Research on the Mechanical Response Characteristics of Water-Rich Tunnels Based on Nonlinear Fluid-Solid Coupling Theory

Wang Zhenming; Peng Guicai; Jiang Yiqi; Wan Fa; Song Mingzhe; Wang Hong; Jiang Zhongming

doi:null

English Version Journal Login

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Research on the Mechanical Response Characteristics of Water-Rich Tunnels Based on Nonlinear Fluid-Solid Coupling Theory

更新时间：2026-07-13

- Research on the Mechanical Response Characteristics of Water-Rich Tunnels Based on Nonlinear Fluid-Solid Coupling Theory
- PEARL RIVER Pages: 1-10(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳118015
  2.长沙理工大学水利与海洋工程学院，湖南长沙410114
  3.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州510610
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： TV672.1
- Received：28 April 2026，
  
  Revised：2026-06-10，
  
  Accepted：23 June 2026，
  
  Online First：13 July 2026，
- 稿件说明：
移动端阅览
王振明，彭贵才，蒋义奇等.基于非线性流固耦合理论的富水隧洞力学响应特征研究［J］.人民珠江，DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.XXXX.XX.001.

Wang Zhenming,Peng Guicai,Jiang Yiqi,et al.Research on the Mechanical Response Characteristics of Water-Rich Tunnels Based on Nonlinear Fluid-Solid Coupling Theory[J].PEARL RIVER,
王振明，彭贵才，蒋义奇等.基于非线性流固耦合理论的富水隧洞力学响应特征研究［J］.人民珠江，DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.XXXX.XX.001. DOI：

Wang Zhenming,Peng Guicai,Jiang Yiqi,et al.Research on the Mechanical Response Characteristics of Water-Rich Tunnels Based on Nonlinear Fluid-Solid Coupling Theory[J].PEARL RIVER, DOI：10.3969/j.issn.1001-9235...001.

摘要

富水隧洞开挖中围岩力学响应复杂，传统线性流固耦合难以准确模拟隧洞力学响应。文章采用非线性流固耦合理论，以实际工程为例，研究隧洞开挖期、初衬期及运行期围岩渗流场、应力、位移及塑性区的时空演化。结果表明：隧洞开挖期因卸荷排水使得孔压降低，初衬后隧洞孔压回升且底部回升幅度大于顶部；隧洞在进行初衬后底部应力集中，顶部及侧部侧应力趋于稳定；隧洞在内开挖期底部与顶部位移发展迅速，初衬后位移进入稳态状态；开挖完成后，围岩出现局部拉伸破坏塑性区；初衬施工后，由于围岩中的应力重分布，导致塑性区呈现扩大的趋势；应力与渗透系数呈负相关，应力越高的位置，渗透系数越小。研究成果可为同类工程提供参考。

Abstract

During the excavation of water-rich tunnels

the mechanical response of the surrounding rock is significantly influenced by the coupled effect of groundwater seepage and in-situ stress

exhibiting complex spatiotemporal evolution. Conventional linear fluid-solid coupling models

which rely on Darcy's law and assume a constant permeability coefficient

fail to capture nonlinear seepage behavior under high hydraulic gradients or the dynamic stress-dependent regulation of permeability

thus cannot accurately reflect the actual mechanical response. To address this limitation

this study adopts a nonlinear fluid-solid coupling framework that incorporates non-Darcy effects and stress-dependent permeability

and establishes a stress-non-Darcy seepage coupled numerical model. Using FLAC3D and its built-in FISH language

a secondary development is carried out to enable real-time updating of the permeability coefficient based on the local stress state. Taking an actual water-rich tunnel project as a case study

comprehensive numerical simulations are performed to investigate the spatiotemporal evolution of the seepage field

stress

displacement

and plastic zone in the surrounding rock during the excavation

primary lining

and operation stages

with the results compared against those from linear coupling calculations to reveal the underlying mechanisms. Regarding pore water pressure

excavation induces a rapid drop due to unloading and drainage. After the primary lining

pore pressure gradually recovers under external groundwater recharge and eventually stabilizes at a relatively low level

with the recovery amplitude at the tunnel bottom being significantly greater than that at the top. This spatial discrepancy is attributed to higher self-weight stress and stronger seepage accumulation at the bottom

whereas stress release is more complete at the top. In terms of stress response

the surrounding rock remains under compression throughout the construction process. The first principal stress increases rapidly at first and then tends to stabilize; the third principal stress is larger at the bottom and decreases at the top and sides. After primary lining

stress concentration occurs at the bottom

while stresses at the top and sidewalls reach a stable state

indicating the establishment of a new mechanical equilibrium. A negative correlation is observed between stress and the nonlinear permeability coefficient. Regarding displacement

the bottom and top develop rapidly during excavation

while sidewall displacement remains relatively stable; after primary lining

all displacements gradually enter a steady state. As for plastic zone evolution

the plastic zone mainly exhibits historical tensile yield during the excavation period. During the primary lining phase

it expands to a composite state where historical and current tensile yield coexist

indicating progressive deterioration driven by pore pressure recovery and increased seepage force. In summary

the nonlinear fluid-solid coupling significantly alters seepage paths and pressure distribution through the real-time regulation of permeability by stress and flow velocity. Ignoring this effect may lead to underestimation of local pore-pressure peaks and thus compromise the accuracy of stability assessment. This study elucidates the regulatory mechanism of nonlinear fluid–solid coupling on the mechanical response of water-rich tunnels

providing a theoretical basis for seepage control design

support optimization

and long-term stability evaluation of similar projects.

