基于流固耦合作用的海底隧道初期支护安全影响因素分析

孙文君,王学民,杨鹏志,王蓉蓉

(河北工程技术高等专科学校建筑工程系,河北沧州　061001)



基于流固耦合作用的海底隧道初期支护安全影响因素分析

孙文君,王学民,杨鹏志,王蓉蓉

(河北工程技术高等专科学校建筑工程系,河北沧州061001)

摘要：以青岛海底隧道试验段为工程背景,基于流固耦合理论对海底隧道初期支护安全性的影响因素进行分析,结论表明：(1)注浆加固显著改善了洞周土体强度和整体性,塑性区范围得到有效控制；(2)注浆加固优化了支护结构的受力,随着加固圈厚度的增加,洞周位移出现不同程度的衰减,加固圈厚度对减小水压的贡献依次为：拱顶>拱腰>拱脚>仰拱；(3)随着加固圈渗透系数的增大,洞周水压力随之增大；(4)在流固耦合作用下,仰拱处的土压力远大于其他部位；(5)现行支护参数条件下,海底隧道初期支护结构满足安全性要求,现场实测与数值计算基本相符。

关键词：海底隧道；初期支护；安全性；注浆加固；流固耦合

1概述

相对于其他隧道工程，洞周高水压是海底隧道初期支护承担的主要荷载。在施工过程中，一方面，海底隧道围岩初始应力与渗流应力场相互耦合引起应力重分布，同时海水渗流作用弱化了洞周围岩的自承能力，基于流固耦合作用的海底隧道初期支护安全性影响因素进行分析尤为重要[1-4]。

张成平，王梦恕等研究了海底隧道渗流应力场的分布，认为海底隧道应遵循堵水限排的原则[5]。房倩，张顶立，黄明琦等基于连续介质模型推导海底隧道渗流应力解析解，由于积分限制仅限于解决圆形隧道断面[6]。

以青岛胶州湾海底隧道为工程背景，采用三维有限元分析与现场实测相结合的技术手段，分析基于流固耦合作用下海底隧道初期支护安全性的影响因素，跟踪监测海底隧道典型断面的水压力、土压力，探寻施工过程薄弱环节并提出相应的控制措施，并对典型断面初期支护的安全性进行评价。

2工程背景

青岛胶州湾海底隧道为我国目前建造的最长海底隧道之一，海底隧道设计长度7.8 km，开挖断面积达126 m2。海床的坡度较大，隧道穿越软弱地层，海底隧道围岩具有富水高压、补给充分及腐蚀性较强的特点，支护结构长期承受较高水压力。目前，注浆加固成为海底隧道较多采用的超前加固措施，一方面提高洞周围岩的整体强度；另一方面防止大量海水渗入及腐蚀支护结构。

3计算模型及相关参数

以胶州湾海底隧道为工程背景，选取软弱破碎带的典型隧道断面，通过有限元差分程序FLAC3D建立三维数值模型对海底隧道初期支护受力的影响因素进行分析[7-8]。

根据圣维南原理与边界效应，隧道开挖扰动只影响洞周一定范围内的土体，计算模型的几何尺寸为120 m×100 m×60 m(长×高×宽)，隧道拱部上覆土层厚度为40 m，流固耦合模型渗流边界条件表现为：施加相应高度孔隙水压力，约束对应水头并施作相应应力约束，上、下两端采用位移约束，模型为不透水边界，如图1所示。

图1　计算模型网格剖分

根据胶州湾海底隧道勘察设计资料结合相关规范，围岩与支护结构取值如表1、表2所示。

表1　海底隧道初期支护参数

当穿越软弱破碎带时，海底隧道采用双侧壁导坑法，其余部分采用预留核心土台阶法。双侧壁导坑法有效地控制了洞周围岩变形的发展，避免了过大变形引发的地下水涌入。双侧壁导坑法施工步序如图2所示。

