考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性(2015年)资源-CSDN文库

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第

５０

卷

第

２

期

２０１５年４月

西　南　交　通　大　学　学　报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＷＥＳＴＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

Ｖｏｌ．５０　Ｎｏ．２

Ａｐｒ．２０１５

收稿日期

：

２０１３１２１１

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２０８４３２，Ｕ１３６１２１０）；国家科技支撑计划资助项目（２０１２ＢＡＧ０５Ｂ０３）

作者简介：齐春（１９８８－），男，博士研究生，研究方向为现代盾构隧道技术与设计理论，电话：１８６１５７６３７３６，Ｅｍａｉｌ：ｑｉｃｈｕｎ０３０４＠１２６．ｃｏｍ

通信作者：封坤（１９８３－），男，讲师，博士，研究方向为水下隧道、城市地铁隧道结构理论，电话：１３８８０７７２２８３，Ｅｍａｉｌ：ｗｉｎｄｆｅｎｇ８１３＠１６３．ｃｏｍ

引文格式：齐春，何川，封坤．考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１５，５０（２）：３０６３１１，３３０．

文章编号

：０２５８２７２４（２０１５）０２０３０６０７　　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８２７２４．２０１５．０２．０１５

考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性

齐　春，　何　川，　封　坤

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都

６１００３１

）

摘　要

：为探讨水下盾构隧道施工期流固耦合效应对管片衬砌结构受力的影响，以广



深



港（广州—深圳—香

港）铁路客运专线狮子洋越江盾构隧道为依托，建立了该盾构隧道数值分析模型，计算作用在管片结构上的水

压，并对隧道施工和运营期间管片结构所受外荷载、内力进行了原位测试；将计算水压力施加到梁

弹簧模型上，

得到考虑施工期流固耦合效应的盾构隧道结构受力

．研究结果表明：受注浆压力影响，目标环管片刚脱环３～

５

环时，所受水压力波动较大；脱环

１０

环后，随注浆压力的逐渐消散和流固耦合效应的消失，管片所受水压力接

近于该处的静水压力

．

关键词

：水下盾构隧道；施工期；流固耦合；梁弹簧模型；现场测试

中图分类号：Ｕ４５９．５　　文献标志码：Ａ

ＦｌｕｉｄＳｏｌｉｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎＢａｓｅｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

ｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌ

ＱＩＣｈｕｎ，　ＨＥＣｈｕａｎ，　ＦＥＮＧＫｕｎ

（

ＭＯＥＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＴｕｎｎｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

，

ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

，

Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１

，

Ｃｈｉｎａ

）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒ

ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅ

，

ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏ

ｃａｌｃｕｌａｔｅｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｓｅｇｍｅｎｔｌｉｎｉｎｇｂｙｔａｋｉｎｇＳｈｉｚｉｙａｎｇｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓ

ｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｍｅａｓｕｒｅｅｘｔｅｒｎａｌａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｌｏａｄｓａｃｔｉｎｇｏｎｓｅｇｍｅｎｔｌｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ

ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓａｃｔｅｄｏｎｔｈｅｓｐｒｉｎｇｂｅａｍｍｏｄｅｌｔｏａｎａｌｙｚｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｓ

，ａｎｄ

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｅｇｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅ

ｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｅｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｔｏｔｈｅｆｉｒｓｔ３ｔｏ５

ｒｉｎｇｓａｆｔｅｒｔｈｅｔａｒｇｅｔｓｅｇｍｅｎｔｒｉｎｇｌｅｆｔｓｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔａｉｌｏｗｉｎｇｔｏｇｒｏｕｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｗｈｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆ

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，ｔｈｅｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｇｅｔｓｃｌｏｓｅｔｏｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈｔｈｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅ；ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｓｐｒｉｎｇｂｅａｍｍｏｄｅｌ；

