考虑应力－渗流耦合的水下地铁隧道稳定性分析.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０１１９基金项目：国家基金青年基金（５１３０８４４３）；国家自然基金面上项目（５１５７８４４７）考虑应力－渗流耦合的水下地铁隧道稳定性分析姜文清（中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司黑龙江哈尔滨１５０００８）摘要大连地铁海事大学试验线路过河段隧道，围岩条件较差，施工过程中易发生坍塌、涌水等灾害事故。对区间隧道穿越河段的稳定性进行的数值模拟分析表明，地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响，增加了围岩的应力、位移，从围岩－支护结构共同作用原理考虑，进行隧道支护结构设计是应该考虑多场耦合效应的。关键词隧道工程地下水影响数值模拟渗流应力耦合中图分类号Ｕ４５２文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１６）０３０００１０５ＳｔａｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＳｔｒｅｓｓ-ｓｅｅｐａｇｅＣｏｕｐｌｉｎｇｉｎＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＳｕｂｗａｙＴｕｎｎｅｌＪｉａｎｇＷｅｎｑｉｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＦｏｕｒｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＨａｒｂｉｎＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５０００８，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｔｅｓｔｌｉｎｅｏｆＤａｌｉａｎＭｅｔｒｏｉｓｕｎｄｅｒｐｏｏｒｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｔｉｓｐｒｏｎｅｔｏｃａｕｓｅｃｏｌ-ｌａｐｓｅ，ｇｕｓｈｉｎｇｗａｔｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｄｉｓａｓｔｅｒｓｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｗｅｈａｖｅｄｏｎｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕ-ｌａｔｉｏｎｏｆｔｕｎｎｅｌｃｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅｒｉｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｈａｓｓｏｍｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｔｕｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ．Ｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｐｏｉｎｔｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ-ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｍｕｌｔｉ-ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｗｈｅｎｗｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｕｎｎｅｌｐｒｏｊｅｃｔ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓ-ｓｅｅｐａｇｅｃｏｕｐｌｉｎｇ１引言在大连、天津等近海城市的地下工程施工过程中，因隧道开挖引起的地层应力重分布将会导致周边地层的损伤，导致隧道周边出现损伤扰动带；此时，工程周边地层的物理特性、力学特性及水力特性等发生明显变化［１］。