基于流固耦合城市地下通道滲流規律分析

劉 濤，荊友璋，鄭煥龍

[1.大連市城市管理局，遼寧 大連 116000；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；3.大連理工大學建工學部，遼寧 大連 116024]

0 引 言

隨著國內基建日益增加，如今地面的道橋房屋建設已基本達到飽和[1-2]，尤其是在城市這樣人口聚集、發展迅速的區域，地面可利用的空間更加緊張。為了解決城市發展與城市基礎設施相適應的問題，城市地下空間的利用已經成為必然。在地下工程施工的過程中，地下水的影響成為一個不得不考慮的問題[3]。

國內學者們在地下水對地下工程的影響方面已經有了一些研究結果。雷永生等[4]以西安地鐵建設為例，通過調查分析其漏水位置、特點，得出西安地鐵存在最大的問題是特殊的地質災害——地裂縫。針對地裂縫問題，研發了一種新型獨特的、能夠主動適應地裂縫變形且具有大應變特性的防水體系。郭雁鴻等[5]以富水隧道為依托，研究不同注漿厚度的圍巖與不同的排水量對隧道外水壓力的影響，并提出了注漿厚度不同時，地下水排放的標準和注漿圈厚度的合理取值。

本文依托某城市軌道交通共建管廊工程，通過FALC3D 進行三維數值模擬，研究地下通道限量排水對地下水滲流場的影響[6-7]、地下水滲流場的改變對地下工程的影響、限量排水情況下地下工程結構所受孔隙水壓力的分布規律及其數值的變化情況，最終得到結構所受應力隨孔隙水壓力變化而變化的規律，為實際地下工程施工提供理論依據。

1 工程概況

依托工程沿線通過沖洪積平原、臺地和丘陵地貌，穩定地下水位埋深0.50～29.80 m，抗浮設計水位建議取至地表。 根據波速測試結果，沿線軟土層的剪切波速大于90 m/s，均可不考慮地震過程中震陷的可能性，場地土的類別劃為軟弱土- 巖石，場地類別為Ⅱ類和Ⅲ類。

龍崗段和坪山段場地類別為Ⅱ類和Ⅲ類。對應的地震基本烈度為Ⅶ度。擬結合軌道14 號線同步實施的綜合管廊總長度約31.78 km，其中羅湖區共通道管廊長約為0.54 km、龍崗區共通道管廊長約為17.68 km、坪山區共通道管廊長度約為13.56 km。區域平面圖如圖1 所示。

圖1 研究區域平面圖

2 數值模擬

建模如圖2 所示，模型X 方向長為120 m，Y 方向高度為70 m，Z 方向寬度為24 m，綜合井X 方向寬為20 m，Y 方向深50 m，Z 方向長為24 m。排水系統由排水溝、排水管組成，排水管間隔為4 m，如圖3 所示，模型都使用實體單元模擬，共劃分為173 680 個單元，具有184 051 個節點。邊界條件設置為模型上表面自由透水，左右前后以及下表面設置為不透水，由于FLAC3D 默認模型邊界為不透水邊界，故這五個面可以不用設置滲流邊界條件，默認為不透水邊界條件。模型位移速度邊界條件除了上表面外都設置為固定邊界法向位移速度。圍巖和綜合井均做簡化處理，圍巖采用滲透率較低的黏土，Mohr-Coulomb本構模型，綜合井采用彈性本構模型，圍巖的參數如表1 所示，綜合井的參數如表2 所示。

圖2 計算模型

圖3 排水系統示意圖

表1 黏土計算參數表

表2 綜合井參數表

初始地下水位設置在地表，排水管滲透率設置為5.1×10-6m2/Pa-sec，綜合井設置為不透水，圍巖的滲透率設置為5.1×10-10m2/Pa-sec，排水溝滲透率設置為5.1×10-6m2/Pa-sec，排水溝在Z 為12.0 m和-12.0 m 的邊界設置孔隙水壓為0，這樣能保證流入排水溝的地下水能從排水溝排出，排水系統排水過程如圖4 所示。模型首先進行初始地應力平衡，再進行開挖后的流固耦合計算。

圖4 排水溝X-Z 截面排水過程示意圖

3 計算結果

通過流固耦合計算地下通道排水管全排模式中地下水滲流現象，分析地下通道排水對地下水滲流規律的影響，以及地下水滲流對地下通道結構產生的孔隙水壓力的變化規律，進一步分析孔隙水壓力變化引起的結構受到的最大主壓應力變化規律。

