海底隧道全断面注浆渗流场分析

Abstract： Grouting effect is directly related to the construction safety of a submarine tunnel． This paper， by using numerical simulation method，focusing on the submarine tunnel with constant water head under the conditions of different grouting circle thicknesses，different grouting circle seepage coefficients and different water drainage modes，calculated and analyzed the tunnel's water inflow and the lining's external water pressure． And then the result obtained from numerical simulation was compared with that obtained from axisymmetric analytical solution． The analysis and comparison results show that： （ a ） different tunnel waterproof and drainage modes have significant influences on the lining's external water pressure； （ b） the radial scope of grouting circle has a certain influence on tunnel's water inflow and lining's external water pressure，but not obvious； （ c ） the permeability coefficient of grouting circle has greater influence on tunnel's water inflow and lining's external water pressure． Key words： submarine tunnel； strengthening by grouting； seepage field； water inflow 近年来我国海底隧道的建设突飞猛进 。目前已建 成的海底隧道有厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底
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郭
瑞， 周晓军， 王
爽， 等—海底隧道全断面注浆渗流场分析
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泥等事故。在海底隧道穿越断层破碎带时， 如何有效 地控制和疏导隧道施工过程中所遇到的承压地下水是 隧道安全施工和运营的关键所在 。 在隧道施工期间采取合适的防排水措施， 可以有 效地降低施工风险和控制运营成本 。海底隧道注浆不 仅可以充填岩体裂隙、 封堵地下水， 从而提高围岩抗渗 能力， 对衬砌外水压力进行有效的折减 ； 同时注浆后浆 液固化变成岩块间的胶结材料， 提高围岩摩擦角、 黏聚 ［1－3 ］ 。 力等力学参数， 有效地提高了围岩的力学性能 合理注浆是关系到海底隧道安全施工的关键环节 。 数值模拟和解析方法是研究海底隧道渗流场问题 的常用方法， 近年来许多国内外学者在这方面做了大 Bouvard 和 Pioto 提出了渗流场理论； Harr 采 量研究， 用镜像法对隧道渗流场进行了计算， 并对隧道围岩空 隙水压力分布进行了分析； 王星华等通过建立海底隧 道的等效连续介质模型， 得出了隧道涌水量与隧道排
图2 控制排水时隧道衬砌外水压力的理论值
为分析注浆圈对隧道涌水量和衬砌外水压力的影 响， 根据图 1 建立隧道渗流模型： 衬砌内半径 r0 = 5 m， r2 为注浆加固圈半径， 衬砌外径 r1 = 5. 6 m， 隧道中心 与 海 平 面 的 高 差 H = 70 m、孔 隙 流 体 容 重 γ W
2. 1
， 以
期进行轴对称解析解结果和数值模拟结果的对比分 析， 研究不同注浆圈半径和渗透系数以及不同排水方 式对隧道衬砌外水压力和隧道涌水量的影响 。 1 流固耦合计算原理 FLAC3D 计算岩体的流固耦合效应时， 多将岩石 中的裂隙水流按流量等效原则抽象为等效连续介质 ， 实际岩体中由于裂隙中的实际流速比等效连续介质的 达西流速要大若干量级， 因而这种等效连续介质模型 只能用作模拟恒定渗流模型， 不能用于非恒定 渗 流 ［10 ］ 模型 。 流固耦合时流体在 孔 隙 中 的 流 动 遵 循 Darcy 定 律， 同时满足 Biot 方程。 其优点有： 可以方便设置流 体边界条件； 可以考虑渗流场的历史变化过程。 其关 ［12 ］ 键几个微分控制方程 如下所述。 （ 1 ） 平衡方程 对于小变形而言， 流体质点平衡方程为
［11 ］
为分析海底隧道的渗流场， 设隧道位于半无限含 水层中， 其四周水压为均匀分布。 根据地下水力学理 论， 可推导出衬砌外水压力和隧道涌水量的轴对称解 ［12 ］ 析解， 隧道渗流场的理论计算模型如图 1 所示 。
图1
海底隧道的渗流模型
［13 ］
隧道衬砌的外水压力为
