大直径水下盾构隧道开挖流固耦合效应研究.pdf

第51卷第9期 2 0 2 0年9月 Vo l . 51 ,Nc .9 Sep. , 2020 人民长江 Yn g t a eK 2 1 * 为渗透系数;1W为水的容重;P为超孔隙水压力,乎,字, dy 字是作用在土骨架上的渗透力的3个坐标轴方向上的分 量；u[， ，uy，uz为土骨架在坐标轴方向上的位移分量; S’ L 学学学为土骨架的体应变。 由于隧道开挖导致周边岩土体产生应力释放，必 然使渗流场的两类边界条件水头边界条件、流量边 界条件发生变化，详见公式2 如图3所示自由 水面不断升降，可将上部自由水面处的水头视为随空 间和时间变化的函数表达式，且满足两类边界条 件18此外，由于模型较大，左右边界按不排水边界 处理，底部和隧道衬砌处均视为为不排水边界，而隧道 下部未设置防水层，需将其视为排水边界％ -21 hF Of5 { hF 2 厂2 K 于 -Qf n 式中hw是特定位置流场的水头值，Of是已知位置处 的水头值自由水面处取0 ，n为流量边界处的方向 图3隧道开挖水位变化示意 Fo g . 3 Va eo a t o o n o o w a t eea eeea w o t h t h eex c a ea t o o n 第9期王金安，等大直径水下盾构隧道开挖流固耦合效应研究177 余弦，qw是单位时间内单位面积特定边界上的过水 量,即流量 盾构施工过程中，流场潜水面随时间而变化，在模 拟计算中,采用VOF*流体体积函数方法追踪流体动 态运动水面。该方法的基本思路是在模型网格区域处 定义一种流体体积函数,并对函数的时空历程进行追 踪模拟,从而精确地再现出水面随时间的演化规律,其 运动界面的数学模型如下19-21 f | d exf eyf e2f 03 t Xy 1 hw [, y, z, t 0 f [,y,S,t 0 1 hFX,y,z, o 0 4 0 hw[, y,z, o 7 U TH- LLU 中 丿 L I o f river middle sec tio n in c o nstruc tio n o f pilo t c ro ssinga Settlement c urve b丙 河中心 距离河中心的距离/m c 河床断面反拱位移曲线 ettlement and anti-arc c urve o f river bed 图16河床中心断面沉降和反拱曲线 Fig . 16 Set Zemen t a n d in ver t c u r ve o f t h e c en t ea a sec t o o n o Nt h eeo eeebed j盾构隧道施工河床中心断面沉降曲线 o f river middle sec tio n in c o nstruc tio n o f bo th c ro ssingb Settlement c urve 图17监测点布置 Fig . 17 Th e d ia g r a m o f mo n it o r in g po in t s t a yo u t 图18各测点监测数据曲线 Fig . 18 Mo n it o r in g d a t a c u r ve o f ea c h mea su r in g po in t 监测点正下方区域后，因开挖邻域浆体未凝固及隧 道周边土层软化的影响,上覆土层开始迅速卸荷而 固结,造成一定的沉降。但随着时间的推移,浆体凝 固,开挖区外围受扰动的土体被逐渐固结压实,其地 表下沉的速度逐渐变慢趋于稳定,最大沉降量同样 发生在监测点6和7处,量值约为16 mm,与图16 a - b模拟结果基本相吻合 图19为河底中心横断面上两隧道开挖通过后的 沉降曲线％从图中可以看出当先行隧道通过断面以 后，上方土体开始卸荷下沉,开挖隧道的正上方河床的 下沉量最大,其量值约为16 mm,从中心向两边的位移 逐渐减小,呈对称分布；当后行隧道通过以后,断面曲 线整体包裹前一曲线,也就是说各个监测点的位移均 有所增加,最大沉降量为18 mm,出现在两隧道开挖土 层正上方％出现该类现象的原因①由于先行隧道开 挖后，土未完全固结,竖直方向依然还在下沉,而后行 隧道的开挖再次产生扰动,加速了土体的固结沉降,所 以位于先行隧道上方的土层整体位移量会再次增加 ②后行隧道一侧土体在后行盾构到达之前已经受到 先行盾构的扰动影响,土体已发生一定程度的固结沉 降,当后行盾构开挖后,这部分土体同样再次发生较大 的沉降 第9期王金安等大直径水下盾构隧道开挖流固耦合效应研究181 T一先行隧道通过后沉降曲线 图19两隧道开挖河底处横向断面监测点沉降曲线 Fig . 19 Set t /men t c u r ve o f mo n it o r in g po in t o f t r a n sver se sec t io n a t t h e bo t t o m o f ex c a vvt ed r iver o f t w o t u n n el s 5结论 * 1隧道掘进过河前,在距离河岸近处,一大部分 土层由于上覆土厚度的改变,会出现较大沉降,易使盾 构管片破坏及河岸上建筑物基础损伤破坏,需采用反 压法以维持隧道上覆土压力的稳定,适当加固周边建 筑物基础以避免建筑物开裂。 *2当隧道通过河流底部时,一方面，由于隧道开 挖使上覆土层发生扰动,致使土体的孔隙率增加,河水 向下渗流,给土体更大的浮力；另一方面,盾构自身刚 性及开挖掌子面的土体过程中对正上方土层产生较大 的顶推力的作用,使得河底发生位移量较小的反拱现 象。