一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法.pdf

本发明提供了一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，该方法在现场信息的基础上，利用有限元软件建立隧道渗漏的三维流固耦合模型，以具有渗漏面积和渗透系数特性的二节点渗漏单元模拟衬砌局部渗漏。现场排查隧道渗漏情况、确定局部渗漏处实际渗漏面积和实际渗漏速度，并参照有限元模拟确定的渗漏速度与渗透系数相关关系图，确定局部渗漏部位的实际渗透系数。对模型中渗漏单元设置相应的实际渗透系数，进行模拟，确定局部渗漏引起隧道结构附加内力及变形，并确定隧道补强点，采取结构加固保护措施。本发明打破了原有的将隧道衬砌渗透性均匀化、无法确定局部渗漏影响的局面，为采取相应的结构加固保护措施提供依据。

1.一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，其特征在于，所述方法
包括如下步骤：
第一步，对渗漏隧道进行现场勘查，确定隧道沿线的土层划分信息和地下水分布情
况，通过钻孔取土进行室内试验确定土层的物理力学参数；
第二步，获取隧道设计信息，包括：隧道的内、外直径、中心埋置深度及混凝土管
片弹性模量，确定考虑接头强度折减效应的隧道等效弹性模量；
第三步，对区间隧道沿线渗漏的情况进行排查，逐一记录局部渗漏位置，监测隧道
局部渗漏处的实际渗漏速度V_k、实际渗漏面积D；
第四步，利用有限元分析软件建立隧道局部渗漏的三维流固耦合模型，根据现场调
查情况在所述三维流固耦合模型相应的渗漏位置处设置二节点渗漏单元，并模拟隧道开
挖及支护过程；
第五步，对二节点渗漏单元设定实际渗漏面积D，并假设不同等级的局部渗透系数
k_j，激活隧道内侧渗流边界，确定各工况一定时间后隧道渗漏处的局部渗漏速度V；
第六步，以各工况的渗透系数k_j为横轴、渗漏速度V为纵轴建立笛卡尔直角坐标系，
作出渗漏速度V与渗透系数k_j的相关关系图，并根据现场局部渗漏速度V_k确定渗漏部
位的实际渗透系数k；
第七步，对三维流固耦合模型中的二节点渗漏单元设置实际渗漏面积D和实际渗透
系数k，依次进行开挖、支护和渗流固结的模拟，最终确定渗漏引起的结构附加内力及
变形量；
第八步，根据渗漏引起的结构附加内力和变形量，确定隧道结构补强点并采取结构
加固保护措施。
2.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第一步中：
所述的土层划分是指：在隧道沿线每隔一定距离处用孔压式静力触探检测地表以下
50m深度范围土体，确定隧道沿线土体的贯入阻力和孔隙水压与深度的关系曲线；作出
以孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴的关系
图，并在图上划分若干不同土性特征区，将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断
现场土层的类型；将土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定隧道沿线
的土层划分信息；
所述的地下水分布情况是指：通过钻孔探揭露的土体类型判断含水层类型及厚度；
钻井观测不同含水层的稳定水位；对于承压含水层，采取隔水措施将被测含水层和其他
含水层隔离后测其稳定水位；
所述的钻孔取土是指：在隧道沿线每隔一定距离用薄壁取土器获取现场的土样，土
样数至少三个；
所述的室内土工试验是指：密度试验、比重试验、含水率试验、三轴试验、常规单
向压缩试验及室内渗透试验；
所述的物理力学参数是指：土体的重度、孔隙比、弹性模量、泊松比及渗透系数。
3.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第二步中：所述的隧道等效弹性模量，满足以下公式：E’＝ηE_s，其中，E’
是等效弹性模量，η是模量折减系数，取1/5；E_s是混凝土管片的弹性模量。
4.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第三步中：
所述的局部渗漏位置是指：以一侧端头井为原点、以隧道轴线为z方向建立柱坐标
系，确定局部渗漏位置的坐标(r,φ,z)，其中，r取隧道半径；φ为局部渗漏在所处横断
面的方位角，即从横断面中心的竖直方向起，依顺时针方向到局部渗漏位置线之间的夹
角；z为局部渗漏所处横断面中心点与端头井的距离，φ和z通过全站仪测量获得；
所述实际渗漏速度V_k通过以下方式确定：在隧道的局部渗漏处，安放一根中空导
管，该导管的一侧连接渗漏处，另一侧连接带刻度的量筒，并用秒表计时5分钟以上；
所述实际渗漏速度V_k满足公式：其中，Q为量筒读数，t为计时时间；
