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)高等專(zhuān)科學(xué)校建筑工程系,河北滄州　061001)

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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

孫文君,王學(xué)民,楊鵬志,王蓉蓉

(河北工程技術(shù)高等專(zhuān)科學(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(mǎn)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

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(guò)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)力重分布，同時(shí)海水滲流作用弱化了洞周?chē)鷰r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[1-4]。

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[5]。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[6]。

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(guò)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(kāi)挖斷面積達(dá)126 m2。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?chē)鷰r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(guò)有限元差分程序FLAC3D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[7-8]。

根據(jù)圣維南原理與邊界效應(yīng)，隧道開(kāi)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 m×60 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?chē)鷰r變形的發(fā)展，避免了過(guò)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(lái)源于有效應(yīng)力原理[9-10]，一方面洞周?chē)鷰r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

式中，Δσij為有效應(yīng)力增量；Δεij為體應(yīng)變?cè)隽?；δij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(kāi)挖引發(fā)的擾動(dòng)效應(yīng)，在各步序開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(xiě)為

式中，k0為側(cè)壓力系數(shù)；ρd為圍巖干密度；ρw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(chēng)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1.02×10-7m/s，2.02×10-7m/s與4.02×10-7m/s；

(3)二襯支護(hù)時(shí)機(jī)：選取與初期支護(hù)距離50，80 m。

4.1加固圈厚度的影響

選取洞周加固圈滲透系數(shù)1.02×10-7m/s，加固圈厚度為4、6 m與8 m，分析海底隧道初期支護(hù)受力的影響，如圖3所示。

圖3　不同加固圈厚度塑性區(qū)

當(dāng)加固區(qū)厚度為4 m時(shí)，海底隧道拱部出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，類(lèi)似于“貓耳狀”，拱腳處塑性區(qū)相對(duì)較小，半徑僅為0.7 m，隧道底部塑性區(qū)半徑約為3 m，這與仰拱部位承受較大的水反力密切相關(guān)，滲流場(chǎng)作用改變了洞周應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)。當(dāng)加固區(qū)厚度增至8 m時(shí)，注漿加固顯著改善了洞周土體的強(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。

圖4為注漿加固圈不同厚度條件下海底隧道拱頂沉降與地表沉降的變化。可以看出：隧道開(kāi)挖卸載表現(xiàn)為洞周孔隙水壓不斷減小，伴隨著周邊土體豎向位移的產(chǎn)生。隨著加固圈厚度的增大，海底隧道拱頂沉降與地表沉降均得到有效控制，當(dāng)厚度超過(guò)6 m時(shí)，加固圈厚度的增加對(duì)控制豎向位移的貢獻(xiàn)不再明顯。

圖4　不同加固圈厚度豎向位移變化

圖5，圖6分別為注漿加固圈厚度4 m與8 m條件下海底隧道洞周水壓力對(duì)比云圖?？梢钥闯觯?/p>

(1)當(dāng)加固圈厚度增大時(shí)，海底隧道洞周?chē)鷰r水壓力逐漸衰減，有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性；

(2)加固圈有效優(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。當(dāng)加固圈厚度達(dá)到8 m時(shí)，隧道拱頂水壓可以忽略。

圖5　加固圈厚度4 m應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖6　加固圈厚度8 m應(yīng)力場(chǎng)云圖

4.2加固圈滲透系數(shù)的影響

選取加固圈滲透系數(shù)為1.02×10-7m/s、2.02×10-7m/s與4.02×10-7m/s等工況進(jìn)行數(shù)值分析，加固圈厚度為6 m時(shí)，如圖7，圖8所示。

圖7　滲透系數(shù)1.02×10-7m/s加固圈塑性區(qū)

圖8　滲透系數(shù)4.02×10-7m/s加固圈塑性區(qū)

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。地層結(jié)構(gòu)面為海底隧道涌突水的薄弱區(qū)域，在結(jié)構(gòu)面處圍巖較為破碎，采用注漿加固可有效改善圍巖物理力學(xué)參數(shù)，探水孔水壓0.3～0.6 MPa，注漿壓力為3～4 MPa。

根據(jù)彈塑性力學(xué)原理驗(yàn)算海底隧道初期支護(hù)的安全性。假定隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為t，當(dāng)偏心距e0≤0.2t時(shí)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力取決于混凝土抗壓強(qiáng)度，海底隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)表達(dá)式為[11]

式中φ——洞周?chē)鷰r內(nèi)巖摩擦角，(°)；

Ra——混凝土的抗拉強(qiáng)度，N/mm2；

b——開(kāi)挖斷面寬度，m；

t——支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，m；

N——支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力，kN。

當(dāng)e0>0.2h時(shí)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力取決于混凝土抗拉強(qiáng)度，海底隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)表達(dá)式為

式中各項(xiàng)物理量意義參照上式。

通過(guò)有限元計(jì)算提取關(guān)鍵部位的彎矩與軸力繪制安全系數(shù)分布圖。

圖9為海底隧道加固圈滲透系數(shù)2.02×10-7m/s時(shí)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布，可以看出現(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(mǎn)足安全性要求，其中拱腳處的安全系數(shù)最小為2.28，在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中應(yīng)著重加強(qiáng)拱腳處的支護(hù)強(qiáng)度，適當(dāng)提高相關(guān)的注漿參數(shù)。

圖9　滲透系數(shù)2.02×10-7m/s安全系數(shù)分布

4.3二襯施作時(shí)機(jī)的影響

二次襯砌施作時(shí)機(jī)為影響支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的重要因素。選取與初期支護(hù)距離50、80 m進(jìn)行工況對(duì)比，加固圈厚度為6 m，滲透系數(shù)1.02×10-7m/s。

圖10，圖11分別為與初期支護(hù)距離50、80 m兩種工況塑性區(qū)分布的對(duì)比，膠州灣海底隧道現(xiàn)行支護(hù)參數(shù)條件下，洞周?chē)鷰r塑性區(qū)范圍均控制在2 m范圍內(nèi)，拱頂與仰拱部位相對(duì)較大。

圖10　距初期支護(hù)50 m塑性區(qū)

圖11　距初期支護(hù)80 m塑性區(qū)

圖12為注漿加固圈不同厚度條件下海底隧道拱頂沉降與地表沉降的變化。可以看出：隨著初期支護(hù)距離的增大，海底隧道拱頂沉降與地表沉降位移值均略有增大但幅度較小，滿(mǎn)足安全性要求。

圖12　不同支護(hù)時(shí)機(jī)豎向位移變化

5現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(圖13)

圖13　試驗(yàn)斷面支護(hù)封閉孔隙水壓分布(單位：kPa)

選取典型試驗(yàn)斷面埋設(shè)JTM-V3000C型振弦式孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，初期支護(hù)封閉后孔隙水壓沿隧道斷面分布由大到小依次為：仰拱→拱腳→拱肩→拱頂。隧道開(kāi)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)孔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(mǎn)足安全性要求，其中拱腳處的安全系數(shù)最小為2.16，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)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

中圖分類(lèi)號(hào)：U459.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.022

文章編號(hào)：1004-2954(2015)01-0086-05

作者簡(jiǎn)介：孫文君(1982—)，男，講師，碩士。

基金項(xiàng)目：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51108020)

收稿日期：2014-02-25； 修回日期：2014-08-27