水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究_许金华
渗流-化学溶解耦合作用下岩石单裂隙渗透特性研究
扩散边界层
的基础上，建立了
对应二维粗糙裂隙面的渗流 - 化学溶解耦合作用的 偏微分方程组，并利用 COMSOL Multiphysics 软件 进行求解。 首先， 模拟了文献[1]的盐岩渗流-溶解耦 合试验结果，证明了该数学模型的有效性。然后， 利用传统的分形理论生成了一个二维的粗糙裂隙面 数字模型， 并用该模型模拟了石灰岩的渗流-化学溶 解耦合过程， 着重研究了二维粗糙裂隙面矿物溶解、 输运过程中其渗透特性的变化规律。
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.31 No. 11 Nov. 2010
渗流-化学溶解耦合作用下岩石单裂隙渗透特性研究
速宝玉 1，张文捷 1, 2，盛金昌 1，许孝臣 3，詹美礼 1，刘继山 4
（1. 河海大学 水利水电工程学院，南京 210098；2. 江西省水利厅，南昌 330009；3. 浙江广川工程咨询公司，杭州 310000； 4. 西澳大利亚大学 机械与化学工程系，Perth 澳大利亚）
深埋隧洞渗流与应力耦合分析
力（ 力和 面力） 体 产生 的虚功 相等 ， 即
Ｉ ａＶ—Ｉｕｄｄ ｔ 一０ （） ＆ｄ ｄ ｆＶ—Ｉ ｄｄ ８ ｏ Ｎ ｓ １
式 中 ， 为 面力 ， ｔ ，为 体力 ； 抛 分 别 为虚位 移 和虚 应 ＆、
变．
Ｉ ｄ ｄ ＝０ 口 Ｖ＋Ｉ 百 Ｓ： ６ ＝
２０ ９ ） １ ０ ８
摘要 ： 富水 区深 埋 隧洞工程 ， 在建 设过 程 中面临着 与 浅部 隧 洞 明显不 同的岩 石力 学 问题 ， 水 压 力 高
和 高地 应力是 这 类工程 遇到 的两大 难题． 下水 的渗流 一方 面 对地 下 洞 室的排 水及 周 围地 下 水 位 地 有 很大 影响 ， 一方面地 下水 渗流对 洞 室围岩 的力 学 、 另 物理和 化 学 性能 产 生影 响． 以有 效 应力 原 理 为基础 ， 应用 渗透 系数和 孔 隙度 随体 积应 变 改变而 改变 的动态 演化模 型 ， 过 ＡＢ 通 ＡＱＵＳ提供 的接 口， 制 了用 户子 程 序 ， 而 实现 了渗 流 与应 力 完全 耦 合 ， 析 了渗 流场 与应 力 场 的相 互 影 响 程 编 从 分
函数 ； ｇ为 重力 加速度 矢量 ； ｎ为孔 隙度 ； 为水 的体 ｋ
积 模量 ．
１３ 有 限 元 方 程 的 离 散 ． 定 义 形 函 数
Ｕ— Ｎ
ｅ— Ｂ
Ｐ 一 Ｎ
（） ４
方法 的研 究也开 展 了大量 卓有成 效 的工作 ， 当前 的研
究成 果虽 然很 丰富 ， 在 工程实 际应 用上 由于一 些计 但 算规 模 和岩体实 际条 件所 限还受 到 限制． 文 以高水 本 位 富水 区隧道 围岩 为研究 对象 ， 以有 效应 力 原理 为基 础 ， 用渗 透 系数 和孔隙 度随体 积应 变改 变 而改 变 的 应 动 态演 化模 型 ， 现 了渗 流 与应 力 完 全耦 合 ， 析 了 实 分 渗 流场 与应力 场 的相互影 响程 度 ， 给工程 实 际 的渗 流
低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用
低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型的研究，对于寒区隧道的建设和运营具有重要意义。
以下将从模型建立、数值模拟及实例应用等方面对其进行论述。
一、模型建立1.1 温度模型考虑到低温环境下的岩体温度变化，建立了温度耦合方程式，包括岩体内部热平衡方程和表面边界条件等，得到岩体内部温度分布。
1.2 渗流模型在岩体中加入水分后可导致岩体内的渗透性增加，因此需要建立渗流耦合方程式，包括岩体内部水分扩散方程和表面边界条件等，得到岩体内部渗流水压分布。
1.3 应力模型由于冻融环境下温度和水分变化，岩体中的应力状态也会发生变化，考虑到应力涉及到岩体的力学性质，建立了应力耦合方程式，包括岩体内部力学平衡方程和表面边界条件等，得到岩体内部应力分布。
1.4 损伤模型根据岩体断裂的损伤特性，建立了损伤耦合方程式，包括耗能损伤方程和裂纹扩展方程等，得到岩体的损伤特性及破坏状态。
二、数值模拟在建立了岩体的低温冻融条件下的温度-渗流-应力-损伤耦合模型后，进行了数值模拟。
通过数值模拟得到了不同参数情况下的模型响应情况和岩体的损伤状态等，为后面的实例应用提供了重要参考。
三、实例应用本研究将所建立的模型应用于寒区隧道的建设和运营，对隧道的环境适应性、寿命等方面进行了研究。
3.1 隧道建设阶段在隧道建设阶段，岩体的温度、水分等参数的变化会影响到隧道的施工和安全，采用所建立的模型可以对岩体环境进行预测，实现对施工和隧道的安全保障。
