（岩土工程专业论文）海底隧道风化深槽施工效应模拟及应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的迅速发展和综合国力的增强，我国海峡隧道修建发展势 头很快。海底隧道位于水面以下，海水无限补给，断层破碎带若与其上或其附近 的水系相沟通，随时都有可能给工程带来淹没、坍塌、涌水，或形成泥石流的危 险。重则使工程的安全和施工人员的生命毁于一旦，轻则给工程进展造成影响， 因此，海底隧道穿越断层、风化槽等破碎带的施工技术是最关键的。 主要研究内容有：( 1 ) 应用隧道设计、施工相关理论对隧道力学效应进行 分析。( 2 ) 应用f l a c 3 d 有限差分软件，考虑岩体初始地应力、海水压力，对 隧道开挖施工过程进行动态模拟。( 3 ) 分析隧道在不同开挖工法前后围岩应力 分布的变化和位移扰动区的分布。( 4 ) 提出合理通过对风化深槽的施工工艺， 并且优化施工辅助措施。 主要研究结论有：( 1 ) 施工开挖过程对周围围岩的影响范围约为隧道l 倍 洞径( 1 5 m ) 。( 2 ) 隧道开挖步距采用5 8 m ，以短进尺、多循环为施工指导 思想，及时施做二次衬砌，尽早封闭成环。( 3 ) 在全断面帷幕注浆旌工时，需 选择结合实际工程的注浆加固范围，首轮全断面帷幕注浆起点设在风化槽边界前 1 5 m 左右( 约1 倍洞径) ；每循环超前预注浆须设置5 0 c m 厚左右导向墙( 止浆 墙) 。( 4 ) 海底隧道需要设计相关紧急逃生预案，包括逃生路线、紧急措施等。 防水闸门主要设置在可能出现突发涌水的风化深槽及其它不良地质地段开挖前， 应选择在地质条件较好的地段。( 5 ) 以t s p 2 0 3 系统、水平钻孔、地质雷达等 多种综合的地质预报手段，在整个风化深槽施工过程中，进行适时动态的进行超 前地质预报来保证隧道的安全施工。 关键词：海底隧道；风化深槽；全断面帷幕注浆；施工效应： 双侧壁导坑法；f l a c a b s t r a c t a b s t r a c t w 醯妞泖i d d m 岫僦o f n a 幻n 8 l 删a n d 酬p 躺，n l c 螂o f t l i n l 璐眦d 伽h 勰m a d eh u g ep r o g 嘲s 1 k 劬- s t i m n c lc s 仉l c 6 0 nw 诅b ew i d d yb l l i l ti no l | r c o 啪打yi nd 器p i t co f i ts t a r t e dl 如t h e 吼l b s e at l l 皿di su 出l h es e aw m l i n 丘n i t ew a 衄龃d “i s c o m 姐l n i c 砷e d b y w a t 盯s y s t 唧w i md e e p w t h 盯e dr o c k 仃o u g h ，i t i s l i k e l y t o b c f i s k t o t h e 聃j 。c t 枷c o u a p 0 r 叭r g ca ta n y m 锄衄l t h e d i s 柚t 盯w i n i n d u c e 也a t 血ep m j e c t i s l i k e l y t o b e m i n 。d0 r d i 僦n y m 蜘a t h ch l l m 粗b e m g s h f co r i m p a c to n 也ep r d c 嚣so f f h c 喇e c l i t i s 也ed c 忸i n a m 叩p m a c ht ot h r o u g h 也ed e 印w 龆m e r e dr o c k 仃伽g hj nl h ew h 0 1 ep 哂e 吐 1 1 l c m a i np r o g r a mo f s t u d ya j m e da ts c v e r a l 他s p e c t s 鸽f o u o w s t ob e g j n 谢l h ，l h e 锄也o r u s e dl h ed 髂i g na n dc o 璐仕u c 曲nt h e 吖t 0 锄_ a l y z et h cm h a n i c a l 胡k t s 。