所述的实际渗漏面积D通过以下方式确定：将带有网格的A3或A4纸贴在隧道局
部渗漏处，单个网格浸湿部分面积大于网格面积的一半以上计入浸湿单元，不足网格面
积的一半则不计入，统计满足条件的浸湿网格总个数；实际渗漏面积D满足以下公式：
D＝S×N，其中，S为单个网格的面积，N为浸湿单元总个数。
5.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第四步中：
所述的三维流固耦合模型是指：该模型的长度取整个区间隧道的长度，宽度取至隧
道埋藏深度的15～20倍，模型底部与隧道中心的距离取为隧道埋藏深度的3倍；对三维
流固耦合模型进行网格划分，并输入相应的土体参数和水位，设定三维流固耦合模型的
初始及边界条件，其中，三维流固耦合模型的边界条件为：底部为固定边界条件，表面
为自由边界条件，四周允许沿重力方向的位移；土体与隧道之间考虑为无相对移动，采
用共节点接触；
所述的二节点渗漏单元是指：具有一定渗透性和刚度的二节点线单元，该二节点线
单元在三维模型中与实体单元共用节点，且每个节点只有两个自由度：轴向位移w和孔
压u；所述的二节点线单元包括以下三个基本参数：渗漏面积D、渗透系数k_j和弹性模
量E，其中，弹性模量E取0.01以忽略其力学影响；
所述的二节点渗漏单元的渗流矩阵C_e满足公式： C e = Dk j l 1 - 1 - 1 1 ; ]]>
其中，D为渗漏面积，k_j为渗透系数，l为二节点渗漏单元长度，该单元长度l由隧
道衬砌的厚度d及衬砌沿厚度方向所被划分的网格数n决定，满足公式：
所述的二节点渗漏单元的总刚度矩阵K满足公式： K = K e 0 0 - θΔtC e ; ]]>
其中，C_e为渗流矩阵；△t为局部渗漏时间段；θ取0.5～1，为积分常数；K_e为单元
刚度矩阵，用弹性模量E、渗漏面积D及单元长度l表示，满足公式： K e = E D l 1 - 1 - 1 1 ; ]]>
所述的模拟隧道开挖及支护过程是指：削弱隧道内侧土体以模拟隧道开挖造成的土
体损失，然后激活隧道衬砌单元实现隧道的支护，最后移除隧道内侧土体单元完成隧道
开挖的模拟；土体损失率通过隧道内侧土体的削弱程度进行调节，控制在1％以内。
6.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第五步中：
所述的不同等级的局部渗透系数k_j是指：以渗漏处所在的土层渗透系数k_s为基准，
设置不同数量级的局部渗透系数k_j，使其与土体的相对渗透比k_j/k_s依次为10⁴、10³、10²、
10、1、10^-1、10^-2、10^-3；
所述的激活隧道内侧渗流边界条件是指：将隧道内表面孔压设为0，使其为自由渗
水边界。
7.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第六步中：所述的实际渗漏系数k通过以下方式确定：在渗漏速度V与渗
漏系数k_j的相关关系图中作出实际渗漏速度V_k对应的水平线，该水平线与相关关系图
相交的点所对应的横坐标即为实际渗漏系数k。
8.根据权利要求1所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，第七步中：所述的结构附加内力是指纵向附加弯矩及剪力，通过如下步骤
获得：
(1)确定渗漏前结构内力：将隧道内表面设置为不透水边界，待开挖及支护施工
步模拟结束后，选取隧道各环环向及纵向接头截面，提取截面上所有节点x、y及z三
个方向的应力，计算渗漏前各个方向的结构内力的大小，并确定各结构内力的合力及方
向；
(2)确定渗漏后结构内力：将隧道内表面设置为自由透水边界，待渗漏模拟结束
后，选取与(1)相同的横向截面，提取该截面所有节点x、y及z三个方向的应力，确
定渗漏后各个方向的内力大小，并确定各结构内力的合力及方向；
(3)渗漏引起结构附加内力通过渗漏后与渗漏前结构内力的差值确定。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保
护方法，其特征在于，第八步中：
所述的隧道结构补强点是指：渗漏引起的最大附加弯矩、附加剪力处，横向及纵向
最大变形处；
所述的结构加固保护措施为注浆法或外粘钢板法。
10.根据权利要求9所述的一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，
其特征在于，所述的注浆法是指：对隧道最大变形处附近的管片注浆孔进行双液注浆补
偿，注浆量视变形量而定；
所述的外粘钢板法是指：对最大附加弯矩处附近的管片，在受拉一侧接缝处采用专
用改性环氧胶粘剂粘贴厚度为4～5mm的薄钢板条，并沿钢板轴线方向设置一定的锚栓；
对最大附加剪力处附近的管片，在受剪接缝处同样进行前述方法外粘钢板条。

