流固耦合作用对新建水底隧道近接施工影响分析

张健， 刘五一， 周中

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，长沙410004；2.中南大学，长沙410075）

0 引 言

近年来，随着水底隧道的建设，对隧道施工过程中渗流应力耦合作用的研究已逐步成为渗流领域研究的热点.T.Kasper和G.Meschke[1]用剑桥模型研究了各向同性超固结土内摩擦角、超固结比、渗透系数及注浆浆液硬化等对盾构开挖中的地表沉降和管片位移、内力等的影响.李廷春等[2]从隧道开挖后的孔隙水压力和应力分布、洞周位移和塑性区等方面，验证了厦门海底隧道最小顶板厚度比设计厚度减小时隧道的稳定性.吉小明和王宇会[3]分析了岩石隧道开挖过程中的流固耦合问题，得到考虑渗流时隧道周边位移和最大剪应力都将增大这一结论.原华等[4]通过考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型计算结果，发现地下水的作用使管片的受力趋于“均匀”，水的存在有利于隧道管片的受力.李鹏飞等[5]和夏炜洋[6]采用数值模拟对流固耦合问题在施工期间的影响进行了分析.汪优等[7-8]对考虑流固耦合作用下围岩稳定性进行了研究.王浩然等[9]采用极限分析上限法和数值方法分析渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性，发现随着水位线的提高，总极限支护压力近似线性增加，且总极限支护压力有很大一部分用于平衡渗流力.齐春等[10-11]在考虑流固耦合效应的数值模拟计算中，发现流固耦合效应将导致作用在管片衬砌上的水压滞后于土压，使结构受较大的偏心荷载作用，设计时应考虑这一不利情况.雷海波等[12-13]对盾构开挖面附近进行数值模拟，根据模拟结果，发现均匀地层条件下达到稳态渗流阶段水底盾构隧道开挖面附近水压力数值大小和变化规律与地层无关.黄阜等[14]利用数值模拟分析渗流作用对隧道开挖面安全系数和破坏模式有较大影响.

在总结前人的研究成果中发现，在矿山法开挖隧道以及盾构隧道的渗流问题方面已经做了诸多研究，但是在考虑流固耦合作用下新建水底盾构隧道近接既有隧道影响分析方面还很少.隧道开挖影响既有隧道的应力场，同时也会扰动原有的渗流场，在这样一个应力场与渗流场耦合作用下，既有隧道受到的影响与不考虑流固耦合作用时受到的影响有所不同，而且在水底隧道中流固耦合作用更是不可忽略的.文中采用有限元数值模拟流固耦合作用下新建水底盾构近接既有隧道的工程，模拟分析流固耦合作用下新建隧道对既有隧道的影响，并与不考虑渗流作用下的影响进行对比，研究成果将对今后的类似工程建设提供指导作用.

1 工程概况

依托长沙地铁4号线下穿湘江近接南湖路隧道的工程，对流固耦合作用下新建水底隧道对既有隧道的影响进行数值模拟分析.该水下盾构工程采用Φ6250土压平衡盾构机掘进，如图1所示，其中左线近平行于邻近南湖路隧道主线，两条隧道外轮廓最小间距为14.700 m.江底地层主要为强风化砾岩，局部存在中风化砾岩.选择典型断面进行计算分析，根据地质资料，该处江水水深6 m，盾构隧道埋深为10.906 m，隧道全身处于强风化砾岩中.相关参数为：隧道半径为a=3.14 m，承受内水水头为ha=0 m，足够远处水头h0=20 m，围岩原岩应力P0=0.4 MPa，等效孔隙水压力系数ξ=1.0.围岩弹性模量E=45 MPa，泊松比 μ=0.3，粘聚力 c=50 kPa，内摩擦角 φ=37°.

