随着我国城市用地面积日渐紧张,地上交通建设日趋饱和,为缓解交通压力地下交通建设成为了解决上述问题的最佳选择。盾构隧道工程在地下交通建设领域占有重要席位,而盾构隧道建设过程中不可避免会穿越江河湖海或富水地层,从而就产生了盾构隧道流固耦合问题。盾构隧道施工期由于卸荷作用破坏了地层应力场与渗流场的原有平衡状态,为实现新的平衡,从而产生了盾构隧道施工期流固耦合问题;盾构隧道运营期围岩渗流场变化产生渗透体积力导致围岩土体发生变形,从而引起地层沉降造成运营隧道安全隐患,由此产生盾构隧道运营期流固耦合问题。本文以山东省重点研发计划项目(2018GSF120010)“基于水土耦合的多变复合地层盾构隧道纵向变形特性及设计模式研究”为依托,通过数值模拟手段,建立盾构隧道施工期水土耦合三维数值模型,进行了粉质黏土和砂卵石复合地层盾构隧道施工期流固耦合研究;运用数值模拟和模型试验手段,进行了局部渗漏条件下和地面入渗条件下复合地层盾构隧道运营期流固耦合研究。本文主要开展了以下工作:(1)探究了不同岩土体具有不同流固耦合特性的原因,不同岩土体具有不同的渗透特性,对渗流具有不同的力学响应。探究了盾构隧道施工期围岩渗透水压力与围岩应力计算过程及盾构隧道施工期流固耦合计算模型和盾构隧道运营期渗漏水成因及其引起的运营期流固耦合产生的地层位移解析过程。(2)利用Midas GTS NX有限元分析软件,建立复合地层盾构隧道施工期流固耦合三维数值模型,研究了复合地层盾构隧道施工过程中的围岩及衬砌位移场、应力场及渗流场的变化规律。研究可得:(1)可知在砂卵石侧的每一施工步造成的当前断面的水头损失比粉质黏土侧造成的水头损失多约14%。(2)造成较大围岩变形的施工步在两侧土层处均表现为施工至监测断面附近及土层分界线附近时,且相比较于水平位移,隧道开挖及渗流对围岩竖向位移影响较为明显。(3)施工期流固耦合条件下在土层分界线处的围岩土压力值及管片结构剪应力值较大,故隧道结构在土层分界处位于最不利位置。(3)通过数值模拟和模型试验手段,研究了局部渗漏条件下和地面入渗条件下复合地层盾构隧道运营期的管片结构位移及变形特性和管片周围水土压力变化特征。研究可得:(1)随着渗漏部位的下移,在粉质黏土侧与砂卵石侧均表现为渗漏对孔隙水压力值和各部位竖向位移值的影响逐渐变大。(2)在粉质黏土侧与砂卵石侧局部渗漏条件下,均表现为局部渗漏对管片结构的竖向位移影响大于对水平位移的影响。(3)地面入渗条件下,砂卵石侧隧道沉降趋于稳定的时间短于粉质黏土侧,隧道沉降达到稳定的时间与土层的渗透系数成反比。(4)地面入渗条件下,模型管片结构表现为拱顶及拱底受压,拱腰受拉,运营期模型隧道管片横截面由圆形截面变形为长轴为横向的椭圆形截面。(5)地面入渗条件下,运营期模型隧道周围孔隙水压力产生变化的时间早于土压力,砂卵石侧的水土压力产生变化的时间均早于粉质黏土侧,且砂卵石侧水土压力趋于稳定的时间短于粉质黏土侧。