一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法

技术领域

本发明涉及一种地下建筑工程技术领域的方法，具体是一种衬砌局部渗漏引起隧道
结构变形的安全保护方法。

背景技术

目前，隧道工程在我国东南沿海地区得到大规模发展，盾构法由于其施工工期短、
自动化程度高、不干扰地面交通、不损伤地下管线等优点在软土地区得到了广泛的应用。
盾构法是利用盾构机进行隧道开挖、衬砌等作业的施工方法，其衬砌是由混凝土管片拼
装并通过螺栓连接而成。为防止地下水渗入隧道，管片之间常采用弹性密封垫止水。然
而，在隧道长期运营条件下，由于螺栓松弛、管片损伤、密封垫老化、隧道结构变形引
起接缝张开等原因，隧道局部渗漏现象时有发生。隧道局部渗漏不仅增加隧道内空气湿
度，造成隧道管片劣化和设备老化，而且使周围土体发生固结沉降，造成隧道结构的长
期变形。Mair,R.J.于2008年在《Géotechnique》(土木工程技术)发表的《Tunnellingand
geotechnics:Newhorizons》(隧道与土工技术：新视野)中指出：“渗漏水促使隧道周围
土体的孔压减小、有效应力增大，进而引起地层固结及隧道自身结构变形。”在运营期
间准确确定渗漏引起的结构附加内力及变形、提出相应的隧道结构加固保护措施，对保
证隧道长期安全使用具有非常重要的意义。

经过对现有技术文献的检索发现，隧道渗漏引起隧道结构变形沉降的分析主要是将
隧道衬砌的渗透性作均匀化处理，即采用等效渗透系数法，假设隧道四周具有相同的渗
透性。如张冬梅等在2013年于《同济大学学报》发表的《软土盾构隧道渗流引起的地
层和隧道沉降》中将盾构隧道的渗流等效处理，在二维平面渗流条件下，计算渗流引起
的地层和隧道沉降；郑永来等在2005年于《岩土工程学报》发表的《软土隧道渗漏对
隧道及地面沉降影响研究》中采用等效渗透系数法，将隧道横断面分为上、下两个部分
并分别采用不同的渗透系数来探究渗漏对隧道及地面沉降的影响。然而，对浅埋隧道，
衬砌环向不同位置的初始孔隙水压力变化明显，局部渗漏后对周围土体的影响差异较
大，简单地对衬砌渗透性作均匀化处理，无法体现局部渗漏对隧道结构内力及变形的影
响。虽然刘印等在2013年于《岩土力学》发表的《盾构隧道局部长期渗水对隧道变形
及地表沉降的影响分析》中考虑了隧道局部渗漏，但其在二维条件下进行隧道局部渗漏
的模拟，不仅夸大了渗漏对隧道横向内力及变形的影响，而且无法判断其对纵向结构的
影响。