r1 r0 P1 = K1 r3 K r r + 1 ln 2 + ln 1 ln K3 r2 K2 r1 r0 γ w Hln
0523 ； 修回日期： 20130711 收稿日期： 2013mail： 361398286 @ 作者简介： 郭 瑞 （ 1989 —） 男，硕 士 研 究 生，Eqq． com。
隧道。在海底隧道修建和运营过程中， 海底隧道高承 压水所带来的困难也十分突出， 海底隧道具有水头相 对稳定、 水源充足等特点， 尤其是隧道穿越破碎带、 节 理裂隙等渗水量大的地段， 一旦隧道开挖与海水连通， 海水就会成为突水的水源， 易引起隧道塌方、 突水、 突
檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾
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［46 ］ 。 水量差距越大， 衬砌外水压力越大的结论 水工隧洞设计规范规定： 地下水压力实际上是在
（ 2 ） 运动方程 流体的运动形式用 Darcy 定律来表示。 对于 均 质、 各项同性固体和流体密度是常数的情况 ， 运动方程 表述为
［11 ］
q i = － k（ p － ρ f x i g i ） （ 2） k 为介质的渗透系数， m / s； ρ f 为流体的密 式中， 度； x i 为 3 个方向上的距离梯度； g i 为重力加速度的 3 个分量。 （ 3 ） 本构方程 流体流量的改变与孔隙压力、 饱和度及固体体积 ［11 ］ 应变有关。孔隙介质本构方程的增量形式为 （ 3） Δσ ij + aΔpδ ij = H ij（ σ ij ， Δε ij ） 式中， Δσ ij 为应力增量； H ij 为给定函数； ε ij 为总 应变。 （ 4 ） 相容方程 应变速率与速度梯度之间的关系为 1 u i u j + ε ij = 2 x j x i
3 = 10 000 N / m3 ， 隧道控制排水量为 3 m / m · d。 为研
究注浆圈设计参数对渗流场的影响， 对表 1 所列工况 进行分析。
［13 ］
（ 5）
ζ － q i， （ 1） i + qv = t q i， m / s； q v 是被测体积的流体 式中， i 是渗流速度 ， 1 / s； ζ 是 单 位 体 积 孔 隙 介 质 的 流 体 体 积 变 源强度， 。 化量
隧道每延米的涌水量为 2 πHK3 Q= （ 6） K3 r2 K3 r1 r3 + ln + ln ln K2 r1 K1 r0 r2 ， K ； K 式中 1 为衬砌等效渗透系数 2 为注浆圈渗透 系数； K3 为围岩渗透系数； γ W 为孔隙流体容重； r0 为
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衬砌内半径； r1 为衬砌外半径； r2 为注浆加固Βιβλιοθήκη Baidu半径； r3 为注浆圈到海床的距离； P1 为作用在衬砌上的外水 压力； H 为海平面与隧道的高差。 通常海底隧道的覆土厚度、 隧道半径、 衬砌渗透系 数变化不大， 由上述公式可知， 隧道渗流场主要由围岩 渗透系数、 注浆圈半径和排水方式决定。 2. 2 注浆圈对渗流场的影响
圈厚度、 注浆圈渗透系数以及排水方式下， 隧道的涌 水 量 和 衬砌 外 水 压 力进 行计 算与分析。 并 将 数 值 模拟 的 结 果 与轴对称解析解结果进行对比， 结果表明: ( 1 ) 不同 的 隧道防 排 水 方 式对 衬砌 外 压 有 着 明 显 的 影响; ( 2 ) 注 浆圈 的 径向加固范围对隧道涌水量和衬砌外水压力产生一定的影响， 但其效果并不明显; ( 3 ) 注浆圈的渗透 系数 对 隧道 的 涌水量和衬砌的外水压力有较大影响。 关键词： 海底隧道; 注浆加固; 渗流场; 涌水量 中图分类号： U459. 5 文献标识码： A DOI： 10． 13238 / j． issn． 1004－2954． 2014． 02． 017
［11 ］
[
]
（ 4）
渗流过程中渗透水作用在围岩和衬砌中的体积力 ， 可 ［7 ］ 通过渗流分析决定相应的水荷载 。 为了准确掌握 注浆圈对海底隧道渗流场作用的机理， 通过建立海底 隧道开挖的等效连续介质的模型， 用复合式衬砌“等 效渗透系数” 来代替防水板和排导系统的作用
［8 ， 9 ］
u 为介质中某点的速度。 式中， 2 隧道涌水量与衬砌外水压力的解析解 隧道的渗流模型
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铁 道 标 准 设 计 ＲAILWAY STANDAＲD DESIGN
Vol． 58
No． 2
2014 年 2 月 2954 （ 2014 ） 02007005 文章编号： 1004-
February 2014
海底隧道全断面注浆渗流场分析
郭 瑞，周晓军，王 爽，汪精河
（ 西南交通大学土木学院，成都 610031 ） 摘 要： 围岩的注浆效果直接影响到海底隧道的施工安全。采用数值计算方法对固 定 水 头 的 海 底 隧道 在 不同 注 浆
Analysis of Seepage Field of Fullface Grouting for Submarine Tunnel
GUO Ｒui1 ，ZHOU Xiaojun1 ，WANG Shuang1 ，WANG Jinghe1
（ School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 ，China）
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