基于流固耦合计算模型的隧道围岩开挖效应及及稳定性分析

摘要

本文旨在研究富水和岩溶区域隧道开挖过程中围岩开挖后的力学行为和突水灾害发生的几率。研究通过理论和数值分析，采用渗流耦合模型，建立了27个COMSOL数值计算模型，分析了隧道不同埋深、不同水体位置和压力、不同围岩强度下的围岩稳定性和渗流分布规律，并在对超前预注浆进行模拟的基础上，提出了在不同工况下规避的突水风险和控制围岩稳定的措施。本文的主要内容和结果如下:
　　1、基于围岩破坏准则与渗流方程的分析，阐述了在COMSOL多场模拟软件中的实现过程与方法。
　　(1)基于弹性多孔介质和Biot-Willis模型理论建立了相应的流固耦合模型。
　　(2)建立的数值模型包括基于工程背景的岩石材料特性和边界条件设置，采用了便于收敛计算的四面体网格划分和基于开挖过程中有突水可能的水文、地质工况。
　　(3)在数值计算模型中，采用的流固耦合模型通过不同开挖距离（开挖步）的改变，将中间迭代过程中应力结果嵌入到流体模型中孔隙水压力的行为与影响；同样地，计算获得的水压力也叠加到地应力重分布的计算结果中，并影响塑性区和破坏的范围，实现开挖引起的应力重分布和渗流之间的相互影响和耦合作用，进而获得更加符合工程实际的计算结果。
　　2、建立了27个不同工况模型，对不同埋深、不同水体位置和压力、不同围岩强度下的围岩稳定性和渗流分布规律进行了分析。
　　(1)基于不同深度和水头边界条件，分析了有水和无水条件下的不同开挖效应，计算结果表明：
　　a、在开挖条件下，无水和有水不同模型的应力重分布计算结果与规律基本相同，从垂直压力分布规律看，在开挖到20m时开始有变化，而当开挖到10m时则急剧提升，开挖的影响范围是20m左右，10m范围则认为是一个需要采取措施或加固的范围，只是在软岩模型中产生了更为显著的塑性区和破坏范围。
　　b、随着开挖的进行，隧道的埋深和围岩强度对顶底板的水平位移和两帮的垂直应力的影响更为敏感，并处在一个较小的安全范围之内。但围岩强度较差时（当单轴抗压强度30MPa UCS或f<2时），则需要采取加固措施。
　　c、孔隙水压力分布与深度基本无关，仅仅和水体的位置和开挖面位置密切相关，达西渗流速度在开挖面位置达到峰值，而开挖之后则逐渐降到一个稳定值，数值约为峰值应力的62.5%。
　　(2)建立了4个模型分析了不同水压对稳定性的影响，并对比分析了软岩和硬岩条件下的计算结果。
　　a、在不同初始水压情况下，垂直和水平应力（地压分布）的差别都很小，不过开挖改变了应力场的分布，原来水压大的反而变小了，而原来水压低的反而变大了。另外，不同位置的应力变化规律基本一致，但是在软岩情况下，相比硬岩最大主应力降低了约20%，软弱围岩更有利于地应力的均匀重分布。
　　b、不同的水压对塑性区几乎没有影响。
　　c、开挖前，不同的水压对围岩水平和垂直方向的位移都几乎没有影响，但在开挖之后，变形将急剧增长。且当水压在4Mpa时，两帮的位移量都明显高于低水压的情况，相比1Mpa两帮位移增加了16.67%；相比而言，顶底板的变形量则受初始水压的影响稍小，顶板增加了12.86%，而底板则增加了10%。
　　d、初始孔隙压力在随着开挖的进行会有一个先升高后降低的过程，且较高水压条件时（4MPa）明显高于较低水压的其它两种情况。当水体距离开挖面为20m、0m和开挖过后20m时，空隙水压力分别为1.9MPa、2.1MPa和1.8 MPa，当开挖接近水体时，空隙水压力大约要升高16.67%。从各个模型计算结果来看，对于水压小于4Mpa时，水体的压力对围岩的稳定性不会产生灾难性的影响。
　　(3)建立了3个模型分析了不同开挖规模对稳定性的影响，通过研究开挖半径分别为3m,4m和5m的不同模型,计算与分析后得到如下规律：
　　a、随着开挖断面的增大，围岩内部的应力峰值呈增大的趋势，当开挖半径从3m增大到5m时，最大垂直应力增加了6Mpa，增加22%。在开挖半径在5m时，开挖以后，围岩内部最大应力较开挖前增长了116%。另外，通过对比无水和有水两种工况，发现无水情况下，围岩内部的应力峰值较有水条件有所增加，量约为6.25%。
　　b、随着开挖半径的增大，由于开挖引起的塑性区也明显增加，当开挖半径时3m时，塑性区的范围约为3m，而开挖半径达到4m时，影响范围扩大到了8m，而开挖半径达到5m时，则塑性区的范围达到了15m之多，范围扩大了将近4倍。拟合结果表明，塑性区的增长和开挖半径的增长呈现非线性关系，并符合y=x2-2x分布规律。
　　c、在有水条件下，当开挖半径从3m增加到5m时，最大垂直位移增加了66.67%，最大水平位移则增加了83.3%。当开挖半径达到5m时，顶板位移达到75mm，较开挖半径为3m时提高了约66.67%。
　　d、当开挖半径为3m和5m时，达西流速分布规律基本一致，但当开挖半径是4m时，孔隙水压力的变化明显大于半径是3m和5m的情况，达西流速比3m和5m时增加了将近3倍，结果表明当开挖半径在4m左右时，突水的风险要明显高于3和5m的情况。
　　(4)建立了两组6个模型分析了不同的水体位置对软岩和硬岩隧道稳定性的影响。
