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基于流固耦合作用的海底隧道初期支護(hù)安全影響因素分析

文檔作者：孫文君王學(xué)民楊鵬志王蓉蓉文檔來源：河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校建筑工程系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月31日
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第59卷第1期
2015年1月
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)
RAILWAY STANDARD DESIGN
V01．59 NO．1
Jan．2015
文章編號(hào)：1004—2954(2015)01—0086—05
基于流固耦合作用的海底隧道初期
支護(hù)安全影響因素分析
孫文君，王學(xué)民，楊鵬志，王蓉蓉
(河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校建筑工程系，河北滄州061001)
摘要：以青島海底隧道試驗(yàn)段為工程背景，基于流固耦合理論對(duì)海底隧道初期支護(hù)安全性的影響因素進(jìn)行分析，
結(jié)論表明：(1)注漿加固顯著改善了洞周土體強(qiáng)度和整體性，塑性區(qū)范圍得到有效控制；(2)注漿加固優(yōu)化了支護(hù)
結(jié)構(gòu)的受力，隨著加固圈厚度的增加，洞周位移出現(xiàn)不同程度的衰減，加固圈厚度對(duì)減小水壓的貢獻(xiàn)依次為：拱頂>
拱腰>拱腳>仰拱；(3)隨著加固圈滲透系數(shù)的增大，洞周水壓力隨之增大；(4)在流固耦合作用下，仰拱處的土壓力
遠(yuǎn)大于其他部位；(5)現(xiàn)行支護(hù)參數(shù)條件下，海底隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足安全性要求，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算基本
相符。
關(guān)鍵詞：海底隧道；初期支護(hù)；安全性； 注漿加固； 流固耦合
中圖分類號(hào)：U459．5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10．13238／j．issn．1004—2954．2015．01．022
Analysis on Im pact Factors on Initial Support Safety in
Subsea Tunnel Base on Couple Fluid—mechanical
SUN Wen—inn，WANG Xue—min，rANG Peng—zhi，WANG Rong—rong
(Dept．of Architectural Engineering，Hebei Engineering and Technical College，Cangzhou 061001，Hebei，China)
Abstract：With reference to Jiaozhouwan subsea tunnel in Qingdao and based on the coupled fluid—solid
theory，the impact factors are studied on initial support safety in subsea tunne1． The results show that：
(1)The strength and integrity of surrounding rock are improved significantly by grouting reinforcement
and the plastic zone is effectively controlled；(2)The force of the supporting structure is optimized by
grouting reinforcement ring，with the increase of the reinforcement thickness，the displacement attenuates
in a certain degree，and the thickness of the reinforced ring contributes to the reduction of water pressure
in such a sequence：arch top to arch web to arch foot to inverted arch；(3)With the increase of the
permeability coefficient of reinforced ring，the water pressure around the tunnel is increasing；(4)The
