盾构隧道施工掘进过程的流固耦合研究

黎建

摘要：随着我国城市用地面积日渐紧张，地上交通建设日趋饱和，为缓解交通压力地下交通建设成为了解决上述问题的最佳选择。盾构隧道工程在地下交通建设领域占有重要席位，而盾构隧道建设过程中不可避免会穿越江河湖海或富水砂卵石地层，从而就产生了盾构隧道流固耦合问题。隧道施工将会使得围岩应力场与渗流场的改变，渗流场变化产生渗透体积力作用于土颗粒导致应力场的变化，应力场的变化会导致土体渗透系数的改变，进而影响渗流状态，从而产生施工期流固耦合问题。本文依托成都地铁1、3号线联络线工程，利用有限元软件 MIDAS GTS/NX 建立盾构隧道掘进过程的水土流固耦合三维数值模型，研究富水砂卵石复合地层下盾构施工过程中的围岩位移场、应力场及渗流场的变化规律。

关键词：盾构隧道；施工期；水土耦合；

1引言

近年来，随着我国新生人口增多和地上交通建设日趋饱和，导致城市人口密度膨胀、交通日益拥堵、土地资源紧张、环境污染等一系列问题日益增多，为应对这些问题，地下交通建设因其具有缓解地面空间资源压力、不受恶劣天气和地面车流的影响等优点应运而生。在大量建设需求的背景下，还要注重保护环境植被，避免大填大挖，同时需满足日益增长的交通需求，修建隧道工程在实现这一目标上具有天然优势。

在地下工程建设中，不可避免的会穿越江河湖海，在工程建设中遇到上述问题可采用轮渡、架桥以及修建水下隧道等解决方案，但在交通出行高效率的背景下，轮渡和架桥其自身所具有的局限性日显突出，因此水下隧道将成为穿越江河湖泊的优选建设工法。修建水下隧道的施工工法主要有沉管法、矿山法及盾构法，现代隧道工程建设的特点具有穿越风险源密集且复杂、周边环境风险控制要求严格、穿越地质复杂多变的特点，相比较于其他施工工法，盾构法隧道具有自动化程度高、施工速度快、地层适用性强、施工扰动程度小等优点，能更好的应用到成都地铁的隧道工程建设中。水下盾构隧道在施工过程中会产生流固耦合问题，即水下盾构隧道在未掘进之前，初始地应力场与渗流场保持相对静止的动态平衡，而盾构隧道的施工不可避免的会对地层产生卸荷作用，从而打破了围岩应力场与渗流场的原有平衡状态。为实现围岩应力场与渗流场新的平衡，双场之间必须通过一定的耦合作用实现新的平衡。

2施工期流固耦合三维有限元模型建立

2.1 工程概况

成都地铁1、3号线联络线工程始于1号线试车线，沿东南方向从欣河苑东侧外下穿7栋单层砖房，再下穿沙河，然后从赤虎桥东路下方进入香澜半岛地块，再沿东北方向下穿赤虎桥东路，穿过驷马桥主变电所、凤凰渠，在驷马桥北站内南端与正线相接。该工程全长约为1280m，含路基、明挖区间和盾构区间，其中盾构区间约为955m。根据地铁线路设计，盾构隧道将从沙河下方斜穿而过，其下穿沙河长为60m，隧道最小埋深6.5m，隧道管片外径6 m，内径5.4m。采用加泥式土压平衡盾构机施工。图1所示为地铁线路与沙河平面关系图。

图1 盾构隧道下穿沙河平面图 图2盾构隧道下穿沙河剖面图

2.2 工程与水文地质

根据钻孔揭露深度范围内，该盾构隧道按岩土层层序，从上至下依次为人工填土、粉质粘土、粉土、中砂、卵石层等。

该盾构隧道过沙河段主要穿越的围岩岩层为中密卵石层和密实卵石层，局部夹杂着中砂层。卵石主要以黄、褐色为主，大部分含量在50%～70%之间，粒径一般为2~10cm，成分以岩浆岩为主，磨圆度较好，含个别漂石，充填物为砾石、细砂、中砂和少量粘土，N120修正击数一般为4~10击。

该盾构隧道地下水主要有三种类型：一是赋存于填土里的上层滞水。二是存于卵石层的孔隙潜水，三是基岩裂隙水。该联络线的地下水稳定水位标高为496.89~500.19之间，主要受大气降水及沙河补给影响。该隧道穿越沙河段基本位于卵石土层中，受地下孔隙水影响较大。卵石层的渗透系数约为20m/d。

2.3 模型建立

为消除模型尺寸对计算精度的影响，根据地铁区间隧道与沙河的位置关系，本次数值模拟计算采用三维模型，模型平面尺寸长度150m、宽度为80m，深度为40m，计算模型如图3所示。模型土体单元采用摩尔库伦本构模型，结构单元采用弹性结构本构模型，各土层参数依据成都地铁1、3号线联络线隧道地质勘察报告确定，各土层物理力学参数见表1 。