　　a、通过对比水体在开挖正前方、隧道右侧12m和左侧10m三种工况，开挖过后20m水体在隧道右侧12m时对应力分布的影响最大，而继续开挖到30m时，则水体在开挖面正前方时（Y=30）对应力分布和变形的影响最大，而继续开挖到40m时，最不利的情况又变为水体在隧道开挖中心线10m时的工况，但从应力峰值来看，水体在开挖隧道正前方时最为不利。
　　b、在围岩开挖以后，帮部的水平位移有一个急剧变化的过程，且硬岩和软岩不同的围岩条件下表现出截然不同的规律，当围岩是软岩时，在水的影响下出现了拉伸变形；不同的水体位置对顶底板的位移影响不大，且不管是软岩和硬岩，顶底板则表现出相似的变形规律，只是在软岩条件下，变形量可以达到300mm，并硬岩条件下增加了2.5~3倍，必须采取控制措施才能保持围岩的稳定。
　　c、在隧道开挖过程中，开挖面通过水体位置时，孔隙水压力都急剧下降，通过不同监测断面的结果表明，开挖过后，孔隙水压力还有一个逐步回升和波动的过程，但波动的范围均在0.3Mpa以内，表明开挖过后，已开挖隧道内再发生突水的可能性很低。
　　(5)通过4组模型，分析对比了无支护条件下岩体强度变化对稳定性的影响。
　　a、软岩和硬岩中开挖隧道，由于岩体强度的变化和开挖变形的影响，应力重分布结并不呈现线性的变化规律，软岩对于应力重分布更为有利，当E从22Gpa降到10Gpa改变12Gpa时，岩体内的最大主应力仅仅只有1.2Mpa的差别，减少了4.6%，而弹模降到单轴抗压强度30MPa时，岩体内的最大主应力也只降低了13.3%，适当的变形更有利于隧道和围岩的稳定。
　　b、研究结果表明，内摩擦角较弹性模量的变化，对围岩破坏范围的影响更为显著，当岩体内摩擦角较小时，会产生较大的塑性区。尤其是在两帮中，当围岩强度降低到一定程度时（单轴抗压强度30MPa，Φ=27.55?），塑性区范围超过5m，且开挖引起的塑性区和水体本身塑性区极易贯通，增加了突水的风险。
　　c、通过隧道两帮的水平位移分析表明，在开挖10m以后水平位移会持续增加并在开挖40m以后开始减缓并保持恒定。另外，水的存在，反而能够降低顶底板产生的位移。在软弱围岩中，应特别注意在水体前后40m范围内的超前加固，并且帮部需要做加强支护。
　　3、通过各影响因素对围岩稳定性和突水风险的分析，获得了对水体周边开挖提前加固的临界安全距离为30m，提出超前30m进行预加固是有效保护围岩的稳定性和防止突水的重要措施之一。
　　a、开挖前后孔隙水水压力分布存在较大的差别,孔隙水压力随着开挖的进行逐渐降低，且当水体距离开挖隧道右侧12m时，比水体在隧道正前方及右侧10m时的影响更为显著。
　　b、当水体距离隧道开挖面比较近时，受开挖变形的影响，围岩内部应力和渗流压力相互变化和影响,特别容易发生突出危险。研究结果表明，当水体在隧道右侧12m且距离水体15m或当水体在隧道内及右侧并开挖到30m时，应力都开始急剧增加。因此,不管是硬岩还是软岩，都应该在水体前后的30 m内进行加固和其它降水措施。
　　c、在注浆条件下，孔隙水压力下降明显，当提前30m进行预注浆时，开挖区周围的孔隙水压力可从2.8Mpa降低1.2Mpa，且达西速度降低到接近于0，通过注浆方法，可以控制孔隙压力，防止可能的水涌危害。
　　d、超前注浆后，顶底板位移均得到了有效控制，其中水平位移能够减少23%，顶板和底板能够降低50%，并总能控制在围岩稳定范围之内，超前加固能够有效保护围岩的稳定性。
　　4、通过上述研究和分析，获得如下主要结论：
　　(1)在数值计算模型中，采用基于弹性多孔介质和Biot-Willis模型理论建立的流固耦合模型。流固耦合模型通过不同开挖距离（开挖步）的改变，将中间迭代过程中应力结果嵌入到流体模型中孔隙水压力的行为与影响；计算获得的水压力也叠加到地应力重分布的计算结果中，并影响塑性区和破坏的范围，实现开挖引起的应力重分布和渗流之间的相互影响和耦合作用。
　　(2)在隧道开挖过程中，开挖影响的主要范围是开挖前的20m和开挖后的40m，应力和变形将在开挖到距离水体10m时急剧增加。在软弱围岩中，应特别注意在水体前后40m范围内的超前加固，并且帮部需要做加强支护。
　　(3)根据不同开挖直径的对比分析，建立了塑性区大小和开挖半径之间的一个非线性关系，拟合结果显示符合y=x2-2x分布规律（x为开挖半径，y为塑性区大小，单位为m）。根据围岩稳定性和渗流规律分析，当开挖半径在4m左右时，突水的风险要明显高于3和5m的情况，开挖半径过大和较小，都有可能增加突水的风险。
　　(4)内摩擦角较弹性模量的变化，对围岩破坏范围的影响更为显著，当岩体内摩擦角较小时，会产生较大的塑性区。尤其是在两帮中，当围岩强度降低到一定程度时，开挖引起的塑性区和水体本身塑性区极易贯通，增加了突水的风险，通过注浆改变围岩的内摩擦角等是较为有效的控制措施。
　　(5)通过各种模型计算结果的分析,获得了对水体周边开挖提前加固的临界安全距离为30m。并通过围岩注浆的计算模型，从孔隙压力分布、塑性区屈服应力和位移等方面的分析,结果表明，超前注浆后，顶底板位移均得到了有效控制，其中水平位移能够减少23%，顶板和底板能够降低50%以上，并总变形量能控制在围岩稳定范围之内，超前30m进行预加固是有效保护围岩的稳定性和防止突水的重要措施之一。