表2　海底隧道计算模型力学参数

图2　双侧壁导坑法施工步序

流固耦合作用机理来源于有效应力原理[9-10]，一方面洞周围岩有效应力的变化引起相应的体应变，体应变的产生导致孔隙水压力的变化；另一方面孔隙水压力进一步影响有效应力的变化。即两者相互影响，互为因果。流固耦合本构方程的增量形式可表述为

式中，Δσij为有效应力增量；Δεij为体应变增量；δij为孔隙水压力增量。

为重点分析在流固耦合作用下隧道开挖引发的扰动效应，在各步序开挖后设置一定步长，待应力场与渗流场稳定后方可开挖下一步。隧道施工前，围岩孔隙水压力与海水深度成正比。

初始应力场中围岩孔隙水压力为静水压力，水压力场与深度成正比。隧道开挖后，围岩竖向应力、侧向应力考虑孔隙水压力的影响，可写为

式中，k0为侧压力系数；ρd为围岩干密度；ρw为海水密度；n为孔隙率。

4初期支护安全性影响因素分析

鉴于计算模型的对称性，选取纵向中间断面为目标面，对基于流固耦合作用下海底隧道初期支护安全性的各影响因素进行分析，主要内容如下。

(1)加固圈厚度：选取4，6，8 m；

(2)加固圈渗透系数：选取1.02×10-7m/s，2.02×10-7m/s与4.02×10-7m/s；

(3)二衬支护时机：选取与初期支护距离50，80 m。

4.1加固圈厚度的影响

选取洞周加固圈渗透系数1.02×10-7m/s，加固圈厚度为4、6 m与8 m，分析海底隧道初期支护受力的影响，如图3所示。

图3　不同加固圈厚度塑性区

当加固区厚度为4 m时，海底隧道拱部出现较大范围的塑性区，类似于“猫耳状”，拱脚处塑性区相对较小，半径仅为0.7 m，隧道底部塑性区半径约为3 m，这与仰拱部位承受较大的水反力密切相关，渗流场作用改变了洞周应力场的状态。当加固区厚度增至8 m时，注浆加固显著改善了洞周土体的强度与整体性，塑性区范围得到有效控制，尤其在隧道拱顶部位。

图4为注浆加固圈不同厚度条件下海底隧道拱顶沉降与地表沉降的变化。可以看出：隧道开挖卸载表现为洞周孔隙水压不断减小，伴随着周边土体竖向位移的产生。随着加固圈厚度的增大，海底隧道拱顶沉降与地表沉降均得到有效控制，当厚度超过6 m时，加固圈厚度的增加对控制竖向位移的贡献不再明显。

图4　不同加固圈厚度竖向位移变化

图5，图6分别为注浆加固圈厚度4 m与8 m条件下海底隧道洞周水压力对比云图。可以看出：

(1)当加固圈厚度增大时，海底隧道洞周围岩水压力逐渐衰减，有利于初期支护结构的安全性；

(2)加固圈有效优化了支护结构的受力，随着加固圈厚度的增加，海底隧道洞周水压出现不同程度的衰减。加固圈厚度对减小水压的贡献依次为：拱顶>拱腰>拱脚>仰拱。当加固圈厚度达到8 m时，隧道拱顶水压可以忽略。

图5　加固圈厚度4 m应力场云图

图6　加固圈厚度8 m应力场云图

4.2加固圈渗透系数的影响

选取加固圈渗透系数为1.02×10-7m/s、2.02×10-7m/s与4.02×10-7m/s等工况进行数值分析，加固圈厚度为6 m时，如图7，图8所示。

图7　渗透系数1.02×10-7m/s加固圈塑性区

图8　渗透系数4.02×10-7m/s加固圈塑性区

随着加固圈渗透系数的增大，隧道洞周水压力随之增大，塑性区的范围略有增大，在边墙部位表现得较为突出。地层结构面为海底隧道涌突水的薄弱区域，在结构面处围岩较为破碎，采用注浆加固可有效改善围岩物理力学参数，探水孔水压0.3～0.6 MPa，注浆压力为3～4 MPa。

根据弹塑性力学原理验算海底隧道初期支护的安全性。假定隧道支护结构厚度为t，当偏心距e0≤0.2t时，隧道支护结构承载力取决于混凝土抗压强度，海底隧道支护结构的安全系数表达式为[11]

