渗流_应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究
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对大变形问题的处理有 3 种方法：完全拉格朗 日法、更新拉格朗日法和欧拉法。因拉格朗日法的 坐标附着在物质点上，易于引入本构关系和处理自 由表面外载问题，因此多采用此种方法。拉格朗日 法以增量方法求解，即从时刻 t 到 t t 求解期间， 必须先选定一个已知状态的构形作为参照构形，以 定义克希霍夫应力张量和格林应变张量。完全拉格 朗日法取 t0 0 时刻的构形作为参照构形，而更新 拉格朗日法在时步 [t，t t ] 增量求解期间的所有 变量，均以这个时步的开始时刻 t 的构形作为参照 构形来定义[13]，随着时步的变化，参照构形也在不 断改变[14-15]。本文采用更新拉格朗日法建立黏土岩 大变形渗流–应力耦合分析模型，在分析区域内假 定岩土介质的骨架为均质弹塑性体，孔隙水流动服 从达西定律。 2.1 物质描述的大变形控制方程 在饱和岩土介质中，用克希霍夫应力张量表示 的总应力增量[15]为 Sij Sij ij pow
收稿日期：2011–03–31；修回日期：2011–04–28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41102182)；中国石油科技创新基金项目(2011D–5006–0603)；湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB008) 作者简介：贾善坡(1980–)，男，博士，2002 年毕业于中国石油大学(华东)土木工程与石油工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学与工程方面的 教学与研究工作。E-mail：jiashanporsm@
，
(1. 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023；2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 4. Euridice，SCK• CEN，国家核能研究中心，比利时 摩尔 2400)
• 2683 •
式中： koi 为岩土介质的渗透系数， v 为体积应变。 2.2 黏土岩渗流–应力耦合模型 岩石的损伤会影响岩石的有效抗剪强度参数
相为 M ，损伤固相为 D ，液相为 L 。 D 组分不能 承受剪切载荷，但固相中的 M 组分仍然可以承 受 剪切和静水压力， 因此， 材料总体可以承受载 荷， 只是承受的载荷能力降低了，相对于材料总体产生 了一定的折减，即发生了损伤。按照渗流的立方体 定律，可得损伤区围岩渗透性演化方程[17]：
摘要：基于连续介质大变形理论和损伤力学理论，将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到 Mohr-Coulomb 准则，建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型，以 ABAQUS 软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏 土岩核废料库工程为背景，在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上，建立反映施工质量的等代层模 型，对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算 结果表明，围岩变形在开挖面附近达到最大值，施工质量对围岩稳定性有明显的影响，施工质量越差，开挖扰动 区的范围就越大，并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。 关键词：隧道工程；黏土岩；盾构隧道；渗流–应力耦合；施工特性；有限元法 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)增 1–2681–11
STUDY OF CONSTRUCTION CHARACTERISTICS AND DYNAMIC BEHAVIOR OF DEEP CLAY STONE DURING SHIELD TUNNELING UNDER SEEPAGE-STRESS COUPLING EFFECT
JIA Shanpo1
，2，3
(3)
对于饱和岩土介质，单元体的体积变化率等于 流过单元体表面的流量变化之和。结合达 w i 1 oi X i 2 1
3
v t
(4)
第 31 卷
增1
贾善坡等：渗流–应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究
提出了一种能够综合考虑各种因素的
盾构隧道施工的三维非线性有限元模拟方法，包括 材料性态、载荷条件和盾构分步连续推进。 近十多年来，随着西方工业发达国家核电等核 工业的不断发展，大量核废料亟待深埋处理，故评 价核废料库安全稳定性以及处理核废料的选址等都 要求对岩体作深入细致的研究。黏土岩由于其均质 和低渗透性而被国际上众多国家作为可以储存核废 料的 3 种(花岗岩、盐岩、黏土岩)备选场地之一。 本文结合比利时核废料库地下工程实例，将黏土岩 看作多孔介质，根据比利时黏土岩的试验结果，在 连续损伤力学的基础上，建立黏土岩弹塑性渗流– 应力–损伤耦合模型，并考虑黏土岩的大变形效 应，以 ABAQUS 软件为平台进行二次开发，对施 工过程中围岩的动态稳定性、地下水流动规律及渗
pF 3 k (1 )k M k D (1 v )
第 31 卷 增 1 2012 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 Supp.1 May，2012
渗流–应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工 特性及其动态行为研究
贾善坡 1
，2，3
，陈卫忠 2 3，于洪丹 3，李香玲 4