尽管三维有限元模型在隧道变形分析中得到广泛应用，但由于隧道局部渗漏面积往
往很小，对渗漏部位进行实体单元网格划分相当困难。因此，当前技术仍缺乏确实可行
的局部渗漏影响确定方法，局部渗漏对隧道结构内力及变形的影响仍不得而知，从导致
隧道结构缺乏有针对性的保护控制措施。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保
护方法，打破了原有的将隧道衬砌渗透性均匀化、无法确定局部渗漏影响的局面，为采
取相应的结构加固保护措施提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：在现场地质调查、隧道设计信息收集的基础上，
利用有限元软件建立隧道渗漏的三维流固耦合模型，以具有渗漏面积和渗透系数特性的
二节点渗漏单元模拟衬砌局部渗漏。现场排查隧道渗漏情况、确定局部渗漏处实际渗漏
面积和实际渗漏速度，并参照有限元模拟确定的渗漏速度与渗透系数相关关系图，确定
局部渗漏部位的实际渗透系数。对模型中渗漏单元设置相应的实际渗透系数，依次进行
开挖、支护和渗流固结的模拟，最终确定局部渗漏引起隧道结构附加内力及变形，并根
据内力或变形最大值确定隧道补强点，采取相应的结构加固保护措施。

具体的，一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法包括以下步骤：

第一步，对渗漏隧道进行现场勘查，确定隧道沿线的土层划分信息和地下水分布情
况，通过钻孔取土进行室内试验确定土层的物理力学参数。

优选地，所述的土层划分是指：在隧道沿线每隔一定距离(比如100m)处用孔压
式静力触探检测地表以下50m深度范围土体，确定隧道沿线土体的贯入阻力和孔隙水压
与深度的关系曲线。作出以孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层
应力之比为纵轴的关系图，并在图上划分若干不同土性特征区，将实测的静力触探曲线
的数据标于该图以判断现场土层的类型。将土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分
布曲线，确定隧道沿线的土层划分信息。

优选地，所述的地下水分布情况是指：通过钻孔探揭露的土体类型判断含水层类型
及厚度。钻井观测不同含水层的稳定水位；对于承压含水层，应采取隔水措施将被测含
水层和其他含水层隔离后测其稳定水位。

优选地，所述的钻孔取土是指：在隧道沿线每隔一定距离(比如100m)用薄壁取
土器获取现场的土样，土样数以三个试件为宜。

优选地，所述的室内土工试验是指：密度试验、比重试验、含水率试验、三轴试验、
常规单向压缩试验及室内渗透试验。

优选地，所述的物理力学参数是指：土体的重度、孔隙比、弹性模量、泊松比及渗
透系数。

第二步，获取隧道的内、外直径、中心埋置深度及混凝土管片弹性模量等隧道设计
信息，确定考虑接头强度折减效应的隧道等效弹性模量。

优选地，所述的隧道等效弹性模量满足以下公式：E’＝ηE_s，其中，E’是等效弹性模
量，η是模量折减系数，一般取1/5；E_s是混凝土管片的弹性模量。

第三步，对区间隧道沿线渗漏的情况进行排查，逐一记录局部渗漏位置，监测隧道
局部渗漏处的实际渗漏速度V_k、实际渗漏面积D。

优选地，所述的局部渗漏位置是指：以一侧端头井为原点、以隧道轴线为z方向建
立柱坐标系，确定局部渗漏位置的坐标(r,φ,z)。其中，r取隧道半径；φ为局部渗漏在
所处横断面的方位角，从横断面中心的竖直方向起，依顺时针方向到局部渗漏位置线之
间的夹角；z为局部渗漏所处横断面中心点与端头井的距离，φ和z可通过全站仪测量
获得。

