海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用_李术才

第32卷第5期岩石力学与工程学报V ol.32 No.5 2013年5月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2013 海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用李术才，宋曙光，李利平，张乾青，王凯，周毅，张骞，王庆瀚(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061)摘要：围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响，很有必要开展流固耦合模型试验研究。

根据流固耦合模型试验的特点，研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。

该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚)，由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。

其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成；钢化玻璃试验箱结构，既能保证试验要求的密封性，又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。

同时，采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究，揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。

研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

关键词：隧道工程；海底隧道；流固耦合；模型试验；相似材料中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)05–0883–08 DEVELOPMENT ON SUBSEA TUNNEL MODEL TEST SYSTEM FOR SOLID-FLUID COUPLING AND ITS APPLICATIONLI Shucai，SONG Shuguang，LI Liping，ZHANG Qianqing，WANG Kai，ZHOU Yi，ZHANG Qian，WANG Qinghan(Research Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong250061，China)Abstract：Solid-fluid interaction between surrounding rock and water body has significant influence on the stability of subsea tunnel. It is necessary to analyze the solid-fluid interaction involved in the construction of subsea tunnels using a model test. According to the feature of solid-fluid coupling model test，a new type of system for solid-fluid coupling model test was presented to simulate the quasi-3D plane stress and plane strain. The model test system was designed as 3.4 m in length，3.0 m in height and 0.8 m in width，and composed of rack body with steel structure，test chamber with toughened glass and loading devices of water pressure. The steel structure rack body consists of 6 steel structure members operated independently and connected by screw bolts with high strength. Toughened glass was used to assure leakproof of the test chamber and easily inspect the seepage and deformation of surrounding rock during subsea tunnel construction process. Furthermore，based on a new type of simulation material，the proposed new type of model test system was applied to the solid-fluid coupling model test for the Kiaochow Bay Subsea Tunnel. The pressure on tunnel wall，the variation of seepage and displacement of surrounding rock mass can be captured using the model test. The research methods and收稿日期：2012–10–09；修回日期：2012–12–24基金项目：国家自然科学基金国际合作与交流项目(50820135907)；国家自然科学基金重点项目(51139004)；国家自然科学基金青年科学基金项目(50909056)作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损伤、地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。

E-mail：lishucai@。

通讯作者：李利平(1981–)，男，现任副教授。

E-mail：yuliyangfan@• 884 • 岩石力学与工程学报 2013年results will instruct similar engineering.Key words：tunneling engineering；subsea tunnel；solid-fluid coupling；model test；simulation materials1 引言隧道技术在我国取得了突飞猛进的发展，中国已经是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。

近些年来，作为隧道及地下工程十大技术领域之一的江、河、海底隧道技术得到了迅猛发展[1-2]。

海底隧道的施工涉及围岩与水体的交互作用问题——流固耦合作用。

一方面，水体在围岩中的渗流作用将改变围岩中的孔隙水压力，从而改变围岩的原始应力状态；另一方面，围岩应力状态的改变，反过来会改变围岩本身的结构，进而改变围岩的渗透性能，从而改变水体的渗流状态[3-6]。

正是由于海底隧道的特殊性，必须进行流固耦合模型试验才能比较真实地反映工程现场实际情况。

事实上，在一些地质复杂、意义重大的海底隧道工程中，例如英法海底隧道、日本青函隧道等，模型试验都发挥了重要的作用[7]。

国内的流固耦合模型试验的研究尚处于起步阶段，其中比较有代表性的有：弓培林等[8]研制了三维固流耦合相似模拟试验台，在此基础上对煤矿采区带压开采进行了模拟；李术才等[9]研制了组合式三维流固耦合试验台架，可实现不良地质体和含水层的自动生成，并成功地对巷道涌水进行了物理模拟；刘爱华等[10]研制了深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统，可实现深部采矿时复杂应力、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程，以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试；周辉等[11]设计研制了盐岩裂隙渗流–溶解耦合试验装置，进行了特定条件下的盐岩裂隙渗流–溶解耦合过程试验研究；蔚立元等[12]通过改装试验架开展了水下隧道流固耦合模型试验；王克忠和李仲奎[13]设计制作水压自动控制供水系统，离散式花管渗流生成系统，结合锦屏二级水电站引水隧洞工程，对高渗透压下深埋引水隧洞进行施工过程的物理模拟，为引水隧洞的防渗施工技术设计提供了理论依据。

目前已有试验主要针对水量有限(如围岩裂隙水等)的水体作用下的流固耦合作用开展研究，试验场所多为单一材料组成的密闭空间，试验过程中围岩的渗流、变形特征可视性差。

针对海底隧道处于海水压力作用下的水体是无穷补给的特点，为解决已有模型试验系统的不足，本文研制了一种水理特性可控的流固耦合相似材料，利用自主研发的大型流固耦合模型试验系统，开展了海底隧道施工过程模型试验研究，揭示了试验开挖过程中围岩位移场、应力场、渗流场的时空变化规律。

2 海底隧道模型试验系统的研制流固耦合模型试验台架系统主要由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成，整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚)。

钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成，其中正反两面的构件分别由3块长2 400 mm、宽800 mm，其上带有螺栓槽的铸钢构件并列拼接而成，构件内部钢板采用圆形与方形交错焊接，在满足刚度要求的前提下可保证试验架具有足够的采光性；钢结构架两侧山墙及底板和顶板为整榀带有螺栓槽的铸钢构件。

通过高强连接螺栓可将各铸钢构件在所要求的螺栓槽位固定，组成流固耦合钢结构架，如图1所示。

1—底板；2—山墙；3—顶板；4—高强螺栓；5—隧道轮廓(a) 钢结构架设计图(b) 钢结构架照片图1 钢结构架Fig.1 Steel structure rack body单位：m第32卷第5期李术才等：海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用 • 885 • 钢结构架内部为钢化玻璃试验箱，为试验的基本场所，可直观观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征及加载过程中围岩破裂过程。

玻璃板尺寸与对应的铸钢构件尺寸一致，接缝处采用玻璃胶黏合，并在试验箱安装完成后内部整体贴防爆膜，使试验箱具有足够的密封性，如图2所示。

图2 试验箱内部照片Fig.2 Internal sketch of test chamber水压加载装置包括压力水箱及其内部的离心式抽水泵，压力水箱通过橡胶输水管与模型架顶盖的注水阀门相连，当试验模拟海水深度超过试验台架所能提供的水头高度时，通过水压加载装置提供试验所需水力余压，水压加载装置如图3所示。

组装完成后的试验台架系统如图4所示。

图3 水压加载装置Fig.3 Hydraulic loading device图4 流固耦合模型试验系统照片Fig.4 Photograph of solid-fluid coupling model test system 3 青岛胶州湾海底隧道模型试验本文将流固耦合模型试验台架系统应用于青岛胶州湾海底隧道流固耦合模型试验研究，籍以反映海底隧道在流固耦合作用下围岩渗流场和位移场变化规律，为工程施工提供参考和指导。