(1)
式中： Sij 为定义在初始构形上的克希霍夫应力张 量， Sij 为相应于克希霍夫应力张量 Sij 的有效应力 张量， pow 为定义在初始构形上的与克希霍夫应力 张量 Sij 相适应的孔隙水压力。 增量形式的平衡条件[15]为
X k ui Slk il Xl ui f oi 0 Slk X l
(2)
式中： f oi 为初始构形上的体力载荷。 增量形式的格林应变张量表达式[15]为 1 u j ui uk uk Eij X X X X 2 i j i j
uk uk uk uk X i X j X i X j
Abstract：Based on the theory of large deformation and damage mechanics，an elastoplastic coupling analysis model considering effect of large deformation is set up by introducing damage evolution and seepage-stress coupling into the Mohr-Coulomb criterion. An equivalent layer model is adopted after comprehensive analysis of surrounding rocks associated with shield tunneling. Considering the actual case of construction of connecting gallery of a radioactive waste disposal in the deep Boom clay formation in Belgium，different tunnel construction qualities are calculated by small deformation，large deformation，respectively，by the secondary development of ABAQUS. The distributions of pore pressure，plastic strain and deformation around the tunnel associated with shield tunneling are analyzed in details. The results show that the deformation of surrounding rocks reaches the maximum in the vicinity of the excavation face and tunnel construction quality affects the stability of surrounding rocks significantly. This study is useful for shield tunnel construction and field measurement. Key words： tunneling engineering； clay stone； shield tunnel； seepage-stress coupling； construction characteristics； finite element method
• 2682 •
岩石力学与工程学报
2012 年
流过程中围岩变形的变化进行数值模拟。
1
引
言 2 黏土岩大变形渗流–应力耦合模型
随着地下空间的不断开发，盾构施工技术得到 越来越广泛的应用。盾构掘进技术以其快速、环保 及对周围环境影响较小等优点而被广泛应用于隧道 工程 。 自盾构法问世以来，盾构法隧道施工的研究得 到了 国内外广泛 的重视， R. J. Finno 和 G. W. Clough[2]经现场实测表明，可采用纵、横 2 个方向 的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过 程。K. M. Lee 和 R. K. Rowe[3]发展了一种用于模拟 施工工序、后续地层位移、隧道开挖面周围及地表 应力状态对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元法。 易宏伟和孙 钧 对上海地区软土盾构隧道施工过 程中不同受力阶段以及地表沉降次固结问题进行了 有限元数值分析。王敏强和陈胜宏 采用三维非线 性有限元法进行分析，采用迁移法模拟盾构推进过 程。盾构施工过程中的盾尾空隙大小、注浆充填程 度、隧道周围土体的扰动程度与范围很难量化，为 了方便地模拟这些因素的影响，张 云等[6-8]将衬砌 周围的土体与注浆情况概化为一均质、等厚的等代 层。姜忻良等 以天津地铁工程为背景，利用单元 生死技术，模拟了盾构开挖过程。张志强等[10]建立 了模拟盾构机(包括刚度、自重和推力)前行掘进隧 道的三维有限元模型，并应用于南京地铁隧道工 程。朱合华等[11]针对盾构隧道的施工阶段、注浆材 料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法，并将 其应用于大阪地铁 7 号线盾构隧道施工的力学分析 中。张海波
，CHEN Weizhong2 3，YU Hongdan3，LI Xiangling4
，
(1. School of Urban Construction，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China；2. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China；3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China； 4. Euridice，SCK•CEN，Belgian Nuclear Research Centre，Mol 2400，Belgium)