关键词

Keywords

references

闫爱玲 . 基于不同强度准则的高水压隧洞松动圈计算方法［J］. 铁道建筑技术， 2026 （ 5 ）： 128 - 133 .

Yan Ailing . Calculation Method for the Loosening Zone of High-Water-Pressure Tunnel Based on Different Strength Criteria ［J］. Railway Construction Technology ， 2026 （ 5 ）： 128 - 133 . （in Chinese）

吉小明 . 隧道工程中水力耦合问题的探讨［J］. 地下空间与工程学报， 2006 （ 1 ）： 149 - 1 54 .

Ji Xiaoming . Discussion on the Issue of Hydro-Mechanical Coupling in Tunnel Engineering ［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering ， 2006 （ 1 ）： 149 - 154 . （in Chinese）

张海旺，王振明，万发，等 . 富水破碎带浅埋隧洞下穿省道开挖超前支护效果研究［J］. 人民珠江， 2025 ， 46 （ 11 ）： 35 - 43 .

Zhang Haiwang ， Wang Zhenming ， Wan Fa ， et al . Effectiveness of Advanced Support for Shallow-Buried Tunnel Excavation Under-Crossing Provincial Highway in Water-Rich Fractured Zone ［J］. Pearl River ， 2025 ， 46 （ 11 ）： 35 - 43 . （in Chinese）

王福斌，于奎，隋昊良，等 . 考虑流固耦合的浅埋富水软岩隧洞稳定性分析［J］. 福建建材， 2024 （ 5 ）： 58 - 61 .

Wang Fubin ， Yu Kui ， Sui Haoliang ， et al . Stability Analysis of Shallow Buried Water-Rich Soft Rock Tunnel Considering Fluid-Solid Coupling ［J］. Fujian Building Materials ， 2024 （ 5 ）： 58 - 61 . （in Chinese）

韩占波，刘永刚 . 考虑流固耦合效应的富水破碎围岩隧道开挖力学特性研究［J］. 中国铁路， 2024 （ 10 ）： 34 - 42 .

Han Zhanbo ， Liu Yonggang . Research on Mechanical Characteristics of Tunnel Excavation in Water-rich Broken Surrounding Rock Considering Fluid-solid Coupling Effect ［J］. China Railway ， 2024 （ 10 ）： 34 - 42 . （in Chinese）

屈克军 . 考虑流固耦合效应的浅埋矩形顶管隧道开挖稳定性分析［J］. 科学技术与工程， 2022 ， 22 （ 5 ）： 2055 - 2062 .

Qu Kejun . Face Stability Analysis of Shallow Rectangular Pipe Jacking Tunnel Considering Fluid-Solid Coupling Effect ［J］. Science Technology and Engineering ， 2022 ， 22 （ 5 ）： 2055 - 2062 . （in Chinese）

侯宇航，李孟凯，蔡海兵，等 . 基于流固耦合的富水软岩隧道稳定性分析［J］. 低温建筑技术， 2023 ， 45 （ 8 ）： 118 - 122，133 .

Hou Yuhang ， Li Mengkai ， Cai Haibing ， et al . Stability Analysis of Water-Rich Soft Rock Tunnel Based on Fluid-Solid Coupling ［J］. Low Temperature Architecture Technology ， 2023 ， 45 （ 8 ）： 118 - 122， 133 . （in Chinese）

Qian Jiazhong ， Wang Mu ， Zhang Yong ， et al . Experimental study of the transition from non-Darcian to Darcy behavior for flow through a single fracture ［J］. Journal of Hydrodynamics ， Ser. B， 2015 ， 27 （ 5 ）： 679 - 688 .

Nie R S ， Fan X ， Li M ， et al . Modeling transient flow behavior with the high velocity non-Darcy effect in composite naturally fractured-homogeneous gas reservoirs ［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering ， 2021 ， 96 . DOI： 10.1016/j.jngse.2021.104269 http://dx.doi.org/10.1016/j.jngse.2021.104269 .

常宗旭，赵阳升，胡耀青，等 . 三维应力作用下单一裂缝渗流规律的理论与试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2004 （ 4 ）： 620 - 624 .

Chang Zongxu ， Zhao Yangsheng ， Hu Yaoqing ， et al . Theoretical and experimental studies on seepage law of single fracture under 3D stresses ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2004 （ 4 ）： 620 - 624 . （in Chinese）

郑少河，赵阳升，段康廉 . 三维应力作用下天然裂隙渗流规律的实验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 1999 （ 2 ）： 15 - 18 .