地下工程施工扰动会造成工程周边一定范围内的地层松动，孔隙率增加，岩土体的渗透特性发生变化，致使地下工程中的应力－渗流耦合效应十分明显［２］。地下水位线以下的隧道和地下工程施工过程中地下水对实际工程安全性和稳定性影响始终是岩土工程领域亟待解决的重要问题。一些学者基于岩土体渗流力学等理论建立了若干岩土体应力－渗流耦合的分析模型，对岩土体施工中应力和孔隙、裂隙水的耦合问题进行了深入研究［３－５］，杨天鸿等［６］引入渗透率突跳系数，提出了损伤演化过程应力－渗流耦合方程；贾善坡等［７］在连续损伤力学理论基础上，分析了在孔隙压力和塑性损伤演化共同作用下岩体的损伤演化机制；张巍等［８］建立了应力－损伤－渗透系数关系方程，以此考虑应力和损伤对渗流场的影响，并对大型洞室群进行了分析研究；刘仲秋等［９］基于等效饱和多孔介质理论，将裂隙岩体和衬砌混凝土视为具有透水特性的弹塑性损伤材料；沈振中等［１０］、赵延林等［１１］也进行了相关的研究。考虑到近海富水区域地下结构长时间浸润于地下水中，渗流场对隧道周边地层稳定性影响较大。以海事大学试验线穿越河段地铁隧道工程作为工程背景，该地铁隧道段岩层的天然条件较差，施工时容易１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０３）·隧道／地下工程·出现坍塌、涌水等较大的工程事故。为之，将渗透系数、弹塑性渗流有限元软件和损伤动态演化模型三者相结合，对该工程段进行了数值分析。分析结果发现，渗流作用对近海城市的地下工程尤其是隧道的围岩变形有较大的影响。根据围岩－支护结构共同作用原理，隧道支护结构设计过程中应着重考虑多场耦合效应的影响。分析得到的重要结论为近海城市富水区地铁隧道开挖设计提供了参考依据。２地铁区间隧道工程概况２．１区间隧道概况在建的大连地铁大连海事大学试验线路段为双线单洞隧道，该段隧道断面为马蹄形，隧道跨度为６．３ｍ，区间起讫里程为ＣＫ１８＋３９５．３２９～ＣＫ１９＋６４４．９６５，全长１２４９．６３６ｍ。大连海事大学站的区间隧道需横穿凌水河，下穿位置的河面宽度约为５０ｍ，是季节性河流，枯水期时下游常常断水，多雨期时下游排水量猛增。凌水河入海口处在涨潮期时常会出现海水倒灌现象，使海水反补河流；且该段地质条件复杂，在区间隧道的施工和运营中发生灾害的可能性较其他地段隧道要大许多，且地表和地下水的参与更是增加了工程设计和施工处理的难度，是大连地铁试验线路的重难点工程之一。２．２工程地质条件海事大学段地铁工程类型是双线单洞隧道；下穿河段区间隧道段的上覆地形变化很大，隧道线路纵断面是单向坡。区间隧道的地层类型包括第四系全新统人工堆积层（Ｑ４ｍｌ）、第四系冲洪积层（Ｑ４ａｌ＋ｐｌ）、第四系上更新统坡洪积层（Ｑ３ｄｌ＋ｐｌ）、震旦系长岭子组板岩、碎裂状板岩（Ｚｗｈｃ），按风化程度分为：微风化板岩、中风化板岩、强风化板岩和全风化板岩４个亚层。区间隧道地下水类型包括第四系基岩裂隙水和孔隙水，大部分地下水存在于第四纪基岩裂隙中和地层的孔隙中。考虑到地层岩石的渗透性不同，基岩中裂隙的发育程度较高，基岩和卵石层中的储水具有承压性，裂隙水与孔隙水会形成局部贯通。３地下水对区间隧道的影响分析３．１弹塑性损伤耦合模型建立以弹塑性理论、损伤力学和渗流力学理论为基础，参考王军祥等人的研究成果［１２］，建立了弹塑性应力－渗流－损伤耦合模型，模型基于以下假设：（１）模型中饱和体的骨架看作理想弹塑性损伤各向同性体，且符合小变形假设；（２）地下工程周边的渗流为稳流，符合Ｄａｒｃｙ定律；（３）地下工程周边的渗流液体假定为理想液体，同时渗流按等温过程设置。