3.1 初始地應力平衡計算

在進行流固耦合計算之前先計算初始地應力，初始地應力平衡后，模型孔隙水壓力分布和最大主壓應力、綜合井結構排水管分布側墻的孔隙水壓力和最大主壓應力如圖5～圖8 所示。

圖5 模型初始地應力平衡孔隙水壓力（單位：P a）

圖6 模型初始地應力平衡最大主壓應力（單位：P a）

圖8 模型初始地應力平衡綜合井側墻最大主壓應力（單位：P a）

圖7 模型初始地應力平衡綜合井側墻孔隙水壓力（單位：P a）

模型孔隙水壓力和主應力的大小均隨著深度的增加而增大，整體模型最大孔隙水壓力在深度為70 m的模型底部，數值為0.7 MPa，最大主壓應力分布在模型底部，數值為1.72 MPa。綜合井最大孔隙水壓力出現在綜合井底部，其數值為0.5 MPa，最大主壓應力出現在綜合井底部，其數值為1.24 MPa。

3.2 流固耦合計算

初始地應力平衡計算完后，將其結果文件導入，開挖綜合井內部的空間，為排水溝賦予孔隙水壓力為0 的邊界條件[8-10]，設置流固耦合計算模式。模型孔隙水壓力分布和最大主壓應力、綜合井側墻孔隙水壓力分布和最大主壓應力分布如圖9～圖12 所示。

圖9 模型孔隙水壓力分布示意圖（單位：P a）

圖10 模型最大主壓應力分布示意圖（單位：P a）

圖12 綜合井側墻最大主壓應力分布示意圖（單位：P a）

流固耦合計算模型孔隙水壓力分布以綜合井為中心呈“漏斗形”分布，該“漏斗”邊界與綜合井左右側墻均相距8 m 左右，最大孔隙水壓力在數值和出現位置上并沒有變化。整體模型最大主壓應力分布與孔隙水壓力的分布相似，在綜合井側墻底部出現最大主壓應力，其數值為2.7 MPa，綜合井側墻孔隙水壓力呈現多個“小漏斗”分布形成一個“大漏斗”形的趨勢。其最大主應力分布同樣呈現以排水管為中心的多個“小漏斗”形分布，最大主壓應力出現在側墻底部，其數值為2.3 MPa。

圖11 綜合井側墻孔隙水壓力分布示意圖（單位：P a）

3.3 計算結果分析

通過四根間隔4 m 的排水管進行排水，與原地下水和應力狀態對比，發現地下水滲流趨勢以排水管為中心多個“小漏斗”形的分布，所有“小漏斗”共同組成一個“大漏斗”形的分布范圍。可見，地下管道的建設對于地下水滲流區域具有一定影響，其影響范圍以地下管道為中心半徑約為18 m 的圓形區域，地下水在這個區域形成“漏斗”，孔隙水壓力最大值可認為保持不變，變化的只是孔隙水壓力的分布。地下水滲流的變化同樣影響著地下通過結構所受到的應力分布。地下水滲流分布的改變，對應著相同位置處的最大主壓應力分布的變化，呈現多個“小漏斗”形成一個“大漏斗”的分布形式，其中最大主壓應力值分布位置由原來的結構側墻底部上移1 m 左右，即出現在排水管的底部區域，其數值由原來的1.24 MPa 增大到2.3 MPa。

4 結 論

（1）地下水滲流規律受地下通道排水的影響，其受影響的范圍大約為以綜合井為中心的18 m 的圓形范圍區域。

（2）地下水滲流規律的變化是以排水管為中心，形成“漏斗”形滲流分布，排水管所形成的“漏斗”形分布共同組成一個大“漏斗”，排水管之間的孔隙水壓力明顯減小。

（3）隨著滲流規律的變化，結構所受孔隙水壓力也隨之變化，孔隙水壓力的變化導致結構所受最大主壓應力跟隨改變，其變化同樣呈現“漏斗”形分布，以排水管為中心，應力值向兩側逐漸增大，多個排水管形成一個大的應力“漏斗”區，存在排水管的區域應力值明顯低于同等高度的其他結構處的應力值。

（4）結構所受的孔隙水壓力變化只跟隨滲流分布范圍變化，其最大孔隙水壓力的位置和大小并未變化，最大主壓應力分布范圍同樣跟隨滲流分布范圍進行變化，但其最大主壓應力所處的位置和數值都發生了變化，最大主壓應力分布范圍由整體模型的底部變化到了綜合井底部的位置，其數值由原來的1.72 MPa 增大到了2.7 MPa。