因此,在施工中应注意监测,当反拱量较大时,及 时调整隧道开挖速度,并采取相应河底反压措施,维护 工程稳定性。 *3理论分析和模拟计算表明在考虑水土耦合 效应的情况下,采用双盾构过河并行追赶施工方法时, 先行隧道开挖后,在土层扰动应力未完全稳定的情况 下,后行隧道的开挖会受到一定程度的影响,位移量和 破坏区均显著增加。当两隧道距离很近的时候,破坏 区小于两者的代数和,而位移量增幅较大。 * 4当双隧道通过河底以后,河底的破坏呈现出 很强的规律性从河流断面看,破坏区围绕河床基本呈 弧形分布，中心破坏严重,沉降量较大,两边缘处的破 坏范围和程度较轻,位移量较小；从纵向上看,影响的 范围不大,且基本呈对称分布。 参考文献 1 王梦恕-水下交通隧道的设计与施工J-中国工程科学2009,11 7 4 -10- 2 何川，张建刚，苏宗贤-大断面水下盾构隧道结构力学特性M- 北京科学出版社，2010 1 -3 3 HE C , WANG B. Resea r c h pr o o r ess a n d d evel o pmen t t r en d s o f h ig h w a y t u n n el s in Ch in a J - Jo u r n a l o f Mo d er n Tr a n spo r t a t io n ,2013,21 4 209 -223 4 齐春,何川，封坤-考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性 J-西南交通大学学报,2015 ,50 4 306 -311 5 何川，封坤-大型水下盾构隧道结构研究现状与展望J-西南交 通大学学报,2011,461 1 -10 6 夏炜洋-盾构法隧道施工期流固耦合问题研究D 成都西南交 通大学,2012 7 何川，李理,陈进,等-重庆主城排水工程过长江盾构隧道修建关 键技术研究R-成都西南交通大学,2006. 8 姚华彦,邵迅,张振华,等-基于破坏接近度的地铁隧道流固耦合 稳定性分析J 应用力学学报,2016 ,33 6 1057 - 1063,1123. 9 邓宗伟,伍振志,曹浩,等-基于流固耦合的泥水盾构隧道施工引 发地表变形[J]-中南大学学报自然科学版，2013 , 44 2 785 -791 . 10 邵迅,姚华彦,张振华,等-合肥地铁盾构隧道下穿河道施工数值 模拟分析J 合肥工业大学学报自然科学版,2017,40 1 95 - 100. 11 李地元,李夕兵,张伟,等-基于流固耦合理论的连拱隧道围岩稳 定性分析J 岩石力学与工程学报,2007 ,265 1056 - 1064. 12 ABU - FARSAKH M Y, VOYIUDJIS G 乙 Co mpu t a t io n a l mo d el f o r t h e simu l a t io n o f t h e sh iel d t u n n el in g pr o c ess in c o h esive so il s J- In t er n a t io n a l Jo u r n a l f o r Nu mer ic a l a n d An a l yt ic a l Met h o d s in Geo - mec h a n ic i, 1999 ,23 1 23 - 44 13 纪佑军,刘建军,程林松-考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟 J 岩土力学,2011 ,32 4 1229 - 1233. 14 平扬,白世伟,徐燕萍深基坑工程渗流一应力耦合分析数值模 拟研究[J] 岩土力学,2001 ,221 37 -41 15 李广信高等土力学第二版M-北京清华大学出版社, 2016 ,337 -341. 16 徐芝纶-弹性力学简明教程第四版M-北京高等教育出版 社,2013 159 - 167. 17 张兆顺,崔桂香-流体力学第三版M 北京清华大学出版 社,2015 ,324 1 -10. 18 吴波,高波,索晓明地铁隧道开挖与失水引起地表沉降的数值 分析J 中国铁道科学,2004 ,25 4 59 -63. 19 王韬-流体自由界面追踪方法对比研究[J]-武汉理工大学学报 交通科学与工程版,2012,362 433 -434. 20 刘儒勋,王志峰数值模拟方法和运动界面追踪M 合肥中 国科学技术出版社,2001 11 -16. 21 许巧洋,刘斌,金明，等-地铁隧道穿越江河地质稳定性及渗流特 性数值分析J-中国安全生产科学技术,2007 ,3 1 62 -65. 22 王伟,辛振省,彭加强 土压平衡式盾构下穿河流施工技术研究 J 铁道标准设计,2011 4 92 -94. 