3.2 隧道运营阶段在隧道运营阶段，隧道内部的温度、水分等参数的变化也会影响到隧道的运营和安全。
采用所建立的模型，可以对隧道内部的环境进行监测和分析，及时调整运营管理策略，保障隧道的安全和可靠性。
综上所述，低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型的研究，对于寒区隧道的建设和运营具有重要意义。
水-土-结构耦合作用下地铁区间隧道抗震仿真分析
水-土-结构耦合作用下地铁区间隧道抗震仿真分析商金华;王晓昱;毛荣吉【摘要】针对济南市地铁区间隧道结构,基于三维比奥固结渗流理论,运用时程分析方法,利用FLAC3D5.0软件建立了地铁区间隧道三维有限元计算模型,研究了水-土-结构耦合作用下区间隧道的地震反应,以及地下水渗流作用对地铁区间隧道抗震性能的影响.结果表明,考虑地下水渗流后区间隧道位移和内力地震响应规律与不考虑地下水渗流时相同,但区间隧道各点位移、洞顶和洞底的相对位移增大;渗流作用下,隧道的弯矩、剪力有所下降,轴力有所增大.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2018(021)010【总页数】5页(P57-61)【关键词】区间隧道;水-土-结构耦合作用;抗震仿真【作者】商金华;王晓昱;毛荣吉【作者单位】济南轨道交通集团有限公司,250101,济南;济南轨道交通集团有限公司,250101,济南;济南轨道交通集团有限公司,250101,济南【正文语种】中文【中图分类】U452.2+8济南市作为山东省省会，由于泉水保护等原因，城市轨道交通建设起步较晚，且随着近年来交通拥堵的恶化，大力发展城市轨道交通建设势在必行。
地下结构由于受到周围岩体或土体的约束，一直被认为具有良好的抗震性能[1-3]。
但近年来的地震中许多原本被认为具有良好抗震性能的地下结构(包括区间隧道及地铁车站等)都发生了不同程度的破坏，引起了许多学者的重视。
在区间隧道的抗震设计研究中，数值方法已成为重要的研究途径，近年来取得了丰硕的成果。
文献[4]运用有限元和无限元耦合的分析方法对土-地下隧道的相互作用进行了分析。
文献[5]结合动力有限元-双渐近多向透射边界编制了相应的计算程序,来计算软土地层中盾构隧道的地震响应。
文献[6]以南京某软弱地基浅埋地铁区间隧洞为研究对象，进行地震响应分析。
文献[7]利用土-结构相互作用的动力有限元方法，通过引入无长度的三自由度弹簧单元模拟纵向螺栓接头，分析行波波长、地基刚度与阻尼对盾构隧道纵向地震响应的影响。
接头渗漏和土体渗透各向异性对盾构隧道渗流影响的数值模拟
第 54 卷第 3 期2023 年 3 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.3Mar. 2023接头渗漏和土体渗透各向异性对盾构隧道渗流影响的数值模拟张晓1, 2，周建1, 2，蒋熠诚1, 2，HORRIS K N 1, 2(1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州，310058；2. 浙江大学 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江 杭州，310058)摘要：为了研究土体渗透各向异性对盾构隧道渗漏的影响，以上海地铁1号线为工程背景，首先，通过有限元数值软件，建立盾构隧道接头渗漏的计算模型；其次，将计算结果与解析解对比，验证数值模型的可靠性；再次，探究不同渗漏位置以及土体渗透各向异性比下，地下水渗入隧道对地表沉降以及隧道位移的影响；最后，提出不同渗漏位置下土体的临界渗透各向异性比。
研究结果表明：对于修建于饱和软土地区的盾构隧道，土体渗透各向异性对地表以及隧道的影响与渗漏位置密切相关，隧道全部接头渗漏、仅上部接头渗漏、仅中部接头渗漏和仅底部接头渗漏等工况下，临界渗透各向异性比分别为1.6，1.1，1.3和1.4。
当土体渗透各向异性比超过临界值时，需要考虑渗透各向异性的影响。
当隧道全部接头渗漏时，忽略渗透各向异性会高估隧道以及地表的沉降，低估地表沉降槽的范围；当仅有一个接头渗漏时，忽略渗透各向异性会低估隧道的沉降、偏移、地表沉降以及地表沉降槽的范围。