c o n d l y m ep r o c 铝so f h m n e lc x c a v a 石0 nw 昭d y n 锄i cs i m u l 舢e db yf l a c 3 d 谢m0 r i g i n a ls 仃e s sa n ds e a w a 衙p r e s 伽e 1 1 1 i r m y t h ec t o l | ro fd i s p l a c 印跖t 柚dr o c k8 嘶so fv a r i o 邺献c a v 撕o nm e t h o d sw 船a n a l y z c d b ys i 姒l l 砷e 施湖tf i n a l l y m c 柚t h o rm 曲矗0 n c dl h er 龆s o n a b l e 印p r o a c ht o 也】u 曲l h ed 唧 w 翰m 既c dr o c k 缸岫d q 岖m 嘲t h e t e 吐衄咄o f c o 删；乜u c t i o n m e a g u r e t h e 面n c i p a lc o n c l 璐i o 船i n c l u d e ：( a ) i ti sa p p f o x i m a t e l y1 5m e t 既暑o f i n c i d e i l c e0 nt h er o c k 谢也t h ep r o c 韶so f m n n e lc x c a v 撕o n ( b ) i ti sa d o p t 。db y5 愿m e t e 体血血g “c 删而n g 柚d 陆e l y d o i n gs c c o n d a r yl i n i i l g 勰w e l l 船c l o s i n g 血e 觚l 勰m l l 啦t h 盯ei sd i r 睇吐o nm o u g h t 、v ! h i c hi s m o r ec y c l e0 p 啪d o n 锄d 幽o na d v a er 0 吼dd u r i n gt h ep r o c e 懿o f 懿c a _ v a t i ( c ) t h er e 鸽0 n a b l e g r o u 血gr a n g ew i l lb cp m c 吐c a lc h o s d u r i n gl h e f l l nc s s 商蚀p u r d 血g r o u d n g t h e b e g i 】m i n go f 右r s t 彻o f 触l 椰s - s e 商o np u r d a hg r o 砸n gw i n b ec h 0 8 1 5m e t e 糟f 研w a r d 也e d c c pw 砌即c dm c k 仃o u g h 1 1 1 es t o p 咱r o u t i n gw a l li sa b 即c c t e d b y5 0c e n 6 m e t e r s b e f o r ee a c h c y c l e0 f g m i n g ( d ) i ti sn 嘲s a r yt os c tu p 锄e r g c yr o 咖锄d 锄e r g c ym e 铀u 勰i n 矾i b 榭n l n n d t h e w 锄既】) r o o f l o c k g a t e w 嬲s e t u p i n b a dr o c k 删c h i s l 蛐t oa p p 嘲血cs u r g e i n 也ed 唧伽c dr o c k 缸d u 曲柚d b e t t c rg e o l o g yc o n d i 吐o n b e 姗麟融g t h e t i l n l ( e ) i r i o u st e c h n i q 嘲娜c h 鹊t s p - 2 0 3 ，i n ：丘a r e d 珀yd e t t g e o l o 舀c a lr a d 蝎岫dw a v ed e t e c t o r 砌a