基于流固耦合理论的阿嘎下隧道围岩位移影响分析

段克思 刘海明 郭伟

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

21世纪以来，虽然我国公路隧道建设规模不断扩大，但是存在着节理发育、围岩破碎、断层发育、高地应力、地下水、突水突泥等一系列不良地质问题，将导致隧道开挖面不稳定，岩体更容易塌方，衬砌难度大，特别是公路隧道处于富水区强风化岩层[1-3]。本文以阿嘎下隧道为工程背景，对云南地区富水强风化岩层的公路隧道在流固耦合作用下对隧道衬砌的稳定性进行研究，基于渗流理论研究固体与液体相互作用，结合数值模拟分析阿嘎下隧道围岩的稳定性，提出有针对的处理措施。研究结果可推广应用于阿嘎下隧道中，解决公路隧道富水区开挖、不同土层界面的风化岩层开挖施工问题，为隧道施工提供科学依据，同时为类似的公路隧道提供理论、数值模拟及施工支撑。

1 基本参数及模型的建立

本文依托阿嘎下隧道的工程概况，运用MIDAS GTS NX建立合理的三维模型，模型围岩等级为V级强风化糜棱岩，采用CRD开挖法对阿嘎下隧道进行模拟开挖，同时采用CRD法比较考虑流固耦合与为未考虑流固耦合时地表沉降的差异。基本参数如表1所示。

表1 阿嘎下隧道物理参数

模型计算区域：隧道平均埋深取35 m，地下水位线高度取95～105 m，为了消除边界条件的影响，从隧道开挖区域向两侧各取略大于5倍的洞径，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸横向长240 m，竖向高116～126 m，纵向沿隧道轴线方向长140 m，CRD开挖划分343 189个单元和236 369个节点，在提取数据时，为了消除隧道轴线方向边界影响，提取模型轴向区间80～100 m段(模型中心区间20 m)结果作为研究依据，计算模型如图1所示。

图1 隧道模型网格图

边界约束：为避免模型形成临空面，导致模型无法分析计算，考虑流固耦合时，在施加静力约束的同时，根据勘探水位条件，在模型两侧施加总结点水头95～105 m[4-7]。

阿嘎下隧道在开挖时，开挖隧道周围的土层被严重破坏，则必然会造成隧道周围的土层由于外界作用产生的扰动而变形，应力重新分布[8]，因此在CRD开挖法开挖阿嘎下隧道中，对开挖围岩变形监测至关重要，而开挖隧道地表位移监测是反映围岩变形的关键参数。图2为布置在距两隧道中心左右各80 m(每2 m布置一个监测点)地表监测示意图。

图2 地表位移监测示意

使用高密度电法视电阻率成像技术对阿嘎下隧道进行成像处理，阿嘎下隧道视电阻率成像图中红色和橙色区域为相对高阻区，代表岩体相对致密，完整性好，含水量小[9]；绿色和蓝色为相对低阻区，代表岩体含水、松散破碎或裂隙含水带:视电阻率分布不均的，表示岩体物性差异大，推测为岩体构造发育，松散破碎;视电阻率横向分布均匀，垂向呈层状递增的，表示岩体物性均一，无构造发育，岩体仅表现为其风化程度由浅到深逐渐减弱的自然规律，如图3所示。

图3 阿嘎下隧道高密度电法视电阻率成像

2 CRD开挖方式及开挖主要步骤

CRD模拟开挖主要步骤：拱部超前支护→左侧上部开挖①→左侧上部初期支护→左侧下部开挖②→左侧下部初期支护→右侧上部开挖③→右侧上部初期支护→右侧上下部开挖④→右侧下部初期支护→分段拆除临时支护→仰拱及回填施工→重复上面步骤，直到开挖结束。开挖进尺为0.6 m，台阶长度为8 m。开挖示意图如图4所示。