图1 模型选取段平面图

2 有限元模型

在建立渗流影响分析模型时，设置土体的渗透性是各向同性的，强风化砾岩在各方向上的渗透系数为0.15 m/d，中风化砾岩在各方向上的渗透系数为0.1 m/d，模型左右边界作为渗流边界条件，总水头为40 m，在隧道开挖过程中，以隧道开挖轮廓线为排水边界条件，设置压力水头为0，模拟渗流水的排出.在MIDAS/GTS中应力-渗流耦合分析是利用渗流计算得到的孔隙水压力加入到应力分析里面进行施工阶段分析.渗流边界条件及排水条件添加如图2所示.

图2 渗流边界及排水条件添加示意

3 数值模拟结果分析

根据数值模拟计算结果，主要从隧道开挖的渗流变化，土体的应力场变化，土体的位移场变化以及既有隧道管片变形四个方面进行分析.

3.1 隧道开挖渗流分析

该地铁盾构隧道为水底隧道，在隧道开挖之前，模型范围内土体均处于饱水状态，隧道开挖前后土体孔隙水压力如图3、图4所示.

图3 隧道开挖前土体孔隙水压力分布

图4 隧道开挖后土体孔隙水压力分布

从图3可知，隧道开挖前，渗流边界条件为土体两侧表面，顶部为自由边界，此时的孔隙水压力为静水压力，孔隙水压力大小由上往下呈三角形分布，顶部孔隙水压力为0，底部承受最大静水压力为0.392 MPa.从图4中可看到，隧道开挖后，地下水在水头作用下以隧道开挖线为排水边界排出（开挖线为全排水，未考虑管片的阻水作用），形成渗流，致使土体的渗流场产生变化，隧道开挖线周边的孔隙水压力减少而渗流速度增加，整体渗流场在隧道周围形成了一个渗水漏斗区，在隧道注浆完成及管片拼装完毕后，孔隙水压力趋于稳定，土体底部的最大孔隙水压力还是0.392 MPa，开挖后模型最大孔隙水压力符合总水头高度设置值.

在水头计算中，任一点处的总水头为位置水头与压力水头之和，由于在模拟计算中设置的隧道边界压力水头为0，使得隧道周边的总水头值急剧降低，从图5中可以看出，最大总水头值为模型中设置的总水头40 m，最小总水头值为22.39 m，位于隧道底部，总水头值的大小由两侧边界向隧道方向逐渐递减形成水力梯度，致使地下水向隧道内渗流，原始的渗流场发生改变，形成新的渗流场.

图5 隧道开挖后总水头等值线云

从图6、图7可知，隧道开挖后地下水集中流向隧道，Y、Z向最大流速均出现在隧道边界.从Y向渗流水流速云图中我们可以看到，隧道两侧流速呈对称分布，左右最大流速值分别为3.86×10-6m/s，3.25×10-6m/s，数值大小基本相同，分别位于隧道的斜下方.从Z向渗流水流速云图中我们可以看到，隧道两侧流速也基本呈对称分布，最大流速值为4.04×10-6m/s，位于隧道的底部.整体来说，该水下隧道在掘进过程中渗流量较少，分析主要原因在于隧道周边土体渗透系数较小，这将有利于隧道的安全施工.

图6 隧道开挖后Y向流速云

图7 隧道开挖后Z向流速云

通过上述分析可知，结合Y向、Z向流速最大值的位置，隧道开挖后，隧道下部为地下水排水的重要通道，地下水主要由此渗入，因此，在隧道同步注浆或二次注浆过程中，应注意盾构下方的注浆量和注浆材料参数的选取，防止底部出现涌水现象，以保证隧道的安全施工及运营时的稳定性.

3.2 土体应力场分析

选择未考虑渗流及考虑渗流两种工况进行对比分析，来研究渗流对隧道开挖土体应力场分布的影响.

从下列云图中我们可以看到，考虑渗流与不考虑渗流两种工况下隧道开挖对土体的应力场造成的影响有较大区别.