水体具不可压缩性，据Ｄａｒｃｙ定律，得到地下水渗流的连续方程：隧隧ｘ（ｋｘ和ｐ隧ｘ）＋和和ｙ（ｋｙ隧ｐ隧ｙ）＋和和ｚ（ｋｚ和ｐ隧ｚ）＋γ·（ｋｚ）隧ｚ＝Ｓｓγ·ｐ隧ｔ（１）式中，ｈ为渗透水头；ｘ、ｙ、ｚ为空间坐标；ｔ为时间坐标；ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ是以ｘ、ｙ、ｚ轴为主轴方向的渗透系数；Ｓｓ为单位贮存量；γ为水的重度；ｐ为孔隙水压力。根据实际工程情况，得到模型的边界条件和初始条件，按照有效应力原理公式以及平衡条件方程，得到了以有效应力原理为基础的平衡微分方程。地下水渗流场的平衡微分方程充分反应了应力渗流的动态耦合效果。渗透系数－应变（或应力）方程是进行应力渗流耦合数值分析必不可少的控制方程。根据文献［１３］和文献［１４］的研究成果，基于Ｋｏｚｅｎｙ-Ｃａｒｍａｎ公式，可以得到岩石渗透系数与体积应变间的关系表达式［１５］：Ｋ＝Ｋ０１＋εｖｎ[]０３１＋εｖ（２）式中，ｎ０为初始孔隙率；εｖ为体积应变；Ｋ０初始渗透系数。利用开发的弹塑性应力－渗流－损伤模拟分析程序。该程序按照分步迭代法原理，经计算得出弹塑性应力－渗流－损伤耦合模型的数值解。在初始应力状态下，程序利用增量迭代法获得弹塑性损伤岩石的变形场、损伤场和应力场，且依据计算所得的变形场求解出岩石的体积应变；继而在更新的应力状态条件中，凭借已解的体积应变推导出岩石的渗透系数矩阵，将上述渗透系数矩阵代入渗流有限元分析，最后得到渗流场的分布情况；按照式（１）可得出节点处的孔隙水压力，再把计算出的节点孔隙水压力依据有效应力原理代入力学场。反复计算，直到有限元软件最后两次计算得出的渗流场、应力场和损伤场均符合收敛准则。２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０３）·隧道／地下工程·３．２数值分析模拟及分析参数为了分析地下水渗流对大连区间地铁隧道稳定性的影响，以ＣＫ１９＋５５０ｍ处区间隧道断面作为分析对象，建立出相应的数值模型。该隧道断面的模型类型选择平面应变模型，模型的有效范围取宽为４２．３０ｍ，高为３１．５０ｍ，隧道围岩使用四边形单元进行网格划分，共有单元约１５００个，节点约为１６００个。有限元模型中区间隧道的二次衬砌的厚度取为３０．０ｃｍ，同样使用四边形单元进行网格划分，共有单元约８０个单元，节点约１４０个。该模型的左侧面和右侧面上为ｘ方向上的位移约束，底面为ｙ方向上的位移约束。以区间隧道上地层的均布压应等效为＝０．１６３８ＭＰａ的；模型上边界处设置的初始水头为＝１．０ｍ，沿单元面添加沿重力方向梯度变化的水头压力。该模型隧道轮廓边界及模型边界均设置为透水边界。模型网格划分如图１所示。依据试验研究和现场勘察可知，该埋深段地铁隧道处于中风化板岩层中，岩石物理力学参数为：容重γ＝２３．４ｋＮ／ｍ３，弹性模量Ｅ＝３．０１ＧＰａ，泊松比μ＝０．２５，粘聚力ｃ＝０．２６ＭＰａ，内摩擦角把＝３３．１°，剪胀角φ＝３３．１°。图１区间隧道有限元模型根据设计资料，区间隧道的二衬的容重γ＝２５．５ｋＮ／ｍ３，泊松比μ＝０．１７，弹性模量Ｅ＝２５ＧＰａ。区间隧道穿越河流段岩石的物理力学参数中，初始渗透系数ｋｘ＝ｋｙ＝３．１２×１０－３ｍ／ｄ，初始孔隙度ｅ＝２．１×１０－３；衬砌渗流参数初始渗透系数为ｋｘ＝ｋｙ＝８．３×１０－５ｍ／ｄ，初始孔隙度ｅ＝１．１９×１０－４。３．３地下水对区间地铁隧道的影响分析针对区间隧道穿越河流段的稳定性，分两种情况进行了计算：（１）有限元模型忽略渗流场影响，只考虑弹塑性损伤力学场模拟分析；（２）有限元模型采用上述建立的应力－渗流－损伤耦合模型，进行流固耦合的计算。按以上确定的两种工况进行有限元数值模拟分析，在（１）条件下隧道开挖后围岩和浇筑衬砌后进行弹塑性损伤力学场计算。图２和图３分别给出了区间隧道穿越河流段毛洞开挖后和浇筑衬砌后的ｘ、ｙ方向的应力图。显然从图可得出，浇筑衬砌后岩石的应力分布区域出现了很大的改变。图２毛洞开挖后ｘ、ｙ方向围应力云图图３浇筑衬砌后ｘ、ｙ方向围应力云图图４给出了区间隧道穿河段施作衬砌后的ｘ、ｙ方向的位移变化，由图可以看出，这时隧道衬砌的宽（ｘ方向）最大位移出现在左右两边，值为０．