d v a n c e 删d r i l _ 崦a n d 鸭mg 删a n d 也a p p u e d t o m e 触删l y g e o l o 百c a lc 咖威t i 鲫i n 的n to f w m d n g 蠡c e 缸di h ei o c 撕o n 柚ds h 印eo f w c a ：kz o n es u c h 鹅 w 曲e r i i l g 恤咄w h i c hc 缸b et h eb 鹤i so fc o 地仇l c d o nd e c i s 加a n dd 锚i 弘叩劬妇i o nt 0 g u 锄t c o n s 由戚o ns a f b 哆 k e y w o r d s ：鳓l b 嘲t 1 1 n e l ；d c 印砌即e dr o c k 廿仉曲；舢c 给s 硎p u r d a hg r 。u 6 n g ； c o n s 仉l c 疽e 施c t ；d o u b l e _ s i d cp 豇o th e a d i n g ；f i a c n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 魏坪名醪魄一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的迅速发展和综合国力的增强，隧道技术在我国已经得到 了突飞猛进的发展，而改革开放以来，我国铁路、公路、水电站等山岭隧道工程 的发展又进入了一个新的时期。到2 0 0 0 年我国已有公路隧道1 6 8 4 座，总长达 2 5 6 5 k m 。除隧道的数量增加外，隧道的长度也有所突破，如长度超过1 2 k m 的长 梁山隧道，西安一安康线上的长1 8 6 k m 的秦岭隧道，正在修建的长达1 8 k m 的 终南山公路隧道j 以及小浪底水电工程中的地下群体的修建。另一方面表现在施 工技术上，在铁路隧道中，已不再单纯地依靠钻爆发修建隧道，也采用非钻爆的 机械开挖法进行隧道的修建“1 。经过长期大量的工程实例，陆地上的地下工程技 术已经具有了相当高的水平，铁、公路隧道总长近3 0 0 0 k m ，居世界之首。在此 同时，水下隧道在近些年以其独特的优势也得到了专家们的青睐“1 。 我国拥有近2 1 0 4 k m 长海岸线，岛屿、海湾星罗棋布。海南岛、台湾岛、 香港、澳门、厦门、青岛、烟台和大连等区域都是人口稠密、经济发达的地区。 今后随着国民经济发展，对跨海峡交通的需求将与日俱增。一。综观国内外形形 色色的海底隧道，从最初设计理念的萌生到如今横跨海底的交通运输实现，海底 隧道给人类带来了巨大的便利和财富。 世界发达国家自2 0 世纪3 0 年代起，就不断修建海底隧道。迄今有海底隧道 的国家主要包括日本、英国、法国、美国、挪威、澳大利亚、丹麦、冰岛等“。 我国海峡隧道修建起步较晚，但发展势头很快。正在修建的我国第1 条海 底隧道厦门东通道工程预计2 0 1 0 年建成。项目全长9k m ，跨海主体工程 长约6k m ，隧道最深在海平面下约7 0m 。第2 条海底隧道膏岛到黄岛计 划将于明年动工，全长5 5k m 。在中俄工程科技研讨会上，钱七虎院士在作“中 国岩石( 地下) 工程的成就、进展和挑战”报告时介绍，最近的2 0 3 0 年内，我 国正考虑建造5 条跨海隧道。 1 2 隧道施工效应研究的发展概况和研究成果 1 2 1 隧道施工效应研究发展概况 在早期关于隧道开挖面围岩动态变化的二维研究较为活跃，多用作用于隧道 壁的内压来模拟开挖面的推进效应。1 9 7 4 年p 粕e t 引入释放系数来模拟开挖引起 的弹性介质围岩的应力变化。p e g g 叫1 9 7 8 ) 则将隧道开挖面附近简化成球形对称 北京工业大学工学硕士学位论文 状，使之与开挖面后方的轴对称假设一致，从而可以考虑相同的岩石动态变化， 尤其是破裂后动态、逐步或脆性破坏、部分或完全破坏及膨胀破坏等。 g l o i n b a r d i ( 1 9 7 8 ) 考虑到未挖区的岩石刚度大于开挖后的岩石刚度，则在开挖面 所在的岩面必然存在着径向剪力，提出了“平板岩核”模型“”“1 。