流固耦合效应下青岛地铁过海隧道穿越断层破碎带施工稳定性分析

摘要

随着国家经济技术的发展和国家战略以及城市发展的需求，海底隧道建设正如火如荼的展开，其不仅有效缩短了海湾两岸的路程而且极大的缓解了交通压力，意义不言而喻。海底隧道围岩时刻处于高压水头和无限量海水补给的状态，因此地下水是着重考虑的问题；同时，隧道在流固耦合效应下因施工产生的扰动会对隧道周边围岩产生损伤，且当隧道穿越断层破碎带时，会加剧围岩的破碎程度，进一步增大隧道失稳破坏的可能性，加大施工风险性。本文以青岛地铁1号线中的瓦屋庄站~贵州路站区间的过海隧道为研究对象，通过理论分析、数值模拟及现场监测的方法，对海底隧道施工过程中的流固耦合效应及穿越断层破碎带稳定性进行研究，同时提出针对性的地层加固设计。本文主要研究工作如下：　　（1）海底隧道的流固耦合理论研究。本文分析了海底隧道工程中流固耦合的基本理论及方程，并分析了流固耦合作用下围岩应力场和耦合状态下渗流场的数学模型以及有限差分软件求解围岩应力所用的Mohr-Coulomb强度准则；分析了岩石损伤破坏过程中渗透性的变化，建立了渗透特性演化模型并分析了其演化规律，以此为后文海底隧道考虑围岩渗透性变化的流固耦合数值模拟计算提供理论依据。　　（2）青岛地铁1号线海底隧道围岩渗流场解析。本文利用镜像法基本理论推导单孔海底隧道渗流场解析解，验证了其准确性；通过影响参数分析发现提高初期支护抗渗性能，增加其厚度可以有效降低隧道涌水量，但相应的提高了衬砌所受水压；增大注浆圈厚度、减小渗透系数，会使隧道涌水量及初期支护后水压力呈反比例函数式减小；利用本文的渗流场解析式对青岛地铁1号线穿越断层破碎带的海底隧道涌水量进行了分析，为后文海底隧道穿越断层破碎带的围岩注浆加固提供理论依据。　　（3）流固耦合效应下海底隧道穿越断层破碎带稳定性分析。流固耦合效应下隧道开挖使得隧道周边的孔隙水压力一直呈现下降趋势，下降幅度由隧道上部越往下越大；且开挖施工使岩性较差围岩的渗透率及渗透系数增大程度相较于岩性较好围岩的更高；在隧道穿越断层破碎带施工时通过数值模拟取监测点变形值，发现隧道周边围岩变形量过大，最大变形量达16.72mm，许多地方超出规范允许的预警值，因此需对隧道穿越不良地质段提出有效的加固措施。　　（4）海底隧道穿越断层破碎带的围岩注浆加固及施工监测分析。对隧道穿越断层破碎带提出针对性的注浆加固设计；将模拟数据与实测数据进行对比，发现两者位移及围岩压力的变化趋势大致相同，洞周变形的模拟值与实测值数据差距均未超过0.5mm，且数值模拟收敛后提取的围岩压力值也与实测值几近相同，由此证明数值模拟方法的可行性及准确性；实际工程采用注浆加固设计后，拱顶最大沉降值为-0.9mm、净空最大收敛值为2.6mm，均未超出规范要求的预警值，洞周围岩变形得到了有效控制，证明注浆加固的有效性。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义（Background and significance of subject research）

1.2 国内外研究现状（Research status at home and abroad）

1.3 研究内容与创新点（Main research contents and innovations）

1.4 主要研究方法与技术路线（ Main research methods and technical routes）

2 海底隧道的流固耦合理论分析

2.1 海底隧道的流固耦合理论（ Fluid-solid coupling theory for tunnel engineering）

2.2 流固耦合作用下围岩应力场的分布（Distribution of surrounding rock stress field under fluid-solid coupling）

2.3 应力场影响的渗流场分布（Seepage field distribution affected by stress field）

2.4 Mohr-Coulomb 强度准则（Mohr-Coulomb strength criterion）

2.5 本章小结（Conclusions）

3 青岛地铁1号线海底隧道围岩渗流场解析

3.1青岛地铁1号线海底隧道工程概况（ Overview of Qingdao Subway Tunnel Line 1 Project）

3.2 常用的海底隧道涌水量计算公式（Prediction of tunnel water inflow in blasting vibration effect）

3.3 海底隧道渗流场解析解（Analytical solution of seepage field in subsea tunnel）

3.4 影响参数分析（Influence parameter analysis）

3.5 工程实例计算（Engineering example calculation）

3.6 本章小结（Conclusions）

4 流固耦合效应下海底隧道穿越断层破碎带稳定性分析

4.1 工程概况（General situation of the engineering）

4.2 FLAC3D 流固耦合计算原理（ FLAC3D fluid-structure coupling calculation principle）

4.3 数值模型的建立（Establishment of numerical model）

4.4 计算结果分析（Analysis of calculation results）

4.5 本章小结（Conclusions）

5 海底隧道穿越断层破碎带的围岩注浆加固及施工监测分析

5.1 注浆圈合理参数确定的方法（ Method for determining reasonable parameters of grouting circle）

5.2 断层破碎带注浆加固设计（ Grouting reinforcement design of fault fracture zone）

5.3 施工监测方案及数值模拟工况（ Construction monitoring scheme and numerical simulation work conditions）

5.4 数值计算结果与施工监测对比验证（Comparisons between numerical results and construction monitoring）

5.5 本章小结（Conclusions）

6 结论与展望

6.1 结论（Conclusions）

6.2 展望（Prospect）

参考文献

作者简历

致谢

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