earth pressure at the inverted arch is much bigger than anywhere else under couple fluid—mechanical；
(5)The initial support structure meets the requirement for safety with the current support parameters，and
the site measurements agree basically with the numerical calculations．
Key words：Sub-sea tunnel；Initial Support；Safety；Grouting reinforcement；Couple fluid-mechanical
1 概述
相對(duì)于其他隧道工程，洞周高水壓是海底隧道初
期支護(hù)承擔(dān)的主要荷載。在施工過程中，一方面，海底
隧道圍巖初始應(yīng)力與滲流應(yīng)力場(chǎng)相互耦合引起應(yīng)力重
收稿日期：2014—02—25；修回日期：2014—08—27
基金項(xiàng)目：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51108020)
作者簡(jiǎn)介：孫文君(1982一)，男，講師，碩士。
分布，同時(shí)海水滲流作用弱化了洞周圍巖的自承能力，
基于流固耦合作用的海底隧道初期支護(hù)安全性影響因
素進(jìn)行分析尤為重要 。
張成平，王夢(mèng)恕等研究了海底隧道滲流應(yīng)力場(chǎng)的
分布，認(rèn)為海底隧道應(yīng)遵循堵水限排的原則 。房
倩，張頂立，黃明琦等基于連續(xù)介質(zhì)模型推導(dǎo)海底隧道
滲流應(yīng)力解析解，由于積分限制僅限于解決圓形隧道
斷面
第1期 孫文君，王學(xué)民，楊鵬志等一基于流固耦合作用的海底隧道初期支護(hù)安全影響因素分析 87
以青島膠州灣海底隧道為工程背景，采用三維有
限元分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的技術(shù)手段，分析基于流
固耦合作用下海底隧道初期支護(hù)安全性的影響因素，
跟蹤監(jiān)測(cè)海底隧道典型斷面的水壓力、土壓力，探尋施
工過程薄弱環(huán)節(jié)并提出相應(yīng)的控制措施，并對(duì)典型斷
面初期支護(hù)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2 工程背景
青島膠州灣海底隧道為我國(guó)目前建造的最長(zhǎng)海底
隧道之一，海底隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度7．8 km，開挖斷面積達(dá)
126 m 。海床的坡度較大，隧道穿越軟弱地層，海底隧
道圍巖具有富水高壓、補(bǔ)給充分及腐蝕性較強(qiáng)的特點(diǎn)，
支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受較高水壓力。目前，注漿加固成為
海底隧道較多采用的超前加固措施，一方面提高洞周
圍巖的整體強(qiáng)度；另一方面防止大量海水滲入及腐蝕
支護(hù)結(jié)構(gòu)
3 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)
以膠州灣海底隧道為工程背景，選取軟弱破碎帶
的典型隧道斷面，通過有限元差分程序FLAC 建立三
維數(shù)值模型對(duì)海底隧道初期支護(hù)受力的影響因素進(jìn)行
分析 。
根據(jù)圣維南原理與邊界效應(yīng)，隧道開挖擾動(dòng)只影
響洞周一定范圍內(nèi)的土體，計(jì)算模型的幾何尺寸為
120 m×100 mx60 m(長(zhǎng)×高×寬)，隧道拱部上覆土層厚
度為40 m，流固耦合模型滲流邊界條件表現(xiàn)為：施加
相應(yīng)高度孔隙水壓力，約束對(duì)應(yīng)水頭并施作相應(yīng)應(yīng)力
約束，上、下兩端采用位移約束，模型為不透水邊界，如
圖1所示。
圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分
根據(jù)膠州灣海底隧道勘察設(shè)計(jì)資料結(jié)合相關(guān)規(guī)
范，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)取值如表1、表2所示。
表1 海底隧道初期支護(hù)參數(shù)
當(dāng)穿越軟弱破碎帶時(shí)，海底隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑
法，其余部分采用預(yù)留核心土臺(tái)階法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法
有效地控制了洞周圍巖變形的發(fā)展，避免了過大變形
引發(fā)的地下水涌入。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步序如圖