1 9 8 1 年c u n l l a 采用逐步分析法研究了弹性地层中无支护隧道多步掘进时的力学响应。其产生的 几何非线性问题采用g h a b o u s s i 和r a n k c n ( 1 9 7 4 ) 提出的在每一阶段根据不平衡力 加上增量荷载计算出本阶段的位移增量，而对材料非线性问题用叠代法及应力转 移法求解的方法。 杨林德( 1 9 8 5 ) 考虑初始地应力山构造应力和自重应力组成进行了线性与非 线性反分析：王银芝等( 1 9 8 5 ) 基于考虑时间和空间效应影响的基础上对有限元和 边界元法位移反分析进行了系统研究；孙钧( 1 9 9 6 ) 等在考虑荷载和变形不确定性 的情况下对随机反演理论进行了进一步的研究。 孙钧、朱合华( 1 9 9 4 ) 着重对软弱围岩隧洞施工中的力学性态进行了模拟和 分析，除提出了考虑隧洞以“广义虚拟支撑力法”模拟开挖面的空间效应外，还 计入岩体流变时效，进行了弹塑性数值计算，很好地模拟开挖面在水平和垂直两 个方向上空间约束效应的不同，并能较方便地与两维粘塑性介质模型相耦合“2 l 钔 。 朱维申( 1 9 9 5 ) 在总结前人经验的基础上提出了“岩体动态施土力学”。提 出了能量耗散木构模型，采用平而有限元分析从问题的4 个施土顺序方案比选得 到较优的方案，同时他认为，在施工前，对大型复杂的地下工程开挖应进行动态 施工力学的优化分析，寻求几个较优方案，以供决策“o 。 凌荣华等( 1 9 9 6 ) 对于大跨度深埋黄土隧洞的开挖效应进行了研究，将隧洞 开挖效应研究的问题归为在确定埋深、确定支护方式下水平层状各向同性均质体 中马蹄形洞室在不同开挖方式下的弹塑性力学问题。其中土体的屈服准则采用与 该类土体符合较好的库仑一摩尔准则“。 金丰年和钱七虎( 1 9 9 6 ) 应用非线性粘弹性模型，对全断面开挖隧洞的开挖 过程进行了三维有限元计算，讨论了开挖面和开挖速度的影响，发现开挖面的影 响范围约为洞室直径的2 倍；开挖速度的影响，在短时间内比较明显，随着时间 的增长而逐渐减小，并可通过围岩变形的时间效应计算结果进行了解释“”。 刘新宇等( 1 9 9 7 ) 应用莫尔库伦弹塑性模型用 = c r 0 ( 1 一，旯= o 5 + ia m 孤( 2 x ，一o 9 1 ) l 石来考虑开挖面的三维效应对某超 浅埋三连拱廊道的开挖方法进行了二维弹塑性有限元分析，结果表明覆盖厚度与 开挖宽度之比越大越有可能借助锚杆使围岩自稳，否则仅仅借助于锚喷不足以控 制围岩位移、地层沉降、塑性区的扩展，并建议先开挖中间拱“。 李术才等( 1 9 9 7 ) 以破损区而积最小为目标函数，采用动态规划法对小浪底 第l 章绪论 地下洞室群的最优施工顺序进行了优选。并在此基础上考虑了节理裂隙的影响， 对地下厂房洞室的施工顺序进行了优选“”。 曾小清和孙钧( 1 9 9 8 ) 利用半解析数值法，采用柱坐标系进行半解析位移函 ，口。 数构造：“r ，口，f ) = 玩。( r ，口) i 侈) 竺( f ) 将施工过程分为不同时段的 雕d 月- li l l 。 分时期、分空间区域的模拟，逐次叠加不同时段的力学时效，从而较为全面具体 地反映出工程施工问题的时间效应。 傅鹤林等( 2 0 0 4 ) 按岩体结构观点对隧道围岩进行分类后，将破碎围岩分为： 碎裂介质、块裂介质和板裂介质，同时确定不同类型围岩的力学模型，对这类破 碎围岩中隧道荷载的解析解进行了分析研究乜1 1 。 黄俊和张顶立( 2 0 0 5 ) 对厦门海底隧道风化深槽的3 种工况( 隧道上穿风化 深槽、隧道完全穿越风化深槽、隧道下穿风化深槽) 的施工效应进行了数值模拟 分析，得出在不同工况开挖时隧道拱顶沉降值，并且通过对比分析，提出预加固 注浆的优化范围m 。 晏启祥，何川( 2 0 0 6 ) 采用三维快速有限差分软件，以软岩小净距隧道在不 同施工方式下达到稳定后围岩和复合衬砌的力学效应为对象，分析不同施工方式 下锚杆、喷射混凝土层的受力特点，以及洞周围岩特征点的变形和应力，发现小 净距隧道应慎重选择后继施工隧道的开挖方式，后继施工隧道的开挖方式直接对 先行既有隧道锚杆、喷射混凝土层的应力状态产生很大影响。 