 0 m； 隧道的开挖边界设置为渗流边界， 节点压力水头为设置 为 0 m。 ( 2 ) 3 2 况 2 ： 全 封堵方 案 。地层边 界条 件 同工 况 I ， 同时 将工况 1中的开挖边界条件“ 节点压力水头 0 m” 改 为节点流 量 为 0 ms a 。 ( 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 I的开挖面以外 3 5 m范围内设置注浆固。 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 l 隧道开挖后， 在水头压力差的 作用下， 远场孑 L 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 赖金星等 基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究 J o u r n a l o f C h i n a& F o r e ig n Hi g h wa y ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 2 0 1 2 2 ( i n Chi n e s e ) 2 蒋忠信 隧道工程与水环境的相互作用 J 岩石力学与工程学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 4( 1 ) ： 1 2 1 1 2 6 ( J I ANG Z h o n g - x i n I n t e r a c t i o n b e t we e d t u n n e l e n g i n e e r i n g a n d wa t e r e n v i r o n me n t I- J C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 2 1 1 26 ( in Chi n e s e ) ) 3 罗鉴 银 ， 傅瓦 利 岩溶地 区 开凿 隧道对 地 下水循 环 系统 的破 坏以重庆市中梁 山为例 J 西南农 业 大学 学 报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 4 )： 4 3 2 4 3 5 ( I U0 J i a n y i n ，F U Wa l i I ) e s t r u c - t io n c a u s e d b y t u n ne l in g wo r k s t o t h e c i r c u l a t o r y s y s t e m o f u n d e r g r o u n d wa t e r i n k a r s t a r e a s - a c a s e s t u d y o f t h e Zh o n g g i a n g Mo u n t a i n s i n C h o n g Qi n g r J J o u r n a l o f S o u t h w e s t Ag r ic u l t u r a l U n i v e r s i t y： Na t u r a l Sc i e nc e s ， 2 0 0 5， 2 7( 4 )： 4 3 2 4 3 5 ( i nCh i ne s e ) ) 4 刘 丹 ， 杨立 中， 于苏俊 ， 等 华蓥 山隧道排水 的生态环境 问题及 效应 J 西 南 交 通 大 学 学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6( 3 ) ： 3 0 8 3 1 3 (L I U Da n， YANG I i z h o n g， YU S u - j u n， e t a 1 On e c o l o g i c a l e nv i r o n me n t p r o b l e ms a n d e f f e c t s c a u s e d b y d i s c ha r g e f r o m H u a y i n gs h a n Tu n n e l J J o u r n a l o f S o u t h we s t J ia o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 01 1 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 0 8 3 1 3 ( i n Chi n e s e ) ) 5 邓谊 明 大瑶 山隧道深层岩溶水地段 同内长期排 水所 引起 的水 文地质变化特征及其整治措施 J 水文地质与工程地质， 1 9 9 2， 1 9( 6) ： 4 4 4 9( DENG Yi mi n g Ch a n ge s c h a r a c t e r i s t i c s i n h yd r o g e o l o gi c a l c a u s e d b y l o n g t e r m d r a i n a g e i n s i d e t h e c a v e o f Da y a o s h a n t u n n e l i n d e e p wa t e r - e n r i c h e d k a r s t a r e a a nd t r e a t me n t me a s u r e s J Hy d r o g e o lo g y a n d En g i n e e r i n g Ge o l o g y ， 1 9 9 2， 1 9( 6) ： 4 4 4 9 ( i n Ch i n e s e ) ) E 6 丁 浩 ， 蒋 树屏 ， 李 勇 ， 等 控制排 放的隧道防排 水技 术研究 _ J 岩土工 程学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 3 9 8 1 4 0 3 ( D I NG Ha o ， J I ANG S hu pi n g， LI Yon g， e t a 1 S t u d y o n wa t e r pr o o f a n d d r a i n a g e t e c h n i q u e s o f t u n n e l s b a s e d o n c o n t r o l l i n g d r a i n a g e J C h i n e s e J o u r na l o f Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g，2 0 07 ， 2 7( 6 )： 1 3 9 8 1 4 3 0 ( i n Ch i n e s e ) ) 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 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 9 8 3 9 8 7 ( GAO Xi n q i a n g S t u d y o n t h e d i s t r i b u t i o n r u l e o f