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基于流固耦合理论的连拱隧道围岩稳定性分析籸甌岩石力学与工程学报JournalRock李地元ǎ钕Ρ~,张伟ǎ锴~,黄炳仁甋Weil2t朗日有限差分法对连拱隧道围岩稳定性进行分析。主要考虑流同耦合效应作用时,围岩级别、隧道埋深、地下水位以及施工工法和初期支护等因素对围岩稳定性的综合影响,得到琁瑅级围岩在各种情况下隧道开挖后围岩最大主应力、洞周位移、塑性区、孔隙水压力分布以及喷锚支护受力特征等结果,探讨连拱隧道开挖渗流机制,并分析深埋连拱隧道开挖后的孔隙水压力场分布特征。研究结果直接指导该高速公路二期工程中的隧道防排水施工和支护措施的改进提高,为富水地层条件下的隧道工程开挖设计提供一定的理论参考。关键词:隧道工程;连拱隧道;流固耦合理论;稳定性分析;隧道渗流机制lA文章编号:———瓾珻琀猟freewayFurthermorethemultiarchengineeringmulti-,湖南长沙:畈拷鹗艨蟛7⒂朐趾刂坪鲜≈氐闶笛槭摇:,AbstractAlong,猻琻classestunneldepthsgroundwater,瓵琁琕瑃,琾zonesporeshotcretehaveobtainedThe籥—wordstunnellingtunnelcoupledfluid-solid籹analysisseepage收藕趌20061116liI(50490274)H(200516)t(1981)
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k(m2(pas))o塑O口警一∥警+Pp+q=言2引Lqf(ppXg)I圆形断面隧道开挖过程中渗流场分布以及渗流力计12JP(m3)P=(1-n)p,+npn3(ms2)'(123)3随着我国经济的高速发展,全国各地都在修建或筹建高速公路,湖南省常吉高速公路是长渝高速公路中的重要组成部分,沿途修建了数十座连拱隧道,为我国连拱隧道建设积累了丰富的经验。由于该地区为山岭重丘区,年降雨量大,地下水资源丰富,隧道修建过程中隧道渗漏水问题突出。目前,l~4关于隧道发生渗漏时围岩地下水渗流场和应力场的耦合作用机制方面的研究却较少【】,尤其是关于流固耦合作用效果下的围岩稳定性方面的研究则更少】。由于隧道开挖形成的二次应力场改变了原岩应力场和地下水渗流场的分布,而渗流场的改变会反过来影响应力场。因此,利用流固耦合理论对连拱隧道开挖时的围岩稳定性进行分析具有重要8中的水力耦合问题进行过计算,认为考虑渗流效应影响比不考虑渗流效应影响时,隧道周边位移和最大剪应力都会增大;同时,提出富水地层中隧道设计应考虑水力耦合作用效果,但是该文中所建立的隧道模型比较简单,而且没有考虑支护结构的影响。李廷春等【对厦门海底隧道进行了流固耦合数值分析,用以验证厦门海底隧道最小顶板厚度比设计厚度减小时隧道的稳定性情况,具有很强的工程应用价值,为隧道工程流固耦合计算提供了实例参考。。可见,隧道工程中的流固耦合问题已经得到重视,但是研究成果还并不多,而且已有成果都是针对断面比较简单的隧道,对复合式中拱墙连拱隧道这种防渗要求很高的高速公路隧道,有关渗流机制和水力耦合作用效果方面的研究还很鲜见。和非耦合计算结果与现场实测的拱顶沉降曲线作了对比,发现耦合计算结果与现场实测结果更为接近,因此验证了在富水地层中开挖隧道进行流固耦合计算是十分必要且符合工程需要的。本文以常吉高速公路中典型连拱隧道断面为例,针对不同围岩级别、隧道埋深、地下水位、施工工法以及初期支护等情况,利用有限差分软件中流固耦合分析模块对连拱隧道围岩稳定性进行研究,并对连拱隧道开挖后渗流场分布及渗漏机制进行了探讨。研究结果对富水地层中的连拱隧道稳定性设计、防排水设计以及支护措施的改进具有一定的指导意义。利用计算岩土体的流固耦合效应时,将岩体视作等效连续介质,流体在介质中的流动依DarcyBiot1(1)对于小变形情况,流体质点平衡方程为(ms)q源强度琭为单位体积孔隙介质的流体体积变化量。对于饱水孔隙介质,有M(Nm2)P(Pa)口为比奥系数,￡为体积应变,丁为温度,∥为考虑流体和固体颗粒的热膨胀系数。动量平衡方程的形式为孔介质的孔隙率,;宓母擅芏确例P=P,i+p)gi(f-123)个分量/。(2)Darcy各向同性固体和常密度流体的情况,达西定律的形(3)体积应变的改变引起流体孔隙压力的变化,反过来,孔隙压力的变化也会导致体积应变的发生。孔隙介质本构方程的增量形式为265李地元,,’一式为··
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