图8、图9为隧道开挖后未考虑渗流工况下土体的最大、最小主应力云图，图中正值表示拉应力，负值表示压应力.在最大主应力图8中，开挖隧道右上方和左上方出现拉应力，最大值为0.012 MPa，而拱顶、拱腰和隧道底部最大主应力为负值，表明其为压应力，最大值为0.09 MPa.在最小主应力图9中，隧道开挖边界土体都为负值，表明为压应力，最大值为0.26 MPa，位于隧道下部.在远离隧道开挖区域，最大和最小主应力随围岩深度的增大而增大.

图8 未考虑渗流最大主应力

图9 未考虑渗流最小主应力

图10 、图11为隧道开挖后考虑渗流工况下土体的最大、最小主应力云图.由图可知，其与未考虑渗流情况下的应力分布图有很大的不同，主要是由于孔隙水压力的变化所造成的.在最大主应力图10中，开挖隧道周围应力都是负值，表明其为压应力，最大值为0.3 MPa，位于隧道左下方.在最小主应力图11中，隧道开挖边界土体也都为负值，表明为压应力，最大值为3.76 MPa，位于隧道拱腰处.

图10 考虑渗流最大主应力

图11 考虑渗流最小主应力

对比考虑渗流作用和不考虑渗流作用的数值模拟结果，考虑渗流作用下，新建隧道和既有隧道周围的应力场都会增大，由于在考虑流固耦合时，隧道围岩产生的应力场作用于渗流场，改变了围岩的孔隙压力；同时地下水产生的孔隙水压力作用于隧道围岩，改变了应力场；在应力场和渗流场相互作用的情况下，引起隧道围岩孔隙压力比不考虑流固耦合时的孔隙压更大，因此，新建隧道和既有隧道结构的受力形式发生变化.总体来看，流固耦合作用下，隧道周围的应力场会增大，但是整个隧道结构会处于一个四周都是压应力的应力场中，使得整个结构受力更为合理.因此，在水下隧道设计施工时，有必要考虑地下水的渗流影响.

3.3 土体位移场分析

选取在同一土仓压力（200 kPa）下未考虑渗流及考虑渗流两种工况，分析渗流对土体位移分布的影响.

图12、图13为隧道开挖后未考虑渗流及考虑渗流的土体总位移图，土体位移趋势相同，只是在数值大小上有差别.

在没有考虑渗流的情况下，从图12中可以看出，盾构隧道开挖之后在拱顶上方形成了自然承载拱，拱部范围以下土体位移较大，最大值为10.8 mm，方向向下沉降，在拱部上方土体随着离隧道距离越远位移越小.在隧道底部，土体向上隆起，越靠近隧道隆起量越大，最大隆起值为20.7 mm.

图12 未考虑渗流土体位移

图13 考虑渗流作用下土体位移

在考虑渗流的情况下，从图13中可以看出，盾构隧道开挖之后在拱顶上方也形成了自然承载拱，拱部范围以下土体位移较大，最大值为18.7 mm，方向向下沉降，在拱部上方土体随着离隧道距离越远位移越小.在隧道底部，土体向上隆起，越靠近隧道隆起量越大，最大隆起值为27.8 mm.

对比两种工况，盾构隧道开挖后，土体的变形趋势基本一致，但在数值上有所差别，在考虑渗流的情况下，土体的最大沉降值及最大隆起值都要大于未考虑渗流情况下的数值，是由于土体在渗流场的作用下还会发生进一步的位移.同时从图13中可以看出，在考虑渗流的情况下，隧道的开挖使周围土体在同一位移的情况下范围要大一些，分析流固耦合作用下开挖对土体的影响范围，正是由于开挖产生的渗流场的范围，整个渗流场范围内土体会在渗流作用下受到扰动.

选取隧道贯通后断面里程ZDK32+600处的地表研究有、无渗流时隧道开挖对于地表位移的影响，地表竖向位移如图14所示.