图4 CRD法开挖示意

阿嘎下隧道进行模拟开挖时，采用左右线同步开挖，同步开挖对围岩的扰动更大[10]，研究同步开挖下围岩稳定性的规律并根据模拟的结果选取CRD开挖法对开挖围岩稳定性影响相对较小且经济的开挖方式，对隧道工程施工具有借鉴和指导意义。

3 流固耦合工况下阿嘎下隧道围岩位移影响分析

根据图2监测点的布置，在隧道轴线方向选取坐标为(-80,80,121)～(80,80，121)布置地表监测点，阿嘎下隧道在未考虑流固耦合作用下，采用CRD开挖法，隧道间距分别为1、2、3、4、5d(d为隧道净宽)时，隧道不同注浆圈左线与右线同步开挖地表沉降量如图5—图9所示。

图5 CRD开挖法隧道间距1 d地表沉降量

图6 CRD开挖法隧道间距2 d地表沉降量

图7 CRD开挖法隧道间距3 d地表沉降量

图8 CRD开挖法隧道间距4 d地表沉降量

图9 CRD开挖法隧道间距5 d地表沉降量

在考虑流固耦合的情况下，在隧道注浆圈保持不变的情况下，CRD开挖数值模拟结论如下：对比图5—图9进行分析发现，隧道注浆圈保持不变时，地表最大沉降量随着开挖间距增大而减小，开挖间距为1～3d时，地表沉降量最大值在两隧道之间中心位置，沉降曲线成“尖U”形，开挖双洞形成的沉降曲线近似等效于开挖一个更大净宽单隧道所形成的沉降曲线，同时地表沉降量离原点越远，沉降越小，最终趋近于0 mm；开挖间距离为4d时，地表沉降曲线成“平底U”形，最大沉降量和5d间距时沉降量相差近30.8%；开挖间距离为5d时，地表沉降曲线成“W”形，地表最大沉降值在隧道拱顶对应的地表处，偏离隧道越远，地表沉降越小，最终趋近于0 mm；从图中-80 m至80 m范围，中间区域随着隧道间距的增加，地表的沉降量减小，两边区间随着隧道间距的增加，地表的沉降量增大，这是由于左线和右线中间区域沉降量相互叠加产生，表明隧道间距越小，开挖后相互影响较大，隧道间距越大，相互作用越小。但从施工便捷、低运输角度，隧道间距越小越有利，因此综合考虑选取隧道间距为3d较为适宜。

注浆圈分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5d时，隧道在不同开挖间距左线与右线同步开挖地表沉降如图10—图14所示。

图10 CRD开挖法0.1 d注浆圈地表沉降量

图11 CRD开挖法0.2 d注浆圈地表沉降量

图12 CRD开挖法0.3 d注浆圈地表沉降量

图13 CRD开挖法0.4 d注浆圈地表沉降量

图14 CRD开挖法0.5 d注浆圈地表沉降量

在考虑流固耦合的情况下，在隧道间距保持不变的情况下，CRD开挖数值模拟结论如下：对比图10—图14分析发现，在隧道距离保持不变，0.1d注浆圈引起地表沉降量最大，0.5d注浆圈引起地表沉降量最小，地表最大沉降量随着注浆圈的增加而减小；0.3～0.5d注浆圈的沉降量曲线相差不大，并且引起的沉降量相对0.1～0.2d注浆圈引起的沉降较小，但是从低耗能、经济环保角度考虑，注浆圈厚度越小越好，综合考虑CRD开挖法在流固耦合工况下建议注浆圈范围0.3～0.4d较为适宜。