关键词：渗透各向异性；盾构隧道；接头渗漏；有限元中图分类号：U45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）03-1012-11Numerical simulation of influence of joint leakage and soilpermeability anisotropy on seepage of shield tunnelZHANG Xiao 1, 2, ZHOU Jian 1, 2, JIANG Yicheng 1, 2, HORRIS K N 1, 2(1. Coastal and Urban Geotechnical Engineering Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;2. Zhejiang Urban Underground Space Development Engineering Research Center, Zhejiang University,Hangzhou 310058, China)Abstract: In order to study the influence of joint leakage and soil permeability anisotropy on shield tunnel收稿日期： 2022 −06 −02； 修回日期： 2022 −08 −23基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51338009)；国家重点研发计划项目(2016YFC0800203) (Project(51338009) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016YFC0800203) supported by the National Key R&D Program of China)通信作者：周建，博士，教授，从事软黏土渗透特性研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.03.018引用格式： 张晓, 周建, 蒋熠诚, 等. 接头渗漏和土体渗透各向异性对盾构隧道渗流影响的数值模拟[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(3): 1012−1022.Citation: ZHANG Xiao, ZHOU Jian, JIANG Yicheng, et al. Numerical simulation of influence of joint leakage and soil permeability anisotropy on seepage of shield tunnel[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(3): 1012−1022.第 3 期张晓，等：接头渗漏和土体渗透各向异性对盾构隧道渗流影响的数值模拟leakage, Shanghai Metro Line 1 was taken as the engineering background. Firstly, finite element method was employed, and a numerical calculation model of leakage through shield tunnel joints was established. Secondly, compared with the analytical solution, the reliability of the model was verified. Thirdly, the influence of tunnel leakage on ground settlement and tunnel displacement at different leakage locations and soil permeability anisotropy ratios was explored. Finally, the critical soil permeability anisotropy ratios at different leakage positions were proposed. The results show that the impact of soil permeability anisotropy on the shield tunnel which is constructed in the saturated soft soil layer is related to the leakage location. The critical permeability anisotropy ratios under conditions of leakage at all joints, the upper joint, the middle joint and the bottom joint are 1.6, 1.1,1.3 and 1.4, respectively. When the soil permeability anisotropy