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原文传递基于流固耦合极限分析的富水隧道稳定性研究

论文题名：	基于流固耦合极限分析的富水隧道稳定性研究
关键词：	富水隧道;稳定性评价;流固耦合;渗流控制;注浆圈参数;围岩安全系数;极限应变法
摘要：	我国西南地区多山岭且地下水丰富，公路隧道在修建过程中面临的水文地质条件复杂多变，国内外大量工程实践表明，隧道在穿越富水地质段时常易发生涌水、突泥甚至塌方等工程灾害，因此开展流固耦合作用下富水隧道稳定性的研究有其必要性和现实性。论文以大学城复线隧道为工程背景，通过理论解析分析了有无渗流作用下隧洞围岩稳定性之间的差异；通过数值模拟分析了是否考虑流固耦合作用、不同渗流控制因素及不同注浆圈参数下的隧道稳定性，并采用极限应变法计算的围岩安全系数对隧道稳定性进行评价，主要研究内容及成果如下：　　（1）基于M-C屈服准则的轴对称平面应变问题模型，通过算例对比分析了有无渗流作用下的圆形隧洞弹塑性解。结果表明：在渗流作用下围岩应力、径向位移及塑性区半径增大，围岩切向应力受影响最为显著。采用数值极限分析方法中的有限差分超载法，在 FLAC3D 中计算出本文所采用围岩经加固后的极限剪应变为9.50?10-4，将极限剪应变区贯通作为围岩整体失稳判据以此求解围岩安全系数，并通过与传统判据计算结果进行对比验证了其可靠性。　　（2）针对理论解的局限性，运用FLAC3D软件分别对完全流固耦合模型和非流固耦合模型的隧道三台阶法、CRD 法开挖进行数值模拟，分析了渗流场、位移场、应力场、塑性区、支护结构受力及基于极限应变的围岩安全系数的变化规律，结果表明：两种工法在流固耦合作用下相较不考虑流固耦合表现出相同的变化规律，拱顶和拱底竖向位移及速率增大，围岩塑性区和极限应变区范围扩张，围岩安全系数降低，初支拱底由压应力转变为拉应力，隧道整体稳定性下降。　　（3）在流固耦合模型的基础上，通过数值模拟研究了不同初始水位、隧道地下水排放量对隧道稳定性的影响规律，确定了隧道相对薄弱位置，结果表明：拱脚处地下水流速最快、初支外水压力最大，施工中应注重拱脚部位的加固及防排水处理；随着初始水位升高隧道稳定性显著降低，拱底对水位高度最为敏感，高水位情况下易发生底鼓破坏；随着隧道排水量增加，围岩拱底隆起减小，初支拱底受力得到改善，由于孔隙水有效排出围岩安全系数提升，增大隧道排水量可以显著降低拱底受地下水的影响。　　（4）通过数值模拟研究了不同注浆圈参数对隧道稳定性的影响规律，结果表明：增大注浆圈厚度、渗透系数比都有助于提升注浆圈的堵水效果，但在渗透比增大的情况下，由于超静孔压长时间存在于岩体裂隙中围岩安全系数小幅降低，因此采取注浆的隧道应搭配相应的排水措施共同控制地下水。综合来看，工程中合理的注浆圈厚度为5m、渗透系数比为50。　　（5）对依托工程某一富水段进行施工模拟，结果表明：模拟和现场实测围岩变形量的变化趋势基本一致，实际工程在开挖后应及时施作初支并封闭成环；当取山岭隧道限排标准上限值 5.0 m3/m·d 作为依托工程排水量时，水位距拱顶不超过60m的隧道在注浆圈厚度达到5m、渗透比达到50时围岩安全系数均大于1.15，提出的注浆设计方案可为类似工程提供设计和施工参考。
作者：	樊戬
专业：	土木水利
导师：	王建华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023