对大变形问题的处理有 3 种方法：完全拉格朗 日法、更新拉格朗日法和欧拉法。因拉格朗日法的 坐标附着在物质点上，易于引入本构关系和处理自 由表面外载问题，因此多采用此种方法。拉格朗日 法以增量方法求解，即从时刻 t 到 t t 求解期间， 必须先选定一个已知状态的构形作为参照构形，以 定义克希霍夫应力张量和格林应变张量。完全拉格 朗日法取 t0 0 时刻的构形作为参照构形，而更新 拉格朗日法在时步 [t，t t ] 增量求解期间的所有 变量，均以这个时步的开始时刻 t 的构形作为参照 构形来定义[13]，随着时步的变化，参照构形也在不 断改变[14-15]。本文采用更新拉格朗日法建立黏土岩 大变形渗流–应力耦合分析模型，在分析区域内假 定岩土介质的骨架为均质弹塑性体，孔隙水流动服 从达西定律。 2.1 物质描述的大变形控制方程 在饱和岩土介质中，用克希霍夫应力张量表示 的总应力增量[15]为 Sij Sij ij pow
收稿日期：2011–03–31；修回日期：2011–04–28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41102182)；中国石油科技创新基金项目(2011D–5006–0603)；湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB008) 作者简介：贾善坡(1980–)，男，博士，2002 年毕业于中国石油大学(华东)土木工程与石油工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学与工程方面的 教学与研究工作。E-mail：jiashanporsm@
，
(1. 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023；2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 4. Euridice，SCK• CEN，国家核能研究中心，比利时 摩尔 2400)
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式中： koi 为岩土介质的渗透系数， v 为体积应变。 2.2 黏土岩渗流–应力耦合模型 岩石的损伤会影响岩石的有效抗剪强度参数
相为 M ，损伤固相为 D ，液相为 L 。 D 组分不能 承受剪切载荷，但固相中的 M 组分仍然可以承 受 剪切和静水压力， 因此， 材料总体可以承受载 荷， 只是承受的载荷能力降低了，相对于材料总体产生 了一定的折减，即发生了损伤。按照渗流的立方体 定律，可得损伤区围岩渗透性演化方程[17]：
摘要：基于连续介质大变形理论和损伤力学理论，将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到 Mohr-Coulomb 准则，建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型，以 ABAQUS 软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏 土岩核废料库工程为背景，在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上，建立反映施工质量的等代层模 型，对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算 结果表明，围岩变形在开挖面附近达到最大值，施工质量对围岩稳定性有明显的影响，施工质量越差，开挖扰动 区的范围就越大，并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。 关键词：隧道工程；黏土岩；盾构隧道；渗流–应力耦合；施工特性；有限元法 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)增 1–2681–11
STUDY OF CONSTRUCTION CHARACTERISTICS AND DYNAMIC BEHAVIOR OF DEEP CLAY STONE DURING SHIELD TUNNELING UNDER SEEPAGE-STRESS COUPLING EFFECT
JIA Shanpo1
，2，3
(3)
对于饱和岩土介质，单元体的体积变化率等于 流过单元体表面的流量变化之和。结合达 w i 1 oi X i 2 1
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第 31 卷
增1
贾善坡等：渗流–应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究
提出了一种能够综合考虑各种因素的
盾构隧道施工的三维非线性有限元模拟方法，包括 材料性态、载荷条件和盾构分步连续推进。 近十多年来，随着西方工业发达国家核电等核 工业的不断发展，大量核废料亟待深埋处理，故评 价核废料库安全稳定性以及处理核废料的选址等都 要求对岩体作深入细致的研究。黏土岩由于其均质 和低渗透性而被国际上众多国家作为可以储存核废 料的 3 种(花岗岩、盐岩、黏土岩)备选场地之一。 本文结合比利时核废料库地下工程实例，将黏土岩 看作多孔介质，根据比利时黏土岩的试验结果，在 连续损伤力学的基础上，建立黏土岩弹塑性渗流– 应力–损伤耦合模型，并考虑黏土岩的大变形效 应，以 ABAQUS 软件为平台进行二次开发，对施 工过程中围岩的动态稳定性、地下水流动规律及渗
pF 3 k (1 )k M k D (1 v )
第 31 卷 增 1 2012 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 Supp.1 May，2012
渗流–应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工 特性及其动态行为研究
贾善坡 1
，2，3
，陈卫忠 2 3，于洪丹 3，李香玲 4
(1)