目录

声明

致谢

Symbols (变量注释表)

1 Introduction

1.1 Research Background and Significance (问题的提出及研究意义)

1.2. Present Research status inside and outside China (目前国内外研究现状)

1.3. Research Contents and Technical Route (研究内容及技术路线)

2 Theoretical background and its analysis

2.1 Stress redistribution due to excavation（开挖引起的应力重分布）

2.2 Failure criteria of rock mass and its selection（岩体破坏准则分析与选择）

2.3 Constitutive relation between Principle of Effective Stress and Permeability Law（有效应力原理和渗流本构关系）

2.4 Model assumptions for Fluid-structure interaction and its coupling mechanism（流固耦合模型假设及耦合机理）

3 The numerical model and implementation method

3.1 Selection for Numerical Simulation Software数值模拟软件的选择

3.2 Physical model for Numerical Simulation（物理模型）

3.3 Internal fluid-structure coupling model of surrounding rock and its implementation.(围岩内部流固耦合模型及实现)

3.4 Chapter Summary（本章小结）

4 Stability Analysis and water inrush in surrounding rockmass in tunnel (based on the fluid-structure interactionmodel)

4.1 In-situ stress distribution before excavation in rock mass (岩体开挖前的地应力分布)

4.2 Stability of surrounding rock and seepage water distribution due to different depth of excavation.（不同开挖深度对围岩稳定性及水的渗流分布的影响）

4.3 Effect on stability due to different water pressure（不同水压对稳定性的影响）

4.4 Effect on stability due to different in size of excavations.（不同开挖规模对稳定性的影响）

4.5 Effect on stability due to different location of the water body.（不同的水体位置对稳定性的影响）

4.6 Effect on stability due to the different strength of rock mass without support conditions.（无支护条件下岩体强度变化对稳定性的影响）

4.7 Chapter Summary（本章小结）

5 Determination of Safety assessment and reinforcementfield of tunnel excavation near water body

5.1 Confirmation of Reinforcement（加固范围确定）

5.2 Strengthening of the surrounding rock mass by grouting（注浆加固围岩强度）

5.3 Chapter Summary（本章小结）

6 Conclusion and Prospects

6.1 Main conclusion

6.2 Prospects

参考文献

Author’s Resume (作者简历)

学位论文数据集