优选地，所述实际渗漏速度V_k通过以下方式确定：在隧道的局部渗漏处，安放一
根中空导管，该导管的一侧连接渗漏处，另一侧连接带刻度的量筒，并用秒表计时5分
钟以上。所述实际渗漏速度V_k满足公式：其中，Q为量筒读数，t为计时时间。

优选地，所述的实际渗漏面积D通过以下方式确定：将带有网格的A3或A4纸贴
在隧道局部渗漏处，单个网格浸湿部分面积大于网格面积的一半以上计入浸湿单元，不
足网格面积的一半则不计入，统计满足条件的浸湿网格总个数。实际渗漏面积D满足以
下公式：D＝S×N，其中，S为单个网格的面积，N为浸湿单元总个数。网格规格有
0.5cm×0.5cm、1cm×1cm、2cm×2cm、3cm×3cm等不同类型，根据实际局部渗漏水情
况选定。

第四步，利用有限元分析软件建立隧道局部渗漏的三维流固耦合模型，根据现场调
查情况在模型相应的渗漏位置处设置二节点渗漏单元，并模拟隧道开挖及支护过程。

优选地，所述的三维流固耦合模型是指：模型长度取整个区间隧道的长度，宽度取
至隧道埋藏深度的15～20倍，模型底部与隧道中心的距离取为隧道埋藏深度的3倍左右。
对模型进行网格划分，并输入相应的土体参数和水位，设定模型的初始及边界条件。其
中，模型的边界条件为：底部为固定边界条件，表面为自由边界条件，四周允许沿重力
方向的位移。土体与隧道之间考虑为无相对移动，采用共节点接触。

优选地，所述的二节点渗漏单元是指：具有一定渗透性和刚度的二节点线单元，该
二节点线单元在三维模型中与实体单元共用节点，且每个节点只有两个自由度：轴向位
移w和孔压u。所述的二节点线单元包括以下三个基本参数：渗漏面积D、渗透系数k_j
和弹性模量E。其中，弹性模量E一般取0.01以忽略其力学影响。

优选地，所述的二节点渗漏单元的渗流矩阵C_e满足公式： C e = Dk j l 1 - 1 - 1 1 ]]>

其中，D为渗漏面积，k_j为渗透系数，l为二节点渗漏单元长度，该单元长度l由隧
道衬砌的厚度d及衬砌沿厚度方向所被划分的网格数n决定，满足公式：

优选地，所述的二节点渗漏单元的总刚度矩阵K满足公式： K = K e 0 0 - θΔtC e ]]>

其中，C_e为渗流矩阵，△t为局部渗漏时间段，θ可取0.5～1，为积分常数，K_e为单
元刚度矩阵，可用弹性模量E、渗漏面积D及单元长度l表示，满足公式：
K e = E D l 1 - 1 - 1 1 ]]>

优选地，所述的模拟隧道开挖及支护过程是指：削弱隧道内侧土体以模拟隧道开挖
造成的土体损失，然后激活隧道衬砌单元实现隧道的支护，最后移除隧道内侧土体单元
完成隧道开挖的模拟。土体损失率通过隧道内侧土体的削弱程度进行调节，一般控制在
1％以内。

第五步，对二节点渗漏单元设定实际渗漏面积D，并假设不同等级的局部渗透系数
k_j，激活隧道内侧渗流边界，确定各工况180天后隧道渗漏处的局部渗漏速度V。

优选地，所述的不同等级的局部渗透系数k_j是指：以渗漏处所在的土层渗透系数k_s
为基准，设置不同数量级的局部渗透系数k_j，使其与土体的相对渗透比k_j/k_s依次为10⁴、
10³、10²、10、1、10^-1、10^-2、10^-3。