赵旭峰等( 2 0 0 7 ) 主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应 进行三维非线性黏弹性数值模拟，计入围岩流变效应，考虑深部软岩隧道时空效 应影响，发现在作业面影响范围内，开挖面空间效应占主导因素，围岩应力随距 作业面距离的加大而逐步释放；在此范围外，软弱岩体流变属性得以充分发挥。 于德海等对地下采场洞室的6 个开挖顺序方案比选出应力分布状态、位移状 态、顶板安全率和采场塑性区大小都对地下工程稳定较为有利的方案，从而保证 了开挖过程的安全性。另一种则是以塑性区、位移等物理量构建目标函数，采用 一定的优化方法自动寻找得到最优开挖顺序。吴波等以累计的地表沉降量最小为 目标函数，建立了隧道洞群开挖顺序优化的动态规划模型，并将其应用于实际工 程。 近年来，各国学者在发展地下结构计算理论的同时，还致力于研究设计地下 结构的正确途径，着手建立适应于不同情况下进行地下结构设计的力学模型。 i 虱际隧道协会( i t a ) 在1 9 7 8 年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和 汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法，经过总结，国际隧道协会认为， 目前采用的地下结构设计方法可以归纳为四种设计模型：经验类比法、收敛约 束模型法、作用一反作用模型、连续介质模型胁”。 北京_ = 业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 经验类比法 对地质条件熟悉、幅员和跨度又都不大的几种常用形式的岩石地下结构，例 如矿山巷道和不受动荷载作用的小跨度衬砌支护等，常可根据经验类比法直接选 定结构的形式及其断面尺寸，并据以绘制结构施工图。 ( 2 ) 收敛约束模型法 以测试为依据的实用方法，包括收敛约束法、现场和实验室的岩土力学试 验、应力( 应变) 量测以及实验室模型试验等。要经济合理地设计支护结构，必须 迸一步研究围岩与支护结构之间的作用机理，收敛一约束模型较好地反映了这一 问题。 隧道开挖时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移称为 收敛，施加支护后支护结构对围岩变形的阻力，称为约束。收敛一约束法又称特 征曲线法或变形法，它是一种以理论为基础，实测为依据，经验为参考的较为完 善的隧道设计方法，适于在设计初期支护时采用。 ( 3 ) 荷载结构法 其设计原理是按地层( 围岩) 分类法或由使用公式确定地层压力，按弹性地 基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计。 在这种模型中视地层压力为作用于地下结构上的荷载( 包括被动的围岩抗 力) ，用以计算衬砌在这种荷载作用下产生的内力和变形的方法，在计算过程中， 首先确定围岩压力，主要是指开挖洞室后由松动岩土的自重所产生的地层压力， 然后确定衬砌结构在地层压力及其它荷载作用下的内力分布，最后根据内力组合 进行衬砌结构的断面检算。属于这种计算方法的有： 弹性连续框架( 含拱形) 法； 假定抗力法； 弹性地基梁法( 含曲梁和圆环) ； 当软弱地层对结构变形的约束能力较差时( 或衬砌与地层间的空隙回填、灌 浆不密实时) ，地下结构内力计算常用弹性连续框架法；反之，可用弹性地基梁 法。荷载结构模型是我国目前广泛采用的一种主要的地下结构设计方法 ( 4 ) 数值解析法 包括解析法和数值法两种主要的方法。解析法又分为封闭解和近似解两种， 目前它已逐渐被数值法所取代。 数值计算方法在隧道工程中的广泛应用，对工程设计和施工起到了很好的指 导作用”1 。它可以弥补实验技术滞后和理论分析的不足。目前常用的数值模拟计 算方法以有限元( f e m ) 、边界元法( b e m ) ，离散元法( d e m ) 乜7 1 等为主。 为了适应隧道设计与施工技术的发展需求，自1 9 世纪开始，国内外学者” ”对隧道围岩稳定进行了大量的理论与试验研究，对围岩介质特性及旋工过程等 第1 苹绪论 因素对洞室围岩稳定性的影响等进行了深入的分析探讨，为隧道工程建设提供了 有效的技术指导。