基于流固耦合城市地下通道渗流规律分析

刘 涛，荆友璋，郑焕龙

[1.大连市城市管理局，辽宁 大连 116000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；3.大连理工大学建工学部，辽宁 大连 116024]

0 引 言

随着国内基建日益增加，如今地面的道桥房屋建设已基本达到饱和[1-2]，尤其是在城市这样人口聚集、发展迅速的区域，地面可利用的空间更加紧张。为了解决城市发展与城市基础设施相适应的问题，城市地下空间的利用已经成为必然。在地下工程施工的过程中，地下水的影响成为一个不得不考虑的问题[3]。

国内学者们在地下水对地下工程的影响方面已经有了一些研究结果。雷永生等[4]以西安地铁建设为例，通过调查分析其漏水位置、特点，得出西安地铁存在最大的问题是特殊的地质灾害——地裂缝。针对地裂缝问题，研发了一种新型独特的、能够主动适应地裂缝变形且具有大应变特性的防水体系。郭雁鸿等[5]以富水隧道为依托，研究不同注浆厚度的围岩与不同的排水量对隧道外水压力的影响，并提出了注浆厚度不同时，地下水排放的标准和注浆圈厚度的合理取值。

本文依托某城市轨道交通共建管廊工程，通过FALC3D 进行三维数值模拟，研究地下通道限量排水对地下水渗流场的影响[6-7]、地下水渗流场的改变对地下工程的影响、限量排水情况下地下工程结构所受孔隙水压力的分布规律及其数值的变化情况，最终得到结构所受应力随孔隙水压力变化而变化的规律，为实际地下工程施工提供理论依据。

1 工程概况

依托工程沿线通过冲洪积平原、台地和丘陵地貌，稳定地下水位埋深0.50～29.80 m，抗浮设计水位建议取至地表。 根据波速测试结果，沿线软土层的剪切波速大于90 m/s，均可不考虑地震过程中震陷的可能性，场地土的类别划为软弱土- 岩石，场地类别为Ⅱ类和Ⅲ类。

龙岗段和坪山段场地类别为Ⅱ类和Ⅲ类。对应的地震基本烈度为Ⅶ度。拟结合轨道14 号线同步实施的综合管廊总长度约31.78 km，其中罗湖区共通道管廊长约为0.54 km、龙岗区共通道管廊长约为17.68 km、坪山区共通道管廊长度约为13.56 km。区域平面图如图1 所示。

图1 研究区域平面图

2 数值模拟

建模如图2 所示，模型X 方向长为120 m，Y 方向高度为70 m，Z 方向宽度为24 m，综合井X 方向宽为20 m，Y 方向深50 m，Z 方向长为24 m。排水系统由排水沟、排水管组成，排水管间隔为4 m，如图3 所示，模型都使用实体单元模拟，共划分为173 680 个单元，具有184 051 个节点。边界条件设置为模型上表面自由透水，左右前后以及下表面设置为不透水，由于FLAC3D 默认模型边界为不透水边界，故这五个面可以不用设置渗流边界条件，默认为不透水边界条件。模型位移速度边界条件除了上表面外都设置为固定边界法向位移速度。围岩和综合井均做简化处理，围岩采用渗透率较低的黏土，Mohr-Coulomb本构模型，综合井采用弹性本构模型，围岩的参数如表1 所示，综合井的参数如表2 所示。

图2 计算模型

图3 排水系统示意图

表1 黏土计算参数表

表2 综合井参数表

初始地下水位设置在地表，排水管渗透率设置为5.1×10-6m2/Pa-sec，综合井设置为不透水，围岩的渗透率设置为5.1×10-10m2/Pa-sec，排水沟渗透率设置为5.1×10-6m2/Pa-sec，排水沟在Z 为12.0 m和-12.0 m 的边界设置孔隙水压为0，这样能保证流入排水沟的地下水能从排水沟排出，排水系统排水过程如图4 所示。模型首先进行初始地应力平衡，再进行开挖后的流固耦合计算。

图4 排水沟X-Z 截面排水过程示意图

3 计算结果

通过流固耦合计算地下通道排水管全排模式中地下水渗流现象，分析地下通道排水对地下水渗流规律的影响，以及地下水渗流对地下通道结构产生的孔隙水压力的变化规律，进一步分析孔隙水压力变化引起的结构受到的最大主压应力变化规律。

