徐建国，于松聆，王 刚，刘成成

(郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 450002)

在地下水丰富地区，开挖隧道应充分考虑周围应力场与渗流场的耦合问题，以避免对围岩安全性及支护受力产生不利影响[1-5]。同时有必要基于流固耦合理论进行隧道开挖后围岩稳定性分析，所得分析结果也将更加符合工程实际。

1 隧道流固耦合计算

1.1 流固耦合计算中的基本方程

对于小变形问题，流体的平衡微分方程可表示为[6-7]

(1)

式中：ζ为孔隙介质体积变化量；qi为介质中的流度，m/s；qv为流体强度，1/s。

对充水介质，有

(2)

其中：M为比奥模量，N/m2；p为孔隙水压力，Pa；α为比奥系数；ε为体积应变；β为热膨胀系数，1/℃；T为温度，℃。

液体质量的平衡方程为

(3)

其中：ζ为液体容量的变分；qv为液体密度。

动量平衡方程的形式为

(4)

其中：ρ为体积密度，kg/m3，且ρ=(1-n)ρs+nρw，ρs和ρw分别为固体和液体的密度；n为孔隙率，(1-n)ρs为基体的干密度ρd；gi(i=1,2,3)为重力加速度在局部坐标投影，m/s2；vi(i=1,2,3)为介质速度在局部坐标投影，m/s。

1.2 计算模型的建立

以某高速公路隧道工程为背景，隧道形式为分离式，车速100 km/h，隧道净宽11.5 m，隧道顶高5.0 m。隧道围岩为花岗岩，节理发育。最大100 m，围岩级别主要Ⅳ级。隧道采用上下台阶法施工，开挖宽度12 m，高度9 m。由于隧址区雨量充沛，地下水资源丰富，在隧道修建过程中渗漏水现象异常突出。

计算模型选择[8-10]在水平面内与隧道中心线方向相垂直的方向为坐标系的X轴，隧道的中心线方向为Y轴，且正方向指向隧道掘进方向，竖直向上方向为Z轴正方向，选取隧道中心为坐标原点。在进行流固耦合计算时隧道轴线方向取单步开挖步长为1 m，模型范围为160 m×140 m×1 m，图1为埋深80 m的隧道计算模型。……