编辑郑毅 引用本文王金安,周家兴,李飞， ，等-大直径水下盾构隧道开挖流固耦合效应研究J] 人民长江,2020,51 9 175 - 182- 182人民长江2020 年 Sidy o n fluin - so lid c o upling effec t o f large diameter underwater shield innel exc avatio n WANG Jin a n12 ,ZHOU Jia x in g1 ,LI Fel1 ,XING Zh en x in g1 1. Co llege o Cos a n d Reso u rc c Engineering, Univer sit e o / S c ienc c a n d Tec h n o /o g y Beein g, Beein g 100083 , Ch in a ； 2. Key Labo rat o rp 0/ Minist rp 0/ Ed u c at io n f o r Ef f ic ient Mining a n d S af et y o o Met al 0n es , Univer sit e 0/ S c ienc c a n d Tec h no lo gy Beijing, Beer n g 100083 Abstrac t Th e mec h a n ic a l beh a vio r o t t u n n el sh iel d c r o ssin g r iver s a n d sea s is ver y c o mpl ic a t ed, a n d t h e f l u id - so l id in t er a c - t oon on Ou eo u n d o n g eo c k ma OOo n ea eo o u OOt a g eOd u eo n g t h ec o n Ot eu c t o o n o Ot oa t h e oo c u Oo o eeOea ec h. A om ong a t a Oe ct oo n o o Na n eo n g su bw a ysh o ea d t u n n ea peo eec t, a o a u o d -so a o d c o u p a ong me c h a n oca a a n a a ys os mo d e a w a s es t a b a o sh ed . We u se n u me eo c a a c a a c u a a t oon met h o d a n d t h e 2OF t o t r a c k d yn a mic w a t er su/vcc o t t h e t u id . Th e c a l c u l a Zo n r esu l t s su c h a s d ef o r ma t io n, set t l emen t, seepa g e a eeo n a g eeemen t w o t h t h eo o ea d mo n o t o eo n g d a t a .Th eeeOu a t Oh o w t h a t w h en Oh o ea d c o n Ot eu c t o o n o c eo OOo n g t h eeo eee,a n o n eeet ed a r c h ph en o men o n w il l a ppea r in t h e r iver bed; t h e d a ma g e a l t h e bo t t o m o t t h e r iver sh o w ed a st r o n g r eyu mr it z, n a mel y, t h e d a m a g e zo n e a r o u n d t h e r iver bed ba sic a l l y is a n a r c . Th e su ppo r t d esig n f o r so il a bo ve t h e a r c h w a ist sh o u l d be st r en g t h en ed t o en su r e t h e sa f et y o t t u n n el c o n st r u c t io n Key wo rds sh iel d c o n st r u c t io n ； Vu id - so l id c o u pl in g；2OF - Fl u id Vo l u me Fu n c t io n ； in ver t ed a r c h o t r iver bed Y 上接第50页 Inversio n o ftypic al water quality parameters in Chao hu Lake based o n c o mpo site spec tral indic es ZHOU Zh en g1, GUI Sh en g x l2 ,LI Yu c u l2 ,TAO Ya n qi2 ,P ENG Yl2 1. Ia t厂 Enviro nment Mo nit o ring Cen t厂 o t c Ka n g t e River Ba in , l u h a n 430010 , Ch in a ； 2. Sc h o o l o / Re mo t e S ensing a n d Inf o rmat io n Engineering , l u h a n Universit e, l u h a n 430079 , Ch in a Abstrac t Ch Wr o ph yl l - a c o n c en t r a t io n a n d t r a n spa r en c y,a s w a t er qu a l it y pa r a met er s r el a t ed t o w a t er spec t r a l c h a r a c t er ist ic s, a r e w id el y u sed t o r emo t el y a ssess w a t er qu a Wt y. In