2所示。
表2 海底隧道計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)
圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步序
流固耦合作用機(jī)理來源于有效應(yīng)力原理 ，一
方面洞周圍巖有效應(yīng)力的變化引起相應(yīng)的體應(yīng)變，體
應(yīng)變的產(chǎn)生導(dǎo)致孔隙水壓力的變化；另一方面孔隙水
壓力進(jìn)一步影響有效應(yīng)力的變化。即兩者相互影響，
互為因果。流固耦合本構(gòu)方程的增量形式可表述為
Ao- f+ △p6 ，=Hu( u，Ae )
式中，Ao- 為有效應(yīng)力增量；As 為體應(yīng)變?cè)隽浚? ，
為孔隙水壓力增量。
為重點(diǎn)分析在流固耦合作用下隧道開挖引發(fā)的擾
動(dòng)效應(yīng)，在各步序開挖后設(shè)置一定步長(zhǎng)，待應(yīng)力場(chǎng)與滲
流場(chǎng)穩(wěn)定后方可開挖下一步。隧道施工前，圍巖孔隙
水壓力與海水深度成正比。
初始應(yīng)力場(chǎng)中圍巖孔隙水壓力為靜水壓力，水壓
力場(chǎng)與深度成正比。隧道開挖后，圍巖豎向應(yīng)力、側(cè)向
應(yīng)力考慮孔隙水壓力的影響，可寫為
or = =kopd+[ 0(rb一1)+1]P
式中， 。為側(cè)壓力系數(shù)；JD 為圍巖干密度；p 為海
水密度；n為孔隙率。
4 初期支護(hù)安全性影響因素分析
鑒于計(jì)算模型的對(duì)稱性，選取縱向中間斷面為目
標(biāo)面，對(duì)基于流固耦合作用下海底隧道初期支護(hù)安全
性的各影響因素進(jìn)行分析，主要內(nèi)容如下。
(1)加固圈厚度：選取4，6，8 m；
(2)加固圈滲透系數(shù)：選取1．02×10～m／s，2．02×
10 m／s與4．02~10～m／s；
(3)二襯支護(hù)時(shí)機(jī)：選取與初期支護(hù)距離50，

90 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) 第59卷
一拱頂。隧道開挖后，各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力迅速下降，洞
周也出現(xiàn)大面積滲水，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的封閉各測(cè)點(diǎn)孑L
隙水壓力逐漸趨于穩(wěn)定，拱頂部位水壓衰減的最為顯
著。隧道周邊圍巖注漿加固只是降低了隧道內(nèi)的滲水
量，并不能降低水壓，必須排除隧道背后滲水后，才能
控制水壓。
6 結(jié)論
以青島膠州灣海底隧道為工程背景，采用三維有
限元分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)流固耦合作用下海底隧道初期
支護(hù)安全性影響因素進(jìn)行分析，結(jié)論如下。
(1)海底隧道高水壓引發(fā)較大豎向位移，注漿加
固顯著改善了洞周土體強(qiáng)度與整體性，塑性區(qū)范圍得
到有效控制，尤其在隧道拱頂部位。
(2)注漿加固優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，隨著加固
圈厚度的增加，海底隧道洞周水壓出現(xiàn)不同程度的衰
減。加固圈厚度對(duì)減小水壓的貢獻(xiàn)依次為：拱頂>拱
腰>拱腳>仰拱。
(3)隨著加固圈滲透系數(shù)的增大，隧道洞周水壓
力隨之增大，塑性區(qū)的范圍略有增大，在邊墻部位表現(xiàn)
得較為突出。
(4)在滲透力與水浮力耦合作用下，仰拱部位圍
巖產(chǎn)生較大回彈位移，表現(xiàn)為仰拱處的土壓力遠(yuǎn)大于
其他部位。
(5)現(xiàn)行支護(hù)參數(shù)條件下，海底隧道初期支護(hù)結(jié)
構(gòu)滿足安全性要求，其中拱腳處的安全系數(shù)最小為
(上接第76頁(yè))
1孔跨度8 m 的混凝土梁測(cè)算，換梁工程造價(jià)42萬(wàn)
元，需要列車限速至少15 d，封鎖線路至少3 h，給鐵路
運(yùn)輸造成損失約14．7萬(wàn)元；而體外預(yù)應(yīng)力加固法僅需
l5萬(wàn)元，不需要列車長(zhǎng)時(shí)間限速，對(duì)鐵路運(yùn)輸基本無(wú)
干擾。按我局81孔同類病害梁計(jì)算，綜合考慮新梁與
舊梁使用壽命的差異，體外預(yù)應(yīng)力加固法可節(jié)省固定
投資約900萬(wàn)元，免去鐵路運(yùn)輸損失約1 191萬(wàn)元。若
該技術(shù)在全路同類病害橋梁加固中推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效
益將更為可觀。
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