基于礦山工程方法的海底隧道變形分析與控制研究.pdf

1、全世界已經(jīng)建成和正在建設(shè)的海底隧道有100多座，主要分布在挪威、日本、美國、西歐和中國香港等國家和地區(qū)。中國的海岸線較長，島嶼、海灣星羅棋布，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對跨海交通的需求將與日俱增。由于海底隧道不受臺風、暴雨、濃霧等惡劣天氣的影響可全天候使用，保護海洋生態(tài)環(huán)境，有利于防御戰(zhàn)爭，因此成為跨海交通的首選方式。正在建設(shè)的廈門翔安海底隧道是中國大陸第一座超大斷面鉆爆法施工的城市公路海底隧道。結(jié)合廈門翔安海底隧道施工過程和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，開

2、展隧道變形分析和控制研究，具有重要的理論和實踐意義。
　　廈門翔安海底隧道工程全長8.695km，其中海底隧道段長約5.95km，設(shè)雙向六車道，采用三孔隧道形式穿越海域。具有地質(zhì)條件復(fù)雜、距離長、斷面大、埋深淺等特點。隧道穿越陸域段全強風化花崗巖地層、翔安端淺灘段富水砂層和海域段風化槽/囊。本文通過現(xiàn)場試驗、監(jiān)控量測、數(shù)值計算和理論分析等手段，分別對明洞不均勻沉降、富水砂層施工技術(shù)、海底隧道合理埋置深度、陸域淺灘段軟弱圍巖異常變形

3、及地層沉降規(guī)律進行研究。取得了如下創(chuàng)造性成果：
　?。?）明洞基底抗力系數(shù)的差異是引起明洞不均勻沉降的主要原國，進而引起明洞結(jié)構(gòu)的開裂。根據(jù)明洞結(jié)構(gòu)計算變形與實測變形比較，提出通過數(shù)值方法反演明洞結(jié)構(gòu)基底抗力系數(shù)的方法。采用反演得出的基底抗力系數(shù)對回填土后的明洞結(jié)構(gòu)受力進行計算，研究表明：主隧道明洞結(jié)構(gòu)在回填土后整體變形和差異變形都將進一步增加，整體變形達到64~147mm，和現(xiàn)況實測變形比增加值為48~93mm，加載后軸線70m

4、內(nèi)最大差異沉降達到83mm。主洞在回填土后結(jié)構(gòu)拱頂受彎壓破壞的安全系數(shù)為1.975，考慮到計算誤差和模型偏于保守，認為回填土后主洞結(jié)構(gòu)是安全的。
　?。?）隧道穿越淺灘砂層段，易發(fā)生突水、流砂等事故。通過CRD工法和雙側(cè)壁法數(shù)值模擬對比分析，圍巖監(jiān)控量測分析，和注漿試驗研究，創(chuàng)造性地提出穿越砂層綜合配套施工技術(shù)：在地表采取防滲地下連續(xù)墻封閉成倉，降水井疏干砂層含水，將水位降低到砂層底標高以下，使隧道開挖處于少水或無水狀態(tài)下進行；在

5、洞內(nèi)采用超前小導管預(yù)注漿對砂層進行固結(jié)處理；采用CRD法開挖。實踐證明，上述施工方案是可行的。
　?。?）最小巖石覆蓋厚度是海底隧道縱斷面線路設(shè)計的主要參數(shù)之一，影響海底隧道造價和安全。研究影響海底隧道合理埋置深度的各種因素及其相互關(guān)系，建立了通過工程類比和數(shù)值計算確定最小巖石覆蓋厚度的方法，并驗證了廈門海底隧道設(shè)計埋置深度的合理性。
　　（4）研究在海水作用下，隧道圍巖滲流-應(yīng)力相互作用，建立了海底隧道流固耦合本構(gòu)方程。研

6、究海底隧道開挖卸荷作用下巖體的損傷和塑性變形的耦合效應(yīng)，建立多裂隙巖體三維彈塑性損傷本構(gòu)方程。對廈門海底隧道圍巖進行流固耦合和斷裂損傷分析，計算表明隧道開挖后洞周應(yīng)力量值較小，也不會產(chǎn)生較大位移和塑性區(qū)，可以認為將隧道軸線提高4 m后，隧道是穩(wěn)定的。
　?。?）廈門翔安海底隧道陸域和淺灘段施工期間部分隧道斷面出現(xiàn)了異常變形，部分地點還出現(xiàn)了噴射混凝土開裂，臨時支護變形嚴重等情況。分析了部分隧道斷面出現(xiàn)異常變形的原因，建立了CRD1

7、→CRD3→CRD2→CRD4開挖步續(xù)，井點降水，仰拱注漿，鎖腳錨桿的組合控制措施，取得了很好的效果。
　?。?）海底隧道施工必然引起海床面的沉降和變形，嚴重時會造成海床的開裂進而誘發(fā)突水，因此控制海床面的沉降是隧道安全施工的重要措施。海底隧道海域段地層沉降不易監(jiān)測。通過對軟弱地層隧道圍巖變形與地層沉降變形規(guī)律的研究，驗證了地層沉降具有明顯的分層傳遞性和發(fā)展的時間階段性特點，建立通過隧道圍巖變形反演地層沉降的方法。在海域段施工，依