基于FDM-DEM流固耦合的隧道掌子面逼近富水岩溶空腔失稳破坏机制

《Underground Space》：Failure mechanism of tunnel face approaching a water-filled karst cavity by coupled hydro-mechanical FDM-DEM

　　

在岩溶地层中，富水岩溶空腔（water-filled karst cavity）的存在常诱发隧道掌子面失稳，危及施工安全。岩溶隧道掌子面的破坏机制研究仍不充分。研究人员改进了一种高效的流固耦合有限差分法（FDM）与离散元法（DEM）耦合方法，用于模拟岩溶地层中隧道掌子面破坏，其中连续与断续力学行为分别在各自域中捕捉，渗流由达西定律控制。基于该耦合框架建立数值模型以探究岩溶隧道掌子面破坏机制。结果表明，破坏区近似呈水平截锥体状。当空腔水压由0.5 MPa增至2.0 MPa时，岩溶水压的有效作用半径减小33.3%。微观接触断裂分析揭示抗水岩体（WRRM）内局部化破坏模式存在差异：掌子面邻近区以剪切断裂为主，空腔邻近区以拉伸断裂为主，且拉伸破坏高度集中于90°与120°方向。此外，追踪接触力链的动态取向与强度阐明了隧道开挖诱发力拱的破裂与再生成机制。

研究背景方面，山区隧道建设常遭遇洞穴、暗河等富水岩溶构造，掌子面失稳风险突出。既有研究多针对浅埋盾构隧道，对深埋岩溶隧道适用性不足；解析解常将抗水岩体（WRRM，water-resistant rock mass）破坏简化为弹性板断裂或刚体平动，忽略渐进破坏过程；物理模型试验受安全限制难以观测演化；连续介质数值法受小变形假设制约，无法再现灾变全过程；单纯离散元法（DEM）若采用精细粘结接触模型则计算成本剧增。为此，研究人员改进并应用一种高效流固耦合FDM-DEM方法，在FDM域全局求解渗流、在FDM与DEM域分别处理固体力学响应与流固耦合，并于交界面动态交换力学信息，以揭示WRRM破坏机制与掌子面演化特征。该文发表于《Underground Space》。

关键技术方法上，研究人员改进了流固耦合FDM-DEM框架：固体相颗粒运动由平动与转动方程控制，接触力F_ij^c、粘附力F_ij^a及力矩M_ij^c刻画颗粒间作用，流体拖曳力F_f→p与力矩M_f→p叠加流体驱动；FDM域由动量守恒σ_ij,j^m+ρ^mb_i^m=ρ^mdv_i^m/dt与几何方程ζ_ij^m=1/2(v_i,j^m+v_j,i^m)控制网格点运动，渗流全域按达西定律求解；FDM与DEM交界面动态交换位移与力。参数经微观标定后建立掌子面破坏模型，开展空腔水压0.5~2.0 MPa工况模拟。

研究结果部分，第2节阐述耦合方法公式化、实现与验证。第3节给出微观参数标定与掌子面破坏模型构建。第4节通过颗粒位移、接触力链与断裂接触分布分析，阐明演化破坏特征、底层机制及WRRM破坏模式：破坏区呈水平截锥体；水压升高有效作用半径降33.3%；掌子面侧剪切裂缝主导、空腔侧拉伸裂缝主导且拉伸集中于90°与120°；力链动态揭示开挖力拱破裂与再生。第5节对照既有文献验证模型有效性，评价粘结接触强度与岩溶水压影响。第6节凝练主要发现。

讨论与结论部分，研究人员指出：改进的流固耦合FDM-DEM兼顾计算效率与精度，可再现大变形灾变；WRRM破坏非单一弹性板或刚体模式，而是剪切—拉伸分带、力拱动态演化的渐进过程；空腔水压增大反而缩小有效扰动半径，但提升局部劈裂风险；最小安全厚度（MST）判定需结合微观断裂分带而非仅限宏观贯入。该工作为深埋富水岩溶隧道掌子面稳定性分析与支护时机确定提供了细观机制依据。