流固耦合作用下不同隧道间距不同注浆地表最大沉降量如表2所示。

表2 流固耦合作用下不同隧道间距不同注浆圈地表最大沉降量 mm

对表2数据分析表明：隧道间距1d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈-23.5 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈-20.2 mm，沉降差3.3 mm；隧道间距2d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈-19.6 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈-17.9 mm，沉降差1.7 mm；隧道间距3d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈-18.4 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈-16.9 mm，沉降差1.5 mm；隧道间距4d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈-16.8 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈-15.5 mm，沉降差1.3 mm；隧道间距5d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈-16.3 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈-15.3 mm，沉降差1 mm。在流固耦合作用下，随着注浆圈和开挖间距增加，沉降差从3.3 mm减小至1 mm，充分表明控制好注浆圈厚度和开挖间距能减小开挖引起的沉降。

4 考虑流固耦合与未考虑流固耦合地表位移对比

根据上述结论，当开挖间距在3～4d，注浆圈为0.3～0.4d时最为适宜，所以采用CRD法对间距3d，注浆圈分别为0.3、0.4d，考虑流固耦合时与未考虑流固耦合时地表位移进行对比。对比结果如图15—图16所示。

图15 CRD法0.3 d注浆圈3 d隧道间距

图16 CRD法0.3 d注浆圈4 d隧道间距

由上图可知，在流固耦合的工况下，地表沉降更大，因此要特别注重在富水区地下水的影响，适当的增加注浆圈和开挖间距能有效的减少开挖引起的地表沉降。

5 讨论

通过对上述文章分析以及查阅相关文献，现对地表下沉原因进行讨论：

(1)强风化糜棱岩具有极易破碎的工程性质，在考虑流固耦合的情况下，应当考虑孔隙水压力对土层的影响。对隧道进行开挖时会对土层有较大的扰动，并且在开挖面的部位受孔隙水压力影响较大，从而影响土体的骨架，这会使得土体处于不稳定的状态，导致土体固结沉降上升[11]。

(2)隧道间距对地表沉降有较大的影响，类比土力学中的地基附加应力来进行讨论，当隧道间距由大变小时其对另一个隧道来讲其附加应力随距离减小而增大。不仅是距离远近会导致地表沉降出现差异性，几何位置的对称与否、边界条件的设立对沉降也有较为明显的影响[12]。

(3)从建模角度上来讲，当在模型两侧施加总节点水头时，使该土层具有一定黏性土的性质，黏性土具有胶体的特性，黏性土在沉降过程中会在其表面生成多种类型的孔隙水，在工程扰动下一部分弱结合水处于流动状态，随着土体内孔隙水的排出，这就导致了土体体积的变小，从而使土体沉降压缩，这也就说明了为什么考虑流固耦合时土体发生的压缩比未考虑流固耦合时发生的土体压缩要大[13]。

(4)无论是从考虑流固耦合还是未考虑流固耦合的情况来讲，开挖土体的沉降变化规律在一定程度上具有一致性；开挖基坑周边地表沉降、基础沉降、支护变形与剪切的变化趋势相一致[14]。

6 结论

(1)在考虑流固耦合的情况下，通过控制变量法对注浆地表沉降量进行分析时，通过控制隧道间距保持不变的情况下探讨了不同尺寸的注浆圈对地表沉降的影响，结果表明较小尺寸的注浆圈引起的地表沉降较小，但综合考虑CRD开挖法在流固耦合工况下建议注浆圈取0.3～0.4d较为合适。

(2)在考虑流固耦合的情况下，通过控制变量法对注浆地表沉降量进行分析时，通过控制隧道注浆圈保持不变的情况下探讨了不同间距对地表沉降的影响，结果表明开挖间距较小时，地表沉降相对而言较为明显，当开挖间距逐步增大，地表中心沉降量相对减小，综合考虑现场情况及施工便捷等因素，当间距取3d时较为适宜。

(3)在考虑流固耦合的情况下，注浆圈与开挖间距的增加会使地表沉降量有明显的减小，因此控制注浆圈与开挖间距能有效的控制地表位移。

(4)地表沉降在考虑流固耦合时其沉降表现与未考虑流固耦合时有明显的差异性，考虑流固耦合的地表沉降其沉降表现更为明显，所以应当特别注重工程在富水区段进行施工时的地表沉降问题。