式中φ——洞周围岩内岩摩擦角，(°)；

Ra——混凝土的抗拉强度，N/mm2；

b——开挖断面宽度，m；

t——支护结构厚度，m；

N——支护结构轴力，kN。

当e0>0.2h时，隧道支护结构承载力取决于混凝土抗拉强度，海底隧道支护结构的安全系数表达式为

式中各项物理量意义参照上式。

通过有限元计算提取关键部位的弯矩与轴力绘制安全系数分布图。

图9为海底隧道加固圈渗透系数2.02×10-7m/s时初期支护结构安全系数分布，可以看出现行支护参数条件下，海底隧道初期支护结构满足安全性要求，其中拱脚处的安全系数最小为2.28，在设计与施工过程中应着重加强拱脚处的支护强度，适当提高相关的注浆参数。

图9　渗透系数2.02×10-7m/s安全系数分布

4.3二衬施作时机的影响

二次衬砌施作时机为影响支护结构受力的重要因素。选取与初期支护距离50、80 m进行工况对比，加固圈厚度为6 m，渗透系数1.02×10-7m/s。

图10，图11分别为与初期支护距离50、80 m两种工况塑性区分布的对比，胶州湾海底隧道现行支护参数条件下，洞周围岩塑性区范围均控制在2 m范围内，拱顶与仰拱部位相对较大。

图10　距初期支护50 m塑性区

图11　距初期支护80 m塑性区

图12为注浆加固圈不同厚度条件下海底隧道拱顶沉降与地表沉降的变化。可以看出：随着初期支护距离的增大，海底隧道拱顶沉降与地表沉降位移值均略有增大但幅度较小，满足安全性要求。

图12　不同支护时机竖向位移变化

5现场监测(图13)

图13　试验断面支护封闭孔隙水压分布(单位：kPa)

选取典型试验断面埋设JTM-V3000C型振弦式孔隙水压力计进行现场实测，初期支护封闭后孔隙水压沿隧道断面分布由大到小依次为：仰拱→拱脚→拱肩→拱顶。隧道开挖后，各测点孔隙水压力迅速下降，洞周也出现大面积渗水，随着支护结构的封闭各测点孔隙水压力逐渐趋于稳定，拱顶部位水压衰减的最为显著。隧道周边围岩注浆加固只是降低了隧道内的渗水量，并不能降低水压，必须排除隧道背后渗水后，才能控制水压。

6结论

以青岛胶州湾海底隧道为工程背景，采用三维有限元分析与现场实测对流固耦合作用下海底隧道初期支护安全性影响因素进行分析，结论如下。

(1)海底隧道高水压引发较大竖向位移，注浆加固显著改善了洞周土体强度与整体性，塑性区范围得到有效控制，尤其在隧道拱顶部位。

(2)注浆加固优化了支护结构的受力，随着加固圈厚度的增加，海底隧道洞周水压出现不同程度的衰减。加固圈厚度对减小水压的贡献依次为：拱顶>拱腰>拱脚>仰拱。

(3)随着加固圈渗透系数的增大，隧道洞周水压力随之增大，塑性区的范围略有增大，在边墙部位表现得较为突出。

(4)在渗透力与水浮力耦合作用下，仰拱部位围岩产生较大回弹位移，表现为仰拱处的土压力远大于其他部位。

(5)现行支护参数条件下，海底隧道初期支护结构满足安全性要求，其中拱脚处的安全系数最小为2.16，现场实测与数值计算基本相符。

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Analysis on Impact Factors on Initial Support Safety in Subsea Tunnel Base on Couple Fluid-mechanical SUN Wen-jun, WANG Xue-min, YANG 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 tunnel. 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

中图分类号：U459.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.022

文章编号：1004-2954(2015)01-0086-05

作者简介：孙文君(1982—)，男，讲师，硕士。

基金项目：国家杰出青年科学基金项目(51108020)

收稿日期：2014-02-25； 修回日期：2014-08-27