２ｍｍ；此时高（ｙ３铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０３）·隧道／地下工程·方向）的最大位移发生在顶部位置，约为８．４ｍｍ。图４浇筑衬砌后衬砌位移图５给出了隧道开挖后未支护时（毛洞）围岩的塑性区分布图和浇筑衬砌结构后围岩的塑性区分布图。由图可知，相对于未支护的毛洞状态，衬砌支护后围岩的塑性区分布的范围及深度明显减小，因此为改善围岩的应力状态，在区间隧道机械开挖后需尽快对初期支护及二次衬砌进行施工，以减缓隧道围岩的弱化。图５毛洞开挖及浇筑衬砌后塑性区图６给出了区间隧道毛洞及施作二次衬砌后围岩扰动损伤云图，由图可见，区间隧道开挖引起的洞周岩体的损伤区主要分布在隧道的左右两侧；但当施作了二次衬砌以后，损伤的区域发生了变化；隧道毛洞开挖后的损伤最大值为０．０９，而区间隧道支护后的损伤值为０．０３２。因此，可得出及时的初期支护及二次衬砌的施作能有效减少围岩的扰动损伤，有利于隧道的稳定性和长久的运营安全。图６毛洞开挖及施作衬砌后损伤区对于地下水位线以下的地下工程，影响隧道和地下水环境相互作用即影响应力场与渗流场耦合作用的主要参数是岩层的渗透系数ｋ。当隧道周围岩层性质较差，岩石的孔隙较大或者岩石中有大量的节理、裂隙时，岩体的渗透系数常常较大，这会导致应力场与渗流场的耦合效应变大，渗流场对隧道上覆土层的变形影响变大。假如这时忽略应力场与渗流场的耦合效应，会使模型得出的分析结果出现很大的偏差。对比分析大连地铁区间隧道穿越河流段隧道考虑应力－渗流－损伤耦合作用和不考虑此作用两种方法的结果，得出：考虑渗流作用后隧道上覆地层表面的沉降量将增加。就区间隧道ＣＫ１９＋５５０ｍ处举例，两种模型对比岩石表面沉降变形量如图７所示，两种方法下最大值相差达１．５ｍｍ。图７考虑和不考虑耦合作用基岩表面沉降量３．４渗流影响机理地下水位线之下的地铁区间隧道施工时，隧道的开挖会对围岩含水层进行扰动，会使部分地下水的通道被揭露，进而导致隧道周围地下水的水动力学性质和隧道的岩体力学平衡条件产生突变，使地４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０３）·隧道／地下工程·下水或与之有水力联系的其他水体在重力作用下由相对静止状态转变为流动状态。受此影响，隧道四周的水位线下降，岩层孔隙水压力也随之变小，引发临近隧道产生下降区，在水迁移过程中隧道范围外缓慢变化区如图８所示。图８毛洞开挖及施作衬砌后水流矢量隧道开挖时，如果能及时浇筑二次衬砌，二次衬砌就能有效拦截地下水向隧道内部流入，隧道中产生的涌水量也会相应减小。在隧道ＣＫ１９＋５５０ｍ处，衬砌施工后隧道内渗流量减小到１４７５．４０５ｍ３／ｄ，衬砌浇筑后隧道涌水量相对变小。４结论随着我国科学技术水平的不断提高，隧道施工技术也随之取得了较快的发展。最近的几年，由于隧道所处的地质条件相对复杂使得隧道结构形式也愈发复杂多样化，使我国在过河、过江、过海隧道的建设技术领域上有了突飞猛进的发展。然而在隧道技术高速发展的过程中有个问题却一直不容忽视，那就是地下水对隧道建设的影响，大量的工程事故表明：地下水一直是引发隧道安全事故多发的关键因素。上述事故的主要原因在于，隧道的施工会改变地下水的渗流场，渗流场的改变最终会导致隧道周围应力场出现重分布。本文以在建大连地铁海事大学试验线路下穿河段隧道为研究背景，将渗透系数ｋ、弹塑性渗流有限元软件和损伤动态演化模型三者相结合，通过计算，对孔隙度、渗透系数取定值及不考虑岩体损伤的流固耦合两种方法的结果进行对比，分析了该区间隧道运营期间围岩的长期稳定性和衬砌结构受力特征。为受地下水危害较大的地下工程建设提供依据，为今后同类工程的设计和建设提供参考。参考文献［１］王建宇．隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载［Ｊ］．铁道建筑技术，２００８（２）：１－６．［２］彭思甜．考虑流固耦合铁路隧道下穿河道的扰动及注浆加固研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（８）：６１－６５．