ratio exceeds the critical value, the influence ofpermeability anisotropy needs to be considered. When leakage occurs at all joints, ignoring the permeability anisotropy will overestimate the tunnel settlement and ground settlement, and underestimate the range of ground settlement trough. When leakage occurs at a single joint, ignoring the permeability anisotropy will underestimate the tunnel settlement, tunnel lateral displacement, ground settlement and the range of ground settlement trough.Key words: permeability anisotropy; shield tunnel; joint leakage; finite element盾构法是一种施工方便、对环境影响小的隧道施工工法，但是盾构隧道的衬砌是由预制管片通过纵向以及环向螺栓连接而成的离散结构，管片与管片之间存在着狭长的接缝。
地下水对盾构隧道施工的影响与治理研究
地下水对盾构隧道施工的影响与治理研究1. 引言随着城市化进程的加速，城市交通建设的需求逐渐增加。
盾构法是一种常用的地下隧道施工方法，其优势在于快速施工、工程质量高等。
然而，在盾构隧道施工中，地下水是一个重要的问题。
本文将对地下水对盾构隧道施工的影响以及相应的治理措施进行研究。
2. 地下水对盾构隧道施工的影响2.1 地下水压力地下水压力是盾构隧道施工中最重要的影响因素之一。
当隧道施工过程中遇到高含水层时，地下水压力会对盾构机械产生压力，增加施工风险。
此外，地下水压力还可能引起地震液化现象，进一步影响隧道的稳定性。
2.2 渗流与冒水盾构隧道施工过程中，地下水渗流是一个常见的现象。
过高的地下水压力会导致隧道内部渗水增加，甚至出现冒水现象。
渗流和冒水不仅会对隧道施工进度产生影响，还会导致地层损坏和坍塌。
2.3 地质灾害隧道施工过程中，地下水的存在也会导致地质灾害的发生。
地下水会引发地层的软化和沉降，导致隧道周围土壤的松动和塌陷。
这些地质灾害不仅会对施工过程造成影响，还会对周边建筑物和地下管线等造成安全隐患。
3. 地下水的治理措施3.1 压水井在盾构隧道施工过程中，可以采用压水井来控制地下水压力。
压水井通过降低隧道周边地下水位来减少地下水压力，从而降低施工风险。
压水井可以通过适当的布置和设置来达到最佳的治理效果。
3.2 地下水抽排对于存在渗流和冒水现象的地下水，可以采取地下水抽排的方法来进行治理。
地下水抽排通过设置井筒并利用泵站将地下水抽出，以减少隧道内的水位和压力。
地下水抽排需要精确的设计和监测，以确保隧道施工过程的安全性。
3.3 地下水防渗措施在盾构隧道施工前，可以采取地下水防渗措施来减少地下水对施工的影响。
这包括使用防渗剂、浆液注浆和固结灌浆等方法，以提高周边地层的稳定性和抗渗性。
4. 结论地下水是盾构隧道施工过程中一个重要的问题，对施工的影响不容忽视。
在施工过程中，地下水会对盾构机械产生压力、引发地质灾害，并导致渗流和冒水问题。
应力—渗流耦合作用下损伤岩石渗流特性
染，得到孔隙和裂隙模型。其流程如图 4 所示。
图 4 孔隙和裂隙可视化步骤 Fig.4 Visualization steps of pores and fractures
2021 年 6 月 第 29 卷·第 3 期 357
采选技术与矿山管理
1.4 试验方案 在进行试验前，先清理预损岩样表面，并将其
中 图 分 类 号 ：TU45 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1005-2518（2021）03-0355-09 DOI：10.11872/j. issn. 1005-2518.2021.03.204 引用格式：HU Jianhua，DONG Zhezhe，MA Shaowei，et al.Seepage Characteristics of Damaged Rock Under Stress-Seepage Cou‐ pling［J］.Gold Science and Technology，2021，29（3）：355-363. 胡建华，董喆喆，马少维，等 . 应力—渗流耦合作用下损伤岩石渗 流特性［J］. 黄金科学技术，2021，29（3）：355-363.