t h is r esea r c h, t h e in - sit u w a t er mo n it o r in g d a t a a n d t h e c o r r espo n d in g f o u r GF/ZY sa t el l it e ir n a g es f r o m Ja n u a r y. t o Sept ember 2016 w er e u sed in Ch a o h u La k e, An h u i P r o vin c e- K - mea n s a s w ell a s SVM met h o d s w er e u sed t o g r o u p w a t er spec t r u m in t o t h r ee t ypic a l t ypes Ch ia - d o min a n t, SD - d o min a n t a n d d u a l - d o min a n t w a t er, a n d t h en t h espec t ea 4o n d o c esNDWCa n d NDWS w eeec eea t ed o o eCh a a n d SDest o ma t o o n s.Fo eest o ma t o n g Ch a c o n c en t ea t o o n,ND- WC w a s u sed f o r Ch ia - d o min a n t a n d d u a l - d o min a n t w a t er, RVIg r een w a s u sed f o r SD - d o min a n t w a t er . Th e RMS E w a s 0- 044 3 mg /Z w h ic h w a s mu c h l o w er t h a n t h o se by u sin g t h e t r a d it io n a l spec t r a l in d ex* NDVI, RMS E 0. 053 4 mg /Z a n d t h e ma c h in e l ea r n in g a l g o r it h m* GDBT, RMS E 0.051 5 mg /Z - Fo r est ima t in g t h e t r a n spa r en c y, NDWS w a s u sed f o r SD - d o min a n t a n d d u a l - d o min a n t w a t er, G w a s u sed f o r Ch ia - d o min a n t w a t er . Th e RMS E w a s 0. 0224 m, w h ic h w a s a l so l o w er t h a n t h o se by u sin g t h e t r a d it io n a l spec t r a l in d ex* NDVI, RMS E 0. 030 6 m a n d t h e ma c h in e l ea r n in g a l g o r it h m KNN , RMS E 0. 0272 m- Th epeo po sed met h o d w a sa pp oed on eemo t eysen sed o ma g eso o o o u epeeo o d so o ema ppo n g w a t eequ a o t yo o Ch a o h u La k eo n 2016, a n d t h e r esu l t s sh o w ed t h a t Ch l o r o ph yll - a c o n c en t r a t io n in t h e sec o n d per io d* Apr il a n d Ju n e w a s t h e h ig h est w h ie t h e t r a n spa r en c y w a s t h e l o w est, t h e f ir st per io d* Ma r c h a n d t h e f o u r t h per io d* SepCmber a n d No vember w er e mo d er a t e, w h il e t h e t h ir d per i o d* Au g u st h a d t h e l o w est Ch Wr o ph yll - a c o n c en t r a t io n a n d t h e h ig h est t r a n spa r en c y. In g en er a l, t h e w a t er qu a l it y in t h e ea st er n La k ea eea w a sbeteet h a n t h a t o n t h ew est een La k ea eea . Key wo rds c h Wr o ph yll - a ； t r a n spa r en c y ； w a t er bo d y c Wssif ic a Zo n ； spec t r a l in d ex ； w a t er qu a Ct y pa r a met er ma p；Ca o h u La k e