ｆｉｅｌｄｔｅｓｔ

我国大型越江跨海水下隧道的建设已经进入

高速发展时期

［１］

．盾构法修建隧道对环境影响小、

地质条件适应性强、施工安全快速，同时随盾构设

备质量的提高和成本下降，盾构法（尤其是泥水盾

构）已经成为目前跨越江海大型隧道的主流施工

方法

［２］

．

盾构隧道未掘进之前，初始应力场与地下水渗

流场处于平衡状态，盾构掘进施工打破了这一平

第２期齐　春，等：考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性

衡，需要通过耦合作用达到再平衡，由此产生盾构

隧道施工掘进中的流固耦合问题

．流固耦合效应使

得管片衬砌在施工期面临水压滞后于土压作用的

不利工况，对结构施工期的安全造成威胁

．

对于大

型跨江海水下隧道而言，这已成为大断面水下盾构

隧道结构设计必须考虑的重要问题

［３５］

．

国内外学者已经逐步认识到盾构隧道的流固

耦合问题，并进行了相关研究，取得了一些有益的

结论

．ＭＹＡｂｕＦａｒｓａｋｈ和ＧＺＶｏｙｉａｄｊｉｓ采用大变

形理论，研究了软黏土层盾构隧道施工引起的地面

沉降及孔隙水压力分布规律

［６］

；谢红强采用液固

耦合模型，研究了围岩和管片结构渗流场、应力场

的分布特征、相互影响关系，以及高水压对水下盾

构施工期安全的影响，并通过重庆主城排水工程施

工期管片结构受力的现场测试结果进行了验

证

［７］

；李鹏飞等以厦门翔安海底隧道为工程背景，

基于流固耦合理论对海底风化槽段隧道施工过程

中的围岩稳定性进行数值计算，研究了隧道围岩位

移场、渗流场的分布规律以及支护结构受力特征随

隧道施工的变化

［８］

；李地元等探讨了连拱隧道开

挖的渗流机制，并分析了深埋连拱隧道开挖后孔隙

水压力场的分布特征

［９］

．

合理确定施工期管片衬砌上的水压力，进而得

到管片衬砌的力学特性，对于保证隧道施工期的安

全具有重要意义

．目前隧道结构设计中，水荷载的

取值主要有

３种方法

［１０］

：衬砌结构不承担水荷载、

承担全部水荷载和承担部分水荷载（用折减系数

表征）．这３种方法是用来估算隧道运营阶段作用

在衬砌结构上的水荷载的，且主观因素较多，用于

施工阶段显然不尽合理

．

本文依托广深港（广州—深圳—香港）铁路

客运专线狮子洋越江盾构隧道，根据实际工程条件

建立模型，考虑流固耦合效应的影响，探讨了施工

和运营过程中隧道管片衬砌所受水压力的分布及

其变化规律，并与现场测试结果进行比较，以验证

施工期考虑流固耦合效应进行计算的合理性

．在此

基础上，将计算得到的水压力施加到建立的梁

弹

簧模型（结构）上，分析管片结构内力，并与实测结

果进行了比较

．

１　工程概况

　　狮子洋越江隧道位于广深港铁路客运专线

广州至深圳段，穿越珠江入海口的狮子洋

．隧道最

大设计水压达

０．６７ＭＰａ，是国内水压力最大的隧

道之一

．隧道盾构段穿越地层主要为弱风化基岩，

其次为半岩半土和第四系覆盖地层，基岩层的渗透

系数达

６．４×１０

－４

ｍ／ｓ．

隧道主体结构采用单层装配式钢筋混凝土平

板型衬砌，混凝土强度等级为

Ｃ５０

，隧道外径

１０．８０ｍ，内径９．８０ｍ，管片厚０．５０ｍ，平均幅宽

２ｍ．采用“５＋２＋１”的分块方式，封顶块圆心角

Ｋ

＝１６°２１′４９．０９″，２块邻接块和５块标准块的圆

心角（

Ａ

和

Ｂ

）均为４９°５′２７．２７″，环与环之间采用

错缝拼装方式

．每环管片内纵向布置螺栓２２颗，按

１６°２１′４９．０９″等角度布置．

２　

考虑流固耦合效应的衬砌水压计算

采用有限差分软件

ＦＬＡＣ３Ｄ

，考虑流固耦合效

应，对隧道开挖、支护及后续地层固结过程中管片

衬砌所受水压力进行计算

．计算断面与现场实测断

面一致，见图

１．计算参数根据地质勘察报告取值，

见表

１．计算采用实体单元、弹性模型及各向同性

渗流模型，并认为颗粒不可压缩

．

力学边界条件：上表面为自由面，侧面及底面

施加法向约束，初始地应力取自重应力

．

渗流边界条件：上表面为透水边界，侧面及底

面为不透水边界，开挖临空面孔隙水压力固定为

０，初始渗流场取静水压力场．

选取３个与实测断面位置一致的监测点进行

分析，水压力随隧道施工的变化规律见图

２（括号

外的数值为脱环时的水压力，括号内的为稳定时的

水压力）

．



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

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

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



图１　测试断面地层（单位：ｍ）

Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒａｔａｉｎｔｈｅｔｅｓｔｓｅｃｔｉｏｎ（ｕｎｉｔ：ｍ）

７０３

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