优选地，所述的激活隧道内侧渗流边界条件是指：将隧道内表面孔压设为0，使其
为自由渗水边界。

第六步，以各工况渗透系数k_j为横轴、渗漏速度V为纵轴建立笛卡尔直角坐标系，
作出渗漏速度V与渗透系数k_j的相关关系图，并根据现场局部渗漏速度V_k确定渗漏部
位的实际渗透系数k。

优选地，所述的实际渗漏系数k通过以下方式确定：在渗漏速度V与渗漏系数k_j
的相关关系图中作出实际渗漏速度V_k对应的水平线，该水平线与相关关系图相交的点
所对应的横坐标即为实际渗漏系数k。

第七步，对有限元模型中的二节点渗漏单元设置实际渗漏面积D和实际渗透系数k，
依次进行开挖、支护和渗流固结的模拟，最终确定渗漏引起的结构附加内力及变形量。

优选地，所述的结构附加内力是指纵向附加弯矩及剪力。通过如下步骤获得：

(1)确定渗漏前结构内力。将隧道内表面设置为不透水边界，待开挖及支护施工
步模拟结束后，选取隧道各环环向及纵向接头截面，提取截面上所有节点x、y及z三
个方向的应力，计算渗漏前各个方向的结构内力的大小，并确定各结构内力的合力及方
向。

(2)确定渗漏后结构内力。将隧道内表面设置为自由透水边界，待渗漏模拟结束
后，选取与(1)相同的横向截面，提取该截面所有节点x、y及z三个方向的应力，确
定渗漏后各个方向的内力大小，并确定各结构内力的合力及方向。

(3)渗漏引起结构附加内力通过渗漏后与渗漏前结构内力的差值确定。

第八步，根据渗漏引起的附加内力和变形量，确定隧道结构补强点并采取结构加固
保护措施。

优选地，所述的隧道结构补强点是指：渗漏引起的最大附加弯矩、附加剪力处，横
向及纵向最大变形处。

优选地，所述的结构加固保护措施包括：注浆法、外粘钢板法。

优选地，所述的注浆法是指：对隧道最大变形处附近的管片注浆孔进行双液注浆补
偿，注浆量视变形量而定。

优选地，所述的外粘钢板法是指：对最大附加弯矩处附近的管片，在受拉一侧接缝
处采用专用改性环氧胶粘剂粘贴厚度为4～5mm的薄钢板条，并沿钢板轴线方向设置一
定的锚栓；对最大附加剪力处附近的管片，在受剪接缝处同样进行前述方法外粘钢板条。

与原有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在隧道渗漏模型中局部设置二节点渗漏单元，从而确定局部渗漏引起隧道的
变形及内力，打破了原有的将隧道衬砌渗透性均匀化、无法确定局部渗漏影响的局面，
为采取相应的结构加固保护措施提供依据。本发明方法简单，便于推广，具有很大的应
用价值。本发明适用于盾构隧道变形控制的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特
征、目的和优点将会变得更明显：

图1a为本发明一实施例隧道渗漏水模型示意图；

图1b为图1a所示隧道剖面I-I’详图；

图2a为本发明一实施例渗漏部位采用实体单元划分网格示意图；

图2b为本发明一实施例渗漏部位采用二节点渗漏单元示意图；

图2c为本发明一实施例二节点渗漏单元示意图；

图3为本发明一实施例渗漏速度与渗透系数k_j相关关系；

图4为本发明一实施例渗漏引起的隧道纵向附加弯矩图；

图5为本发明一实施例渗漏引起的隧道纵向附加剪力图；

图6为本发明一实施例渗漏引起的隧道纵向变形图；

图7为本发明一实施例渗漏引起的衬砌横向收敛变形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人
员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技
术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于
本发明的保护范围。