根据岩石渗透率的大小和岩石应力—渗流耦 合渗流特性，岩石大体上可划分为 2 种：（1）渗透率
大（如 砂 岩）的 破 裂 岩 石（胡 大 伟 等 ，2010；李 文 亮 等，2017）；（2）孔隙率低的低渗透率致密岩石（如花 岗 岩 、页 岩）（黄 远 智 等 ，2007）。 对 于 高 渗 透 率 岩 石，以往研究多以砂岩为研究对象，重点分析了不 同排水条件下岩石的强度特性及损伤演化规律（王 伟等，2016；张俊文等，2019）。张培森等（2020）通 过定义损伤指标，推导出岩石损伤指标与渗透率的 关系式，揭示了渗透率随岩石损伤指标变化的演化 规律；杨秀容等（2019）以破裂石灰岩为研究对象， 分析了不同围压作用下破裂石灰岩渗透率随净围 压和渗透压的变化特性。对于低渗透率致密岩石， 以往研究多以花岗岩和页岩为研究对象，开展了三 轴 应 力 — 渗 流 耦 合 试 验（尹 立 明 等 ，2014；胡 少 华 等，2014；王伟等，2015；左宇军等，2018），分析了岩 石在应力和应变过程中渗透率的变化规律。在理
应力分布对水下隧道结构防水的影响
２４ 南京市政 ２００７年第２期（总第８０期） 应力分布对水下隧道结构防水的影响 赵建国 （１南京第二道路排水工程有限责任公司，２１００１ １ 杨亮
２南京城建项目管理发展有限公司，２１０００６）
摘 要：本文采用ＡＮＳＹＳ有限元软件，以某水下交通隧道为背景，系统的研究了水下隧道的结构应力分布对 防水的影响。首先分析计算了水下混凝土结构的应力分布规律；在研究混凝土渗透系数与应力之间的关系之 后，根据混凝土结构的应力分布，确定了各部分的渗流系数；计算了结构的渗流，研究了渗流规律。 关键词：水下隧道；防水；应力
１前言 渗漏是隧道施工过程中及隧道投入使用后 存在的一个普遍现象，是隧道施工尤其是水下隧 道施工中的重难点【ｌ１。现在很多的技术措施主要 集中在对渗漏点出现后采取怎样的措施进行修 补，而要从根本上预防隧道的渗漏问题，只能是 从结构本身入手了解结构的渗漏规律，并根据产 生渗漏的主要因素采取预防为主的工程防水措 施。目前应用较多的预防方法是通过改良材料减 小孔隙率进行预防，而很少考虑结构应力分布对 渗漏的影响圆［３】。本文采用ＡＮＳＹＳ有限元软件，以 某水下交通隧道为背景，系统的研究了水下隧道 的结构应力分布对防水的影响，分析结果对水下 隧道工程结构防水具有一定参考价值。 ２某水下隧道结构应力分布规律 分析 ２．１计算模型 ２．１．１隧道工程榻Ｉ况 以某水下隧道为例进行有限元数值模拟计 算。隧道施工采用围堰明挖法施工，上覆的土层［４１ 为粉质粘土，填土层厚度为２～５ｍ，湖中部水深 １．５ｍ。隧道结构截面图如图ｌ所示。 ２．１．２几何模型 计算范围取侧墙分别横向向左向右均取５ 倍隧道高度，总共宽为５３．１５ｍ。底板向下取３倍 隧道高度，为２３ｍ。拱顶向上一直到覆土层面，分 别取为：１．２ｍ、３ｍ、５ｍ。有限元计算网格如图２所 示。在计算范围内，左边界和右边界加ｘ方向约
４００ 图１典型截面图
收稿日期：２００７—０３—１５； 作者简介：赵建国（１９５８一），男，大学本科，助理工程师，现主要从事市政工程施工工作。
复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应研究
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生态与环境工程
2024 NO.1（上） 中国新技术新产品
在实际工况中，会存在一定偏差。为充分描述盾构尾部与
衬砌之间间隙、盾构机注浆程度和隧道面土体的变形程度 和范围 [6]，将盾构尾部与衬砌之间间隙概化为均质的弹性等
代层，δ 表示该层厚度，其计算如公式（2）所示。