模型通过“钝化”、“激活”、“属性转换”命令实现盾构掘进的施工过程，通过设置模型结构位移边界及渗流边界进行分析计算，实现模型的流固耦合分析。模型考虑了盾构施工过程中的掘进压力HP、千斤顶推力J 及注浆压力 E，根据工程实践经验及盾构机类型分别对 掘进压力HP、千斤顶推力 J 及注浆压力 E 进行了取值。选取典型工况如下：

施工步11#：钝化隧道5 环处土体，钝化盾壳01#、渗流面 04#，激活盾壳05#、渗流面05#、管片02#，进行开挖后的渗流场计算；

施工步21#：钝化隧道10 环处土体，钝化盾壳06#、渗流面09#，激活盾壳10#、渗流面10#、管片07#，进行开挖后的渗流场计算；

施工步31#：钝化隧道15环处土体，钝化盾壳11#、渗流面14#，激活盾壳15#、渗流面 15#、管片12#，进行开挖后的渗流场计算；

图3 计算模型图

根据成都地铁1、3号线联络线隧道工程地质详勘报告和设计图并参考相关资料确定土层物理力学计算参数，该盾构隧道下穿沙河段周边土体为人工填土、粉质粘土、中砂、稍密卵石、中密卵石、密实卵石。数值模拟计算参数见表1。

表1 土层物理力学参数

序号	名称	天然密度	粘聚力	内摩擦角	弹性模量	渗透系数
		g/cm3	kPa		Mpa	m/d
1	人工填土	1.85	8	10	1.5	/
2	粉质粘土	1.95	25	17.5	6.5	0.5×10-4
3	中砂	1.85	/	25	5.5	8
4	稍密卵石	2.1	/	35	24	22
5	中密卵石	2.2	/	40	36	20
6	密实卵石	2.3	/	45	45	18

3. 盾构施工全过程渗流场分析

以盾构隧道纵向轴线为对称轴，选取一半模型为研究对象，截取模型纵向剖面对盾构施工全过程下的渗流场进行分析，对开挖临空面前一环位置的孔隙水压力进行结果标记，选取关键施工步的渗流场进行分析，各施工步下渗流场云图如图4所示。

（a）初始渗流场 （b）施工步 11#

（c）施工步 21# （d）施工步 31#

图4 盾构施工全过程渗流场云图

在每步施工步下选取开挖临空面前一环围岩的拱顶、拱底、拱腰三个位置的节点进行孔隙水压力结果标记，拱顶处初始孔隙水压力为0.31MPa，拱底处初始孔隙水压力为 0.46MPa，拱腰处初始孔隙水压力均为0.38MPa。施工步11#下开挖临空面处的孔隙水压力分别为拱顶0.12MPa、拱底0.20MPa、拱腰0.16MPa；施工步21#下开挖临空面处的孔隙水压力分别为拱顶0.13MPa、拱底0.21MPa、拱腰0.18MPa；施工步31#下开挖临空面处的孔隙水压力分别为拱顶0.07MPa、拱底 0.13MPa、拱腰0.09MPa；由此可见在砂卵石地层中不同施工步下开挖造成的水头损失稍有差异，水头等值线在隧道开挖面处较密集，水力坡降大，对土体的渗透动水压力较大。

4. 结束语

本文针对围岩以砂卵石为主的地层结构，结合成都地铁1、3号线联络线盾构隧道过沙河工程，运用数值模拟方法，研究流固耦合作用下盾构隧道掘进过程中围岩渗流场的变化规律，可以得出以下结论：（1）在土层两侧的水头损失比最大施工步为施工至监测断面处时，在拱顶、拱底及拱腰处的水头损失比分别为41%、51%、47%，孔隙水压力在不同施工步下开挖水头损失稍有差异，盾构隧道在推进过程中，地层中的水总是会或多或少的损失，地下水的损失使地下水位降低，同时孔隙水压力也降低，从而转化为土骨架的有效应力，使土层挤压，改变了土体的孔隙比等物理参数，使渗流场的渗透能力发生改变，应力场即发生改变，两场相互影响，在形成新的稳定状态过程中，伴随着流固耦合，后持续至施工结束。（2）在盾构掘进过程中隧道下方地层的水压力减小，由于地下水的渗流运动，管片仍然承受较大的水压，因此在施工阶段一定需要做好防渗工作。

参考文献

1. 江亲华. 浅埋隧道衬砌渗漏水条件下地层应力变形和长期固结沉降的计算方法研究[D]. 北京交通大学, 2019.

2. 倪向阳, 徐程, 李伟平. 地铁隧道考虑流固耦合影响的微裂隙岩体注浆数值模拟研究[J]. 隧道建设(中英文), 2018, 38(10): 1667-1673.

3. 贾善坡, 陈卫忠, 于洪丹等. 渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(S1): 2681-2691.

作者简介：黎建（1979年9月出生），男，毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，高级工程师，现从事隧道及地下工程设计