［３］贾善坡，陈卫忠，于洪丹，等．泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究［Ｊ］．岩土力学，２００９（１）：１９－２６．［４］李根，唐春安，李连崇．水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展［Ｊ］．力学进展，２０１２（５）：５９３－６１９．［５］陈平，张有天．裂隙岩体渗流与应力耦合分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９４（４）：２９９－３０８．［６］杨天鸿，唐春安，朱万成，等．岩石破裂过程渗流与应力耦合分析［Ｊ］．岩土工程力学，２００１（４）：４８９－４９３．［７］贾善坡，陈卫忠，于洪丹，等．泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究［Ｊ］．岩土力学，２００９（１）：１９－２６．［８］张巍，肖明，范国邦．大型地下洞室群围岩应力－损伤－渗流耦合分析［Ｊ］．岩土力学，２００８（７）：１８１３－１８１８．［９］刘仲秋，章青．考虑渗流－应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２（１０）：２１４７－２１５３．［１０］沈振中，张鑫，孙粤琳．岩体水力劈裂的应力－渗流－损伤耦合模型研究［Ｊ］．计算力学学报，２００９（４）：５２３－５２８．［１１］赵延林，王卫军，黄永恒，等．裂隙岩体渗流－损伤－断裂耦合分析与工程应用［Ｊ］．岩土工程学报，２０１０（１）：２４－３２．［１２］王军祥，姜谙男．岩石弹塑性应力－渗流－损伤耦合模型研究（Ⅰ）：模型建立及其数值求解程序［Ｊ］．岩土力学，２０１４（Ｓ２）：６３７－６４４．［１３］ＪＩＡＮＧＡｎ-ｎａｎ，ＷＡＮＧＪｕｎ-ｘｉａｎｇ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＩｎｔｅｌｌｉ-ｇｅｎｔＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＢａｃｋＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤａｌｉａｎＳｕｂｗａｙＴｕｎ-ｎｅｌＥｘｃａｖａｔｉｏｎＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＤｉｓａｓｔｅｒＡｄ-ｖａｎｃｅｓ，２０１２（５）：１５０４－１５１１．［１４］ＪｕｎｘｉａｎｇＷａｎｇ，ＡｎｎａｎＪｉａｎｇ，ＪｉｎｇＳｈｉ．ＴｈｅＦｕｌｌｙＩｍ-ｐｌｉｃｉｔＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｏｆＴｈｅＮｏｎ-ａｓｓｏｃｉａ-ｔｉｖｅＩｓｏｔｒｏｐｉｃＨａｒｄｅｎｉｎｇＤｒｕｃｋｅｒ-ＰｒａｇｅｒＣｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅＭｏｄ-ｅｌ［Ｃ］．ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ２０１２-Ｐｒｏ-ｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２０１２ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ，２０１２：７２９－７３３．［１５］ＭｉｎｋｏｆｆＳＥ，ＳｔｏｎｅＣＭ，ＢｒｙａｎｔＳ，ｅｔａｌ．Ｃｏｕｐｌｅｄｆｌｕｉｄｆｌｏｗａｎｄｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，３８（１）：３７－５６．５铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０３）