3.1 初始地应力平衡计算

在进行流固耦合计算之前先计算初始地应力，初始地应力平衡后，模型孔隙水压力分布和最大主压应力、综合井结构排水管分布侧墙的孔隙水压力和最大主压应力如图5～图8 所示。

图5 模型初始地应力平衡孔隙水压力（单位：P a）

图6 模型初始地应力平衡最大主压应力（单位：P a）

图8 模型初始地应力平衡综合井侧墙最大主压应力（单位：P a）

图7 模型初始地应力平衡综合井侧墙孔隙水压力（单位：P a）

模型孔隙水压力和主应力的大小均随着深度的增加而增大，整体模型最大孔隙水压力在深度为70 m的模型底部，数值为0.7 MPa，最大主压应力分布在模型底部，数值为1.72 MPa。综合井最大孔隙水压力出现在综合井底部，其数值为0.5 MPa，最大主压应力出现在综合井底部，其数值为1.24 MPa。

3.2 流固耦合计算

初始地应力平衡计算完后，将其结果文件导入，开挖综合井内部的空间，为排水沟赋予孔隙水压力为0 的边界条件[8-10]，设置流固耦合计算模式。模型孔隙水压力分布和最大主压应力、综合井侧墙孔隙水压力分布和最大主压应力分布如图9～图12 所示。

图9 模型孔隙水压力分布示意图（单位：P a）

图10 模型最大主压应力分布示意图（单位：P a）

图12 综合井侧墙最大主压应力分布示意图（单位：P a）

流固耦合计算模型孔隙水压力分布以综合井为中心呈“漏斗形”分布，该“漏斗”边界与综合井左右侧墙均相距8 m 左右，最大孔隙水压力在数值和出现位置上并没有变化。整体模型最大主压应力分布与孔隙水压力的分布相似，在综合井侧墙底部出现最大主压应力，其数值为2.7 MPa，综合井侧墙孔隙水压力呈现多个“小漏斗”分布形成一个“大漏斗”形的趋势。其最大主应力分布同样呈现以排水管为中心的多个“小漏斗”形分布，最大主压应力出现在侧墙底部，其数值为2.3 MPa。

图11 综合井侧墙孔隙水压力分布示意图（单位：P a）

3.3 计算结果分析

通过四根间隔4 m 的排水管进行排水，与原地下水和应力状态对比，发现地下水渗流趋势以排水管为中心多个“小漏斗”形的分布，所有“小漏斗”共同组成一个“大漏斗”形的分布范围。可见，地下管道的建设对于地下水渗流区域具有一定影响，其影响范围以地下管道为中心半径约为18 m 的圆形区域，地下水在这个区域形成“漏斗”，孔隙水压力最大值可认为保持不变，变化的只是孔隙水压力的分布。地下水渗流的变化同样影响着地下通过结构所受到的应力分布。地下水渗流分布的改变，对应着相同位置处的最大主压应力分布的变化，呈现多个“小漏斗”形成一个“大漏斗”的分布形式，其中最大主压应力值分布位置由原来的结构侧墙底部上移1 m 左右，即出现在排水管的底部区域，其数值由原来的1.24 MPa 增大到2.3 MPa。

4 结 论

（1）地下水渗流规律受地下通道排水的影响，其受影响的范围大约为以综合井为中心的18 m 的圆形范围区域。

（2）地下水渗流规律的变化是以排水管为中心，形成“漏斗”形渗流分布，排水管所形成的“漏斗”形分布共同组成一个大“漏斗”，排水管之间的孔隙水压力明显减小。

（3）随着渗流规律的变化，结构所受孔隙水压力也随之变化，孔隙水压力的变化导致结构所受最大主压应力跟随改变，其变化同样呈现“漏斗”形分布，以排水管为中心，应力值向两侧逐渐增大，多个排水管形成一个大的应力“漏斗”区，存在排水管的区域应力值明显低于同等高度的其他结构处的应力值。

（4）结构所受的孔隙水压力变化只跟随渗流分布范围变化，其最大孔隙水压力的位置和大小并未变化，最大主压应力分布范围同样跟随渗流分布范围进行变化，但其最大主压应力所处的位置和数值都发生了变化，最大主压应力分布范围由整体模型的底部变化到了综合井底部的位置，其数值由原来的1.72 MPa 增大到了2.7 MPa。