基于流固耦合的隧道周圍滲流場演變規(guī)律研究

基于流固耦合的隧道周圍滲流場演變規(guī)律研究

隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展，對鐵路隧道的需求也在增加。許多隧道建在深埋高壓的山區(qū)。研究和建設(shè)隧道對生態(tài)環(huán)境和地下水環(huán)境的影響非常重要，已成為緊迫的問題。尤其在實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的過程中,生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)是決定西部大開發(fā)成功的關(guān)鍵。本文依托在建的西寧—格爾木二線關(guān)角隧道工程,研究高水壓山嶺隧道圍巖水環(huán)境變化,進(jìn)而分析隧道控制排水量的大小,具有突出的工程實(shí)用價值。1主要工程建設(shè)關(guān)角隧道位于既有青藏鐵路西格段天棚車站與察汗諾車站之間,高程3400m～4500m,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,工程艱巨,為全線的主要控制工程。新建隧道為兩座平行的單線隧道,線間距40m,均位于直線段上,隧道進(jìn)口段為8‰的上坡,在嶺脊設(shè)坡度代數(shù)差后,以9.5‰的坡度連續(xù)下坡。2研究區(qū)域地質(zhì)背景隧址區(qū)地層巖性復(fù)雜,沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類均有出露,出露的地層主要有第四系、三疊系、二疊系、石炭系、志留系、下元古界,并伴有華力西期侵入巖,本文選取樁號DK305+330～DK305+500研究范圍(見圖1),該區(qū)域內(nèi)主要分布巖層巖性為三疊系下統(tǒng)下元古界和第四系全新統(tǒng)其中以下元古界混合片麻巖為主。關(guān)角隧道越嶺區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,本區(qū)歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動,斷裂較為發(fā)育,且規(guī)模較大,破碎帶寬度一般為數(shù)十米,最寬的達(dá)數(shù)百米,受大氣降水、地表水及深層地下水的補(bǔ)給,破碎帶內(nèi)常為地下水的富集地帶,隧道在此地帶往往會出現(xiàn)涌水及突水現(xiàn)象。同時構(gòu)造運(yùn)動造成巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體破碎,為地下水的富集提供了良好的運(yùn)移通道,巖層賦水性較好。3數(shù)值模擬法模型建立本文中考慮到隧道開挖半徑、人工邊界和左、右隧洞對滲流場的影響,取寬度方向(x方向)計(jì)算范圍為200m,劃分為50個有限差分單元;深度方向(z方向)取至地下水面位置,即高度方向計(jì)算范圍為160m,劃分為30個有限差分單元,上部圍巖(74m)只考慮重力作用。為簡化計(jì)算,在隧道長度方向取隧道施工循環(huán)進(jìn)尺長度3m,則整個計(jì)算范圍為200×160×3(m)。根據(jù)關(guān)角隧道工程地質(zhì)勘測報告,結(jié)合本次隧道數(shù)值分析模型大小,隧道圍巖只考慮混合片麻巖,巖體受構(gòu)造影響較嚴(yán)重,節(jié)理、裂隙較發(fā)育,巖體較完整,塊狀為主,巖質(zhì)堅(jiān)硬,圍巖類別為Ⅳ級。上部圍巖的作用等效為面力,施加在模型頂部,隧道二次襯砌采用C30防水混凝土。圍巖力學(xué)參數(shù)由工程勘測資料提供,并結(jié)合規(guī)范要求和數(shù)值模擬中參數(shù)折減需要,給出圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及襯砌混凝土參數(shù),如表1所示。數(shù)值計(jì)算中材料的力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性理論模型。為了分析隧道建成后,隧址區(qū)圍巖水環(huán)境的演變規(guī)律,本論文數(shù)值模擬分為兩種防排水模型和一種流體邊界條件進(jìn)行計(jì)算分析。隧道計(jì)算模型力學(xué)邊界條件采用位移約束方式,底部邊界約束豎向位移為0,上部邊界為自由邊界,左右邊界采用水平位移約束為0;流體邊界只考慮水平方向的水源補(bǔ)給,不考慮大氣降水的補(bǔ)給模型底部為不透水邊界上部為透水邊界左右為流量邊界4全排水及其限排水模型隧道建成運(yùn)營后,由于襯砌背后的防水層施工工藝的誤差,不可能做到完全防水,地下水通過襯砌接縫或者直接通過襯砌本身滲漏到隧道內(nèi),造成隧址區(qū)地下水的流失。類似于井點(diǎn)降水漏斗,從宏觀上分析隧址區(qū)疏干漏斗的形狀,由于隧道長度遠(yuǎn)大于寬度,加之洞口段含水量的厚度往往變小,因此洞頂疏干漏斗的空間形狀不是倒圓錐體而是倒橢圓錐體,其地面范圍不呈圓形而近似于橢圓形。本文主要分析隧道運(yùn)營后全排水和限排水兩種模型排水量對隧址區(qū)地下水的影響,對比分析隧道排水量(Q1)全排水模型。隧道襯砌內(nèi)邊界的流通量取為4.06m從圖2中孔隙壓力等于零的等值線來看,不同流通量比值形成的降水漏斗明顯不同,補(bǔ)給量小的降水漏斗大,補(bǔ)給量大的降水漏斗小,這是因?yàn)樵诓煌倪吔鐥l件下,滲流場和應(yīng)力場耦合達(dá)到穩(wěn)定時所需要的時間不同,圖2a)最小,圖2d)最大。考慮到FLAC3D流固耦合計(jì)算時間較長,本文只計(jì)算了一年內(nèi)地下水的變化情況,見表2。通過比較表2中的數(shù)值,可以得出隨著Q2)限量排水模型。限排水模型中隧道襯砌邊界滲漏水量取0.4m隧道通過注漿圈止水和襯砌自防水作用降低了隧道滲漏水量,保護(hù)了地下水環(huán)境的長期穩(wěn)定,對于地下水環(huán)境的演變規(guī)律基本上沒有太大的影響,水位降值見表3,本文只給出模型計(jì)算平衡、5d和10d時的水位降值,圖3a)～圖3d)為限排水模型流固耦合計(jì)算達(dá)到平衡時的孔隙水壓力等值線云圖。對比表2,表3中的水位降值,說明注漿止水圈和襯砌都起到了控制地下水排放的作用,水位降值明顯減小,限排水模型下穩(wěn)定水位降值在0.27m～0.45m之間。5補(bǔ)給的流量邊界條件本文通過FLAC3D等效