图14 有、无渗流作用下地表横向沉降影响效应曲线

有渗流和无渗流作用下，地表土体的横向沉降曲线都比较符合Peck公式的隧道横向沉降槽，隧道中心处地表沉降量最大，随着离隧道中心距离越远沉降量越小，直到远处时沉降量基本为零.无渗流作用下，地表最大沉降量为1.81 mm，在渗流作用下，地表沉降曲线范围更大，地表最大沉降量达到为5.76 mm，远大于不考虑渗流作用下的情形.

通过上述对土体位移的分析，说明在渗流作用下，隧道的开挖对周边土体的扰动范围比较大，且影响数值也较大，因此，对隧道的掘进会造成不利影响，施工时要考渗流问题的影响.

3.4 既有隧道管片变形分析

在200 kPa土仓压力工况下，考虑渗流及未考虑渗流作用下既有隧道管片变形云图，如图15、图16所示：

图15 无渗流作用下既有隧道管片变形云图

图16 有渗流作用下既有隧道管片变形云图

上述两图为管片的总位移图，从图15、图16中可以看出，既有隧道管片的变形云图趋势不一致.在未考虑渗流场时，既有隧道水平向位移是整体趋向于远离新建隧道的方向，竖向位移是整体向上隆起；在考虑渗流场时，既有隧道管片水平位移是向隧道内收敛，竖向位移也是整体向上隆起.

上述分析可以说明在渗流场的影响下，新建盾构隧道施工引起既有近距离平行隧道的位移场发生了变化，这使得结构受力形式也发生了变化，整个隧道向内收敛，可见衬砌结构处于受压的状态，受力状态较为合理，有利于隧道结构的安全.

新建隧道掘进施工会对新旧隧道的中间地层产生明显的扰动效应，使既有隧道周围地层竖向位移大幅增加，塑性屈服区扩大，所以在施工过程中应对两隧道中间地层采取加固措施，以减少对既有隧道周围地层及隧道结构的影响.

通过上述对渗流场、土体位移场、土体应力场及既有结构变形分析可知，渗流对于水下隧道的开挖是一个需要重点考虑的因素，渗流场会影响土体应力场的分布，从而改变新建和既有隧道结构的受力形式，这在设计施工中需要加以考虑.

4 结 论

以长沙市轨道交通4号线阜～碧区间为工程依托背景，选取区间隧道里程ZDK32+577.5～ZDK32+622.5段进行数值模拟研究.主要研究了水底渗流场对水底盾构隧道近接施工的影响，分析得出以下几点结论：

1）隧道开挖后，开挖线周边的孔隙水压力急剧减少，而渗流速度增加，整体渗流场在隧道周围形成了一个渗水漏斗区，地下水在水头差的作用下向隧道内渗流，隧道下部的渗流速度最大，是地下水排水的重要通道.

2）通过对比分析有渗流和无渗流场两种工况，可以看出流固耦合作用下，新建隧道和既有隧道周围的应力场会增大，但是整个隧道结构会处于一个四周都是压应力的应力场中，使得整个结构受力更为合理.因此，在水下隧道设计施工时有必要考虑地下水的渗流影响这一不确定因素.

3）在考虑渗流的作用下，在影响数值方面会增大，是由于土体在渗流场的作用下还会发生进一步的位移.而且，隧道的开挖对周边土体的扰动范围要更大，分析流固耦合作用下开挖对土体的影响范围，正是由于开挖产生的渗流场的范围，整个渗流场范围内土体会在渗流作用下受到扰动.因此，不利于隧道的施工掘进.

4）对比未考虑渗流作用下既有隧道管片的变形，考虑渗流场时，既有隧道管片水平位移是向隧道内收敛，衬砌结构处于受压状态，受力形式更合理.

5）近接施工中，新建隧道对既有隧道的影响主要是由于新建隧道掘进施工会对新、旧隧道的中间地层产生明显的扰动效应引起的，使既有隧道周围地层竖向位移大幅增加，塑性屈服区扩大，所以在施工过程中应对两隧道中间地层采取相应的加固措施，以减少对既有隧道周围地层及隧道结构的影响.

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