某上海地铁隧道采用盾构法施工，在长期运营过程中发生局部渗漏现象，导致隧道
产生变形。采用本发明所述方法，在隧道渗漏模型中局部设置二节点渗漏单元，从而确
定局部渗漏引起隧道的变形及内力。具体实现步骤如下：

第一步，对渗漏隧道进行现场勘查，确定隧道沿线的土层划分信息和地下水分布情
况，通过钻孔取土进行室内试验确定土层的物理力学参数。

本步骤中：通过孔压式静力触探检测确定隧道沿线的土层自上而下为：第一层
(0～3m)为粉质黏土；第二层(3～8m)为淤泥质粉质黏土；第三层(8～18m)为淤泥
质黏土；第四层(18～40m)为黏土；第五层(40～40m)为粉质黏土。隧道工程位于第
三层淤泥质黏土内。场地地下水分布主要为潜水含水层，其水位为1m。

取土作室内常规试验获得隧道沿线各土层土体的物理力学性质为：第一层粉质黏土
的重度为18.4kN/m³、弹性模量为4.08MPa、泊松比为0.32、孔隙比为0.93、渗透系数
为4.3×10^-8m/s；第二层淤泥质粉质黏土的重度为17.7kN/m³、弹性模量为2.85MPa、泊
松比为0.34、孔隙比为1.08、渗透系数为4.2×10^-9m/s；第三层淤泥质黏土的重度为
16.7kN/m³、弹性模量为1.3MPa、泊松比为0.36、孔隙比为1.43、渗透系数为3.3×10^-9m/s；
第四层黏土的重度为18.1kN/m³、弹性模量为2.29MPa、泊松比为0.33、孔隙比为1.16、
渗透系数为4.8×10^-9m/s；第五层粉质黏土的重度为19.8kN/m³、弹性模量为5.2MPa、泊
松比为0.30、孔隙比为0.87、渗透系数为5.1×10^-9m/s。

第二步，经调查确定隧道的内、外直径分别为5.5m、6.2m，中心埋置深度为13m，
混凝土管片弹性模量为6900MPa。考虑接头强度折减效应，隧道等效弹性模量E’为：
E , = ηE s = 1 5 × 6900 = 1380 M P a . ]]>

第三步，对区间隧道沿线渗漏的情况进行排查。利用全站仪测得隧道内侧一处局部
渗漏位置J3(如图1b中剖I-I’详图所示)的坐标为(2.75,220°15’,600)。

在隧道的局部渗漏J3(如图1b中剖I-I’详图所示)处安放一根中空导管，导管的直
径为3cm，长度为20cm，该导管的一侧连接渗漏处，另一侧连接规格为1000mL的量
筒，计时30分钟，测得渗漏量为457mL，则实际渗漏速度V_k为：
V k = Q t = 457 × 10 - 6 30 × 60 = 2.54 × 10 - 7 m 3 / s . ]]>

将带有网格规格为0.5cm×0.5cm的A4纸贴在隧道局部渗漏处，单个网格浸湿部分
的面积大于网格面积的一半以上计入浸湿单元，不足网格面积的一半则不计入，统计满
足条件的网格总个数为N＝4。实际渗漏水面积D为：D＝S×N＝0.5cm×0.5cm×4＝1cm²。

第四步，利用有限元软件建立隧道局部渗漏的三维流固耦合模型，如图1a所示，
三维流固耦合模型范围取长×宽×高＝1200m×200m×50m，对三维流固耦合模型进行有限
元网格划分。输入相应的土体参数和水位，并设定三维流固耦合模型的初始及边界条件。
其中，三维流固耦合模型的边界条件为：底部为固定边界条件，表面为自由边界条件，
四周允许沿重力方向的位移；土体与隧道之间考虑为无相对移动，采用共节点接触。