wa t e r p r e s s u r e u p o n l i n i n g s u b j e c t t o h i g h h y d r a u l i c p r e s s u r e mo u n t a i n t u n n e l J Ch i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r ing， 2 0 0 7，2 6( 6)： 9 8 3 9 8 7 ( i n Ch i n e s e ) ) 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， 2 0 0 9 ， 5 ( 5 ) ： 6 8 3 6 8 5 ( Z HAN G C h e n g - p i n g ， Z HANG Di n g - l i ， L UO J i a n j u n ， e t a 1 A n a l y s i s o f g r o u t i n g me c h a ni s m a n d i t s e f f e c t f o r k a r s t t u n n e l l in i n g h i g h wa t e r p r e s s u r e a n d wa t e r - e n r i c h e d r e g i o n J C h i n e s e J o u r n a l o f Un d e r g r o un d S p a c e a n d En g i n e e r i n g，2 0 0 9， 5 ( 5) ： 6 9 3 6 8 5 ( i n Chi n e s e ) E 9 路平 考虑流 固耦合 的富水软岩隧道力学特性及合理注浆参 数 研究 D 长 沙 ： 中南 大学 ， 2 0 1 2 ( g U P i n g Th e r e s e a r c h o n m e c ha nic a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d r e a s o n a b l e g r o ut i n g p a r a m e t e r s c o ns i d e r i n g t he c o u p l i n g o f f l u i d a n d s o l i d i n wa t e r - r i c h t u n n e l wi t h s o f t r o c k E D C h a n g S h a ： Z h o n g Na n Un iv e r s i t y ， 2 0 1 2 ( i n Ch i ne s e ) ) 1 O 2 杨卓 大丽高速双龙 富水隧道稳 定性分 析及防排水 措施研 究 D 昆明 ： 昆明理工 大学 ， 2 0 1 3 ( Y AN G Z h u o S t a b i l i t y a n a l y s i s a n d wa t e r pr o o f a n d d r a i n a ge t e c h n o l o gy r e s e a r c h o f S h u a n g l o n g w a t e r - r i c h t u n n e l i n D a l i Hi g h wa y D Ku n mi n g ： Ku n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c hn o l o gy，2 01 3 (in Ch i ne s e ) ) 王永刚 ， 丁文其 ， 景韧 ， 等 关山隧道断层破碎带三维有 限元 地 震动力n E J 公路交通科 技 ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 8 ) ： 1 1 5 1 1 9 (wANG Yo n g - g a n g， DI NG We n q i ， J I NG Re n， e t a 1 S e i s mic d y n a mi c r e s p o n s e o f f a u l t f r a c t u r e z o ne a t Gu a ns h a n Tu n n e l b a s e d o n 3 D F E ME J J o u r n a l o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 8 ) ： 1 1 5 1 9 ( i n Ch i n e s e ) ) 1 2 蔚立元， 李术才， 徐帮树， 等 水下隧道流固耦合模型试验与数 值 分析 J 岩石 力学 与工 程 学报 ， 2 0 1 1 ， 3 0( 7 ) ：1 4 6 7 1 4 7 4 ( YU I _ y u a n， LI Sh u c a i ， XU Ba n g - s h u， e t a 1 S t u d y o f s o l i d - f l u i d c o u p l i n g mo d e l t e s t a n d n u me r i c a l a n a l y s i s o f u n d e r wa t e r t u n n e l s E J Ch i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i ng， 2 0 1 1， 3 0 ( 7 )： 1 4 6 7 1 4 7 4 ( i n Ch i n e s e ) ) E 1 3 长安大 学 富 水软 岩隧 道 防排水 技 术研 究 E R 西 安 ， 2 0 0 8 ( Ch a ng a n U n i v e r s i t y St u d y o n t h e wa t e r pr o of a n d d r a i n a g e t e c h n o l o g y o f wa t e r - r i c h s o f t r o c k t u n n e l E R Xi a n ， 2 0 0 8 ( i n Ch i n e s e ) ) E 1 4 J TG D7 0 2 0 0 4 公路 隧道设计 规 范 S ( J T G D7 0 2 0 0 4 C o d e f o r d e s i g n o f r o a d t u n n e l S ( i n C h i n e s e ) ) 1 5 甘 肃省 交通科 学研 究 院有 限公 司 关 山隧道 地质 勘察报 告 E R 兰州 ， 2 0 0 7 ( Ga n s u P r o v i n c i a l Co mmu n i c a t i o n s S c i e n c e Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ， Lt d Ge o l o gic a l s u r v e y r e p o r t o f Gu a n s h a n Tu n n e l E R L a n z h o u ， 2 0 0 7 ( i n C h i n e s e ) ) 工 程 技 朱 3 5 3