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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