Zheng Shaohe ， Zhao Yangsheng ， Duan Kanglian . An Experimental Study on the Permeability Law of Natural Fracture under 3-D Stresses ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 1999 （ 2 ）： 15 - 18 . （in Chinese）

许增光，李煜婷，曹成 . 岩土体介质非达西渗流特性研究进展［J］. 应用力学学报， 2024 ， 41 （ 6 ）： 1211 - 1236 .

Xu Zengguang ， Li Yuting ， Cao Cheng . Research progress on non-Darcy seepage characteristics of soil and rock masses ［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics ， 2024 ， 41 （ 6 ）： 1211 - 1236 . （in Chinese）

张营丰，陈益峰，陈锴锟，等 . 岩体渗流参数统计模型及其应用［J］. 武汉大学学报（工学版）， 2023 ， 56 （ 12 ）： 1513 - 1526 .

Zhang Yingfeng ， Chen Yifeng ， Chen Kaikun ， et al . Development and application of statistical models of seepage parameters in rocks ［J］. Engineering Journal of Wuhan University ， 2023 ， 56 （ 12 ）： 1513 - 1526 . （in Chinese）

陈君，刘明明，李星，等 . 一种基于地质指标的裂隙岩体渗透系数估算模型［J］. 岩土力学， 2016 ， 37 （ 6 ）： 1706 - 1714 .

Chen Jun ， Liu Mingming ， Li Xing ， et al . A geological indexes-based empirical model for estimation of permeability coefficient in fractured rock mass ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2016 ， 37 （ 6 ）： 1706 - 1714 . （in Chinese）

孔祥言编著. 高等渗流力学［M］. 合肥：中国科学技术大学出版社， 2020

Kong Xiangyan ed .）. Advanced Flow Mechanics ［M］. Hefei ： China University of Science and Technology Press ， 2020 . （in Chinese

刘梦悦 . 达西与非达西渗流海底隧道涌水量预测及区隔防排水优化设计［D］. 济南：山东建筑大学， 2024 . doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.113276 http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.113276

LIU Mengyue . Prediction of Water Flow Volume in Darcy and Non-Darcy Seepage Submarine Tunnels and Optimization Design of Zone Separation and Drainage for Water Control ［D］. Jinan ： Shandong Jianzhu University ， 2024 . （in Chinese）

杨逢杰，蒋军，杨健，等 . 基于水荷载增量过程的深埋高外水水工隧洞混凝土衬砌受力特性研究［J］. 昆明理工大学学报（自然科学版）， 2025 ， 50 （ 5 ）： 112 - 121 .

Yang Fengjie ， Jiang Jun ， Yang Jian ， et al . Mechanical Characteristics of Concrete Lining in Deeply Buried Hydraulic Tunnels with High External Water Pressure Based on the Incremental Process of Water Load ［J］. Journal of Kunming University of Science and Technology （Natural Science）， 2025 ， 50 （ 5 ）： 112 - 121 . （in Chinese）

张俊伟 . 基于流固耦合效应隧道下穿施工围护桩变形研究［J］. 江苏建筑职业技术学院学报， 2021 ， 21 （ 1 ）： 15 - 19，23 .

Zhang Junwei . Study on deformation of retaining piles of underground passage caused by tunnel undercrossing construction based on fluid-solid coupling effect ［J］. Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology ， 2021 ， 21 （ 1 ）： 15 - 19，23 . （in Chinese）

赵阳升，段康廉，胡耀青，等 . 块裂介质岩石流体力学研究新进展［J］. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， 1999 （ 5 ）： 459 - 462 .

Zhao Yangsheng ， Duan Kanglian ， Hu Yaoqing ， et al . New Advances of Block-fractured Medium Rock Fluid Mechanics ［J］. Joumal of Liaoning Technical University（Natural Science）， 1999 （ 5 ）： 459 - 462 . （in Chinese）

赵阳升 . 多孔介质多场耦合作用及其工程响应［M］．北京：科学出版社， 2010 .

Zhao Yangsheng . Coupling Effects of Multiple Fields in Porous Media and Their Engineering Responses ［M］. Beijing ： Science Press ， 2010 . （in Chinese）

刘雨萌 . 浅埋富水全风化花岗岩隧道变形机理及控制技术研究［D］. 成都：西南交通大学， 2023 .

Liu Yumeng . Study on deformation mechanism and control technology of shallow-buried tunnel in fully weathered granite stratum ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2023 . （in Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

基于多源信息融合的水工隧洞灾害动态预警模型研究

增殖放流背景下黄尾鲴的人工繁育技术研究

基于HEC-RAS和MIKE 11模型的岗头河水面线计算对比分析

跨城市内河桥梁工程防洪评价分析

湛江市水资源管理现状及对策研究

Related Author

No data

Related Institution

No data

AI问答

⁰