根据现场调查情况在模型相应的渗漏位置J3(如图1b中剖I-I’详图所示)处设置二
节点渗漏单元，二节点渗漏单元如图2a-2c所示，其中图2a为渗漏部位采用实体单元划
分网格，图2b为渗漏部位采用二节点渗漏单元，图2c为二节点渗漏单元。

考虑渗漏位置J3处不同渗透系数的计算工况，渗透系数k_j依次取为3.3×10^-5m/s、
3.3×10^-6m/s、3.3×10^-7m/s、3.3×10^-8m/s、3.3×10^-9m/s、3.3×10^-10m/s、3.3×10^-11m/s；
渗漏面积取实际渗漏面积D＝1cm²；二节点渗漏单元长度l＝0.35/2；E取为0.01；θ取
0.5；△t为时间增量，初始值为1000s，随分析步的增加逐倍递增。由上述条件即可得
到渗流矩阵C_e及总刚度矩阵K。

譬如，当△t＝1000s，渗透系数取3.3×10^-5m/s时，渗流矩阵C_e及总刚度矩阵K如
下：

C e = 1 × 10 - 4 × 3.3 × 10 - 5 0.35 / 2 1 - 1 - 1 1 ]]>

K = 0.01 × 1 × 10 - 4 0.35 / 2 1 - 1 - 1 1 0 0 - 0.5 × 10 3 × 1 × 10 - 4 × 3.3 × 10 - 5 0.35 / 2 1 - 1 - 1 1 ]]>

通过以下方式模拟隧道开挖及支护过程：削弱隧道内侧土体以模拟隧道开挖造成的
土体损失，土体损失率控制在0.5％；激活隧道衬砌单元实现隧道的支护，最后移除隧
道内侧土体单元完成隧道开挖的模拟。

第五步，对二节点渗漏单元设定实际渗漏面积D＝1cm²，并以渗漏处所在的土层渗
透系数k_s＝3.3×10^-9m/s为基准，设置不同等级的局部渗透系数k_j，使其与土体的相对渗
透比k_j/k_s依次为10⁴、10³、10²、10、1、10^-1、10^-2、10^-3。将隧道内表面孔压设为0，确
定各工况180天后隧道渗漏处的局部渗漏速度V。

第六步，以各工况渗透系数k_j为横轴、渗漏速度V为纵轴建立笛卡尔直角坐标系，
作出渗漏速度V与渗透系数k_j的相关关系图，如图3所示。根据现场局部渗漏速度
V_k＝2.54×10^-7m³/s作水平线，该水平线与相关关系图交点对应的横坐标即为渗漏部位的
实际渗漏系数，即k＝3.3×10^-5m/s。

第七步，对二节点渗漏单元设置实际渗漏面积D＝1cm²和实际渗透系数
k＝3.3×10^-5m/s，依次进行开挖、支护和渗流固结的模拟，可得J3处渗漏引起隧道纵向附
加弯矩图、纵向附加剪力图、纵向变形图以及J3处渗漏引起的衬砌横向收敛变形图，
依次如图4、图5、图6、图7所示。

第八步，根据J3处渗漏确定的图4、图5、图6、图7，可得到纵向附加弯矩最大
值为A点，纵向附加剪力图上峰值为B点及C点，纵向变形图上最大值为D点，在A
点、B点、C点、D点分别做垂直于横轴的垂直线，与横轴相交的点为该点所处的轴向
距离，即600m、583m、616m、600m。根据所得的轴向距离确定具体管片环数，分别
为400环、388环、411环、400环，采用双液注浆在相应环数的预留注浆孔处进行补偿，
浆液的水灰比为1:1，注浆压力为1Mpa。

本实施例可以准确的确定局部渗漏处对隧道结构变形及内力的影响，相比于将隧道
衬砌的渗透性作均匀化处理显得更科学、更可靠，给实际盾构隧道结构保护带来很大便
利。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特
定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影
响本发明的实质内容。