针对富水区土压平衡式盾构隧道施工进行了水-力耦合(H-M耦合)数值模拟。首先在既有的研究成果基础上建立了单元状态指标ZSI(Zone State Index),该指标将屈服、破坏接近度等进行适当变换,统一到单元安全度量体系(负值代表破坏),实现了单元的弹性、屈服和破坏3种状态的完整表达。然后将应变-渗透系数方程与ZSI结合,使渗透系数在耦合的过程中随单元状态发生改变,弥补了FLAC^(3D)渗流模拟中渗透系数不变的不足。最后采用FLAC^(3D)的FISH语言二次开发,以大连地铁202标段香工街站-沙河口火车站区间盾构地铁隧道为例,实现H-M耦合过程的模拟。分析了隧道掘进的过程中开挖面及围岩的变形和破坏特征,根据开挖面上ZSI的计算结果对开挖面进行了稳定性评价。研究结果表明,该方法可以较好地进行H-M耦合过程中模拟和分析,与实测结果较为吻合。
以大东山隧道的石英岩为研究对象,进行循环加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合试验,分析了岩石加卸载过程中的蠕变、渗透性变化规律和渗流–蠕变耦合机理,得到压密阶段、裂纹扩展阶段和裂纹贯通阶段岩石体积应变的发展规律,总结了渗透率与体积应变之间的关系。试验表明:轴向荷载0~50 MPa为压密阶段,继续加载则产生不可恢复变形,当达到160 MPa时蠕变曲线进入加速段;随着轴向荷载水平的增加,渗透率总体趋势先降低后增高,最小值出现在最大压密点,蠕变过程进入加速段以后渗透率急剧增大。采用FLAC3D中的Cvisc模型为蓝本,以体积应变为桥梁建立ZSI(zone state index)与渗透率的关系,自主开发了基于应变软化的改进非线性蠕变西原模型,对试验结果进行验证。数值模拟表明:靠近进水端的渗透率比出水端变化快,不同应力下ZSI值云图的破损区与试验中岩样的"V"型剪切带破坏模式基本一致,渗透率的理论曲线与计算曲线吻合较好。说明提出的模型能够很好地反映加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合特性和局部破坏规律。
