基于流固耦合的海底隧道注浆圈合理参数研究

摘要

在海底隧道注浆设计中，除需要保证隧道施工期和运营期的安全性外，还要兼顾隧道的经济性，使得工程既安全又经济。因此，合理确定注浆圈的厚度及渗透系数等参数是海底隧道工程中一个亟待解决的问题。本文以青岛胶州湾海底隧道为工程背景，通过理论计算和数值模拟两种手段对海底隧道注浆圈合理参数的选取进行了以下研究： （1）对地下水在裂隙介质中的渗流规律作了详细的介绍，同时对围岩、支护结构与地下水相互作用的流固耦合计算模型的建立及相应的求解办法进行了论述。 （2）运用达西渗流定律，推导出均质围岩中海底隧道衬砌背后水压力和最大涌水量的理论计算公式；分析了最大涌水量、衬砌背后水压力与注浆圈各参数之间的关系以及衬砌背后水压力与隧道控制排水量之间的关系。 （3）采用了双剪统一强度理论，对圆形海底隧道的围岩进行了弹塑性分析，得出了流固耦合作用下围岩的应力场、位移场、塑性区半径、特性曲线方程的理论计算公式；分析得出流固耦合作用和中间主应力效应对隧道围岩稳定的影响规律。 （4）采用有限差分程序--FLAC3D，针对青岛胶州湾海底隧道F4-4断层破碎带进行了数值模拟，系统分析了注浆圈厚度、渗透系数及隧道排水方式对围岩渗流场、应力场、位移场、破坏区的影响规律，并与理论解析所得的结果进行对比验证。 （5）在理论计算和数值分析的基础上，给出了流固耦合作用下海底隧道注浆圈合理参数的选取方法，并就青岛胶州湾海底隧道F4-4断裂破碎带的注浆工程进行了初步设计，给出了相关注浆参数。由于工程地质资料和破碎带透水性等因素的不确定性，注浆参数还需要根据现场的注浆试验做进一步的调整。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状与存在的问题

1.2.1国内外海底隧道建设发展现状

1.2.2岩体地下水渗流研究现状

1.2.3隧道围岩稳定的研究现状

1.2 4注浆技术的研究现状

1.2.5尚待研究的问题

1.3研究内容

第二章注浆圈对海底隧道渗流场的影响分析

2.1裂隙介质渗流规律

2.1.1单裂隙渗流规律

2.1.2裂隙系统渗流规律

2.2岩体渗流场与应力场的相互作用机理

2.2.1岩体中渗流场对应力场的影响

2.2.2岩体中应力场对渗流场的影响

2.3岩体渗流场与应力场耦合的数学模型

2.3.1岩体渗流场与应力场耦合的连续介质模型

2.3.2岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型

2.3.3岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型

2.4海底隧道稳定渗流计算分析

2.4.1渗流模型

2.4.2渗流场分析

2.4.3注浆圈对渗流场的影响分析

2.5本章小结

第三章考虑渗流的海底隧道围岩弹塑性分析

3.1屈服条件

3.2模型建立

3.3弹塑性分析

3.3.1孔隙水压力的分布规律

3.3.2基本方程和边界条件

3.3.3弹性区内应力和位移

3.3.4塑性区内应力

3.3.5塑性区半径

3.3.6塑性区内位移

3.3.7衬砌位移

3.3.8结果分析和比较

3.4本章小结

第四章海底隧道围岩稳定与渗流场分布的数值分析

4.1有限差分法及FLAC 3D简介

4.1.1有限差分法的理论基础

4.1.2 FLAC 3D简介

4.2 FLAC 3D在流固耦合分析中的应用

4.2.1基于流固耦合分析的FLAC 3D基本方程

4.2.2边界条件

4.2.3计算的时标

4.2.4流固耦合分析的模拟方法

4.2.5选择建模方法的步骤

4.3青岛胶州湾海底隧道F4-4断层破碎带的三维数值模拟

4.3.1青岛胶州湾海底隧道工程概况

4.3.2 F4-4断层破碎带工程地质特征

4.3.3计算模型的建立

4.3.4模型参数及边界条件

4.3.5数值模拟方案

4.3.6计算结果分析

4.4本章小结

第五章青岛胶州湾海底隧道F4-4断裂破碎带注浆设计

5.1注浆圈合理参数确定的方法

5.2 F4-4断裂破碎带超前预注浆设计及施工工艺

5.2.1注浆设计方案

5.2.2隧道全断面超前(帷幕1预注浆参数设计

5.2.3隧道全断面超前(帷幕)预注浆施工工艺

5.2.4止浆墙施工

5.2.5钻孔注浆施工

5.2.6注浆结束标准

5.2.7注浆效果检查

5.2.8径向注浆

5.3本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2进一步研究展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的论文和科研工作情况