δ=ηQp
（2）
式中 ：η 为经验系数 ；Qp 为理论盾构尾部与衬砌之间间隙。
中国新技术新产品 2024 NO.1（上）
生态与环境工程
复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应研究
么家琦 （广东粤东城际铁路有限公司，广东 汕头 515000）
摘 要 ：为保障盾构隧道施工安全，研究复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应。该方法以东乐站地铁项目为
研究对象，首先，利用 HSS 模型计算盾构隧道的变形效应，其次，利用 PLAXIS 3D 软件对盾构隧道－周边建筑
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中国新技术新产品 2024 NO.1（上）
生态与环境工程
数值为 0.124mm。盾构穿越后 50 d 时，盾构隧道测点最大变 形效应数值为 3.096mm，最小变形效应数值为 2.036mm。当 隧道盾构施工作业完成后，盾构隧道测点最大变形效应数值 为 3.824mm，最小变形效应数值为 2.978mm。综上所述，利 用本文方法可有效获得盾构隧道在不同时间段时，其最大和 最小变形效应，为隧道安全施工提供变形效应数值，应用效 果较佳。
能恢复到原始状态的变形，而塑性变形是当土体受到过大加
载时，无法完全恢复的永久性变形。使用 HSS 模型可以计算
盾构隧道在不同情况下的变形效应。盾构机工作是分段连续 进行的，盾构机每推进一段长度 [4]，其土仓内压力和尾部注
水下大盾构隧道抗震设计探微
水下大盾构隧道抗震设计探微水下大盾构隧道是道路系统的重要组成，本文研究了水下大盾构隧道的地震响应，得出了隧道在不同地 震波激励分析方法下的响应规律，为水下大盾构隧道抗震设计提供了理论依据。
图1为基于反应位移法的隧道顶部土层相对位移随时间变化曲线。
反应位移法是一种“拟静力”方法，始于20世纪七十年代，其认为周 围土地变形是影响地下结构变形的主要因素， 因此该方法下的结构地震响应计算往往是基于一维土层地震反应分析。
水下大盾构隧道在地 震作用下的破坏情况主要由相对位移和变形引201110-1020.■.浓也V甲起，结构横断面的惯性力影响较小，所以水 叫”二 r 二”石 下大盾构隧道抗震设计可以利用反应位移法 时闻⑹进行分析。
具体而言，首先，地下结构采用壳单元建模，对设防和罕遇地震烈度下的水下大盾隧道横断面，进行一维土层地震反应的分析计算，得出土层相对位移、结构和周围土层的剪力以及结构惯性力， 进行土体动参数的输入及土层划分、地震波的输入；随后采取Sap 84结构分析通用软件构建水下大盾构隧道横断面模型图，计算地震荷载、横断面模型以及地基弹簧刚度，得出隧道横断面地震响应以及地震 反应结构变形结果；结果显示，设防和罕遇地震工况下，轴力最大值仅在拱腰部出现，弯矩最大值则出现在两个部位即拱顶或者拱底，而剪力最大值也是仅出现在拱底，并且其数值分别提高26%、门％以及 24%；在设防和罕遇地震工况下，地层最大相对变形分别为21.1mm 与25.6mm ，地震工况下隧道结构所 在地层相对位移在规范规定的限值之内，均满足变形限值要求，直径变形率为1.68%。
・4、时利供顶.拱底纵向相对位棒♦ 12s 时刻拱顶、拱底纵向相对位移 -22s 时划挑顶.拱底纵向HI 时位移▼ 4s 时刻左右抓腰纵向相时付移♦ 12s 时刻左右檢腰纵向相对位移♦ 22$时划左右供腰纵向相对位移3却超夜逮邑我親»•2UU 彳炖 6V0 M )u tix» 12<«V 1*JO 160': X.MJ22<XJ 2*00图2为行波激励下水下大盾构隧道的横向相对 位移变化与弯矩云图。