岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 2744-2756.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1602

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一种新的高渗透性地层中盾构隧道同步注浆浆液损失的多物理场模拟方法

刘映晶1,杨杰2, 3, 4, 5,朱汉华1,尹振宇5   

  1. 1. 中天建设集团有限公司,浙江 杭州 310002;2. 深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 518060;3. 深圳大学 未来地下城市研究院,广东 深圳 518060;4. 深圳大学 深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室,广东 深圳 518060;5. 香港理工大学 土木与环境工程系,香港
  • 收稿日期:2022-10-15 接受日期:2022-12-11 出版日期:2023-09-11 发布日期:2023-09-02
  • 通讯作者: 杨杰,男,1990年生,博士,助理教授,主要从事岩土工程设计与风险分析、土体本构模型及多场耦合分析等方面研究。 E-mail: doc.jie.yang@gmail.com, ce.jie.yang@szu.edu.cn E-mail:386005244@qq.com
  • 作者简介:刘映晶,男,1985年生,博士,高级工程师,主要从事隧道工程设计和施工技术研究等方面研究。
  • 基金资助:
    香港研究资助委员会GRF项目(No.15217220)。

A novel multiphysics modelling approach for grout loss analysis of backfill grouting in highly permeable soils during TBM tunnelling

LIU Ying-jing1, YANG Jie2, 3, 4, 5, ZHU Han-hua1, YIN Zhen-Yu5   

  1. 1. Zhongtian Construction Group Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310002, China; 2. College of Civil and Transportation Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 3. Underground Polis Academy, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 4. Shenzhen Key Laboratory of Green, Efficient and Intelligent Construction of Underground Metro Station, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 5. Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China
  • Received:2022-10-15 Accepted:2022-12-11 Online:2023-09-11 Published:2023-09-02
  • Supported by:
    This research was supported by the Council Project (RGC) of Hong Kong Special Administrative Region Government (HKSARG) of China (15217220).

摘要: 为满足精细化分析的要求,首先建立了一种计算高渗透性饱和地层中盾构隧道同步注浆浆液渗流扩散的多物理场水力耦合模拟方法。该方法以基于连续介质力学的质量平衡方程描述浆液的运移,通过在质量平衡方程中引入了质量交换项来考虑浆液在土体孔隙中的淤堵及其引起的土体渗透特性的变化,并结合混合物系统的动量平衡来考虑多孔介质的水−力耦合过程。随后,通过ABAQUS二次开发,建立了一个新的7自由度平面应变单元,使得该方法可被应用于分析工程尺度的初边界值问题。最后,以一个典型的盾构隧道开挖与注浆过程为例,进行建模分析。结果表明,所提出的多物理场模拟方法可以实现对注浆及注浆后浆液压力、地面沉降以及浆液扩散范围的时空变化预测。研究还发现,当地层渗透系数大于1.0×10−6 m/s时,需考虑浆液在地层中的渗透流失;同时,浆液在土体孔隙中的淤堵会导致土体孔隙度及渗透性的降低,从而减少了浆液的进一步流失,但其对地层变形没有显著影响,因此在工程实际中,可不考虑浆液淤堵以分析浆液最大流失量及地层变形。

关键词: 盾构, 壁后同步注浆, 浆液损失, 有限元方法, 高渗透性地层

Abstract: In order to meet the requirements of refined analysis, a novel hydro-mechanical coupled multi-physical modelling approach is developed to qualitatively evaluate the grout loss in the soils and predict the ground movement induced by tunnelling and backfill grouting. The process of grout transport is described by a group of non-linear transient partial differential equations based on the mechanics of the continuous medium. The blockage of grout in the soil pore space and the resulting changes in the permeability of the soil are considered by introducing the mass exchange term into the mass equilibrium equation. The hydro-mechanical coupling process is further considered by incorporating the momentum balance of the mixture system. Then, through the secondary development of ABAQUS, the governing equations are solved by defining a new plane strain element of 7-degree of freedom, making it possible to analyze engineering-scale initial boundary value problems of grouting. After that, the excavation and grouting process of a typical shield tunnel has been modelled as an example. The results demonstrate that the proposed novel multiphysics modelling approach is able to describe the spatial and temporal changes in grout pressure, ground settlement and the grout penetration range during and after grouting. It is also found that when the permeability coefficient of the soil is greater than 1.0×10−6 m/s, the grout loss due to grout penetration needs to be considered; meanwhile, the grout blockage in the soil pore space will lead to a reduction in soil porosity and permeability, thus further reducing grout loss, but the ground deformation is barely affected. Therefore, in engineering practice, grout blockage may not be considered in order to analyze the maximum grout loss and ground deformation.

Key words: TBM tunnelling, backfill grouting, grout loss, finite element method, highly permeable soil

中图分类号: 

  • O242.2
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