式中： Sij 为定义在初始构形上的克希霍夫应力张 量， Sij 为相应于克希霍夫应力张量 Sij 的有效应力 张量， pow 为定义在初始构形上的与克希霍夫应力 张量 Sij 相适应的孔隙水压力。 增量形式的平衡条件[15]为
X k ui Slk il Xl ui f oi 0 Slk X l
(2)
式中： f oi 为初始构形上的体力载荷。 增量形式的格林应变张量表达式[15]为 1 u j ui uk uk Eij X X X X 2 i j i j
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Abstract：Based on the theory of large deformation and damage mechanics，an elastoplastic coupling analysis model considering effect of large deformation is set up by introducing damage evolution and seepage-stress coupling into the Mohr-Coulomb criterion. An equivalent layer model is adopted after comprehensive analysis of surrounding rocks associated with shield tunneling. Considering the actual case of construction of connecting gallery of a radioactive waste disposal in the deep Boom clay formation in Belgium，different tunnel construction qualities are calculated by small deformation，large deformation，respectively，by the secondary development of ABAQUS. The distributions of pore pressure，plastic strain and deformation around the tunnel associated with shield tunneling are analyzed in details. The results show that the deformation of surrounding rocks reaches the maximum in the vicinity of the excavation face and tunnel construction quality affects the stability of surrounding rocks significantly. This study is useful for shield tunnel construction and field measurement. Key words： tunneling engineering； clay stone； shield tunnel； seepage-stress coupling； construction characteristics； finite element method
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岩石力学与工程学报
2012 年
流过程中围岩变形的变化进行数值模拟。
1
引
言 2 黏土岩大变形渗流–应力耦合模型
随着地下空间的不断开发，盾构施工技术得到 越来越广泛的应用。盾构掘进技术以其快速、环保 及对周围环境影响较小等优点而被广泛应用于隧道 工程 。 自盾构法问世以来，盾构法隧道施工的研究得 到了 国内外广泛 的重视， R. J. Finno 和 G. W. Clough[2]经现场实测表明，可采用纵、横 2 个方向 的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过 程。K. M. Lee 和 R. K. Rowe[3]发展了一种用于模拟 施工工序、后续地层位移、隧道开挖面周围及地表 应力状态对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元法。 易宏伟和孙 钧 对上海地区软土盾构隧道施工过 程中不同受力阶段以及地表沉降次固结问题进行了 有限元数值分析。王敏强和陈胜宏 采用三维非线 性有限元法进行分析，采用迁移法模拟盾构推进过 程。盾构施工过程中的盾尾空隙大小、注浆充填程 度、隧道周围土体的扰动程度与范围很难量化，为 了方便地模拟这些因素的影响，张 云等[6-8]将衬砌 周围的土体与注浆情况概化为一均质、等厚的等代 层。姜忻良等 以天津地铁工程为背景，利用单元 生死技术，模拟了盾构开挖过程。张志强等[10]建立 了模拟盾构机(包括刚度、自重和推力)前行掘进隧 道的三维有限元模型，并应用于南京地铁隧道工 程。朱合华等[11]针对盾构隧道的施工阶段、注浆材 料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法，并将 其应用于大阪地铁 7 号线盾构隧道施工的力学分析 中。张海波
，CHEN Weizhong2 3，YU Hongdan3，LI Xiangling4
，
(1. School of Urban Construction，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China；2. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China；3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China； 4. Euridice，SCK•CEN，Belgian Nuclear Research Centre，Mol 2400，Belgium)