数值计算方法在海底隧道工程中被广泛应用：开挖对隧道围岩 稳定性的影响、隧道最优开挖方案的选择、最优支护参数的确定，隧道支护与衬 砌的设计、旌工过程中爆破的影响以及运营过程中遭遇地震等自然灾害时隧道的 安全性等，一般都可以借助数值方法进行分析。 与地面结构的设计不同，设计地下结构不能完全依赖结构计算。这是因为岩 土介质在漫长的年代中经历过多次地质构造运动，影响其物理力学形态的因素很 多，而这些因素至今还没有完全被人们所认识，使理论计算的结果常与实际情况 有较大的出入，很难用作确切的设计依据。在目前条件下，地下结构的设计很大 程度上依据经验和实测，因而发展更完善的地下结构设计模型将是当务之急。 各种设计模型或方法各有其使用场合，也各有自身的局限性。由于地下结构 的设计受到各种复杂因素的影响，因此经验设计法往往占据一定的位置。即使内 力分析采用了比较严密的理论，其计算结果往往也需要用经验类比来加以判断和 补充。以测试为主的使用设计方法常为现场人员所欢迎，因为它能提供知觉的材 料，以更确切的估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。理论计算法可用于进 行无经验可循的新型工程设计，因而作用一反作用模型和连续介质模型的计算理 论成为一种特定的计算手段愈益为人们所重视。当然，工程技术人员在设计地下 结构时往往要同时进行多种设计方法的比较，以做出较为经济合理的设计。 1 2 2 隧道施工效应基本力学原理 隧道开挖后的隧道周边围岩的应力状态通常称为二次应力状态，即毛洞的应 力状态。支护后的隧道周边的应力状态称为三次应力状态。 i 毛洞的围岩力学形态 ( 1 ) 隧道开挖后的弹性二次应力状态 。 设初始地应力场以旯= 盯。仃，则如图1 1 所示，在围岩中开挖半径为口的 圆形隧道后，隧道周边的应力状态见式( 1 1 ) 、( 1 - 2 ) q 2 0 ( 1 1 ) q = 哆【l + 五一2 c o s 2 p + 4 五c o s 2 妒j ( 1 2 ) 式中：q 径向应力；田切向应力； 随着五的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小。当五= 1 3 时，拱顶 切向拉应力等于0 ；大于1 3 后，整个隧道周边的切向应力皆为压应力。这说明五 在o 1 3 之间时，隧道拱顶( 拱底) 范围是受拉的。 在侧壁范围内，五值变化在o 1 o 之间时，周边切向应力总是压应力，而 北京工业大学工学硕士学位论文 且总比拱顶范围的应力值大。侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁间切破坏 的主要原因之一，而且常常是整个隧道丧失稳定的主要原因。 - + - - - - + 1 - - 一 h - o x 2 o v 一 一 一 。 图1 一l力学模式 f 垃l lm e c h a n i c sm o d c l 由此可见，隧道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视五值其范围大致 在( 5 7 ) 4 左右。五愈大，范围愈大。这说明隧道开挖对围岩的影响( 扰动范 围) 是有限的1 。 ( 2 ) 隧道位移状态 在乎面问题中，隧道周边的位移乜可由式( 1 3 ) 决定 心：半盯。 ( 1 3 ) p 4 2 专y k 1 3 ) 图l - 2 开挖断面收敛图 f 远i _ 2c v e i g c ee g i 玳o f 懿c a v 撕衄s 睇曲n 在不同的五条件下，开挖断面收敛状态示于图1 2 。 隧道位移状态说明，隧道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定 的五值条件下( 旯s o 2 5 ) ，在水平直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在多数 情况下，拱顶位移( 即拱顶下沉) 均大于侧壁( 水平直径处) 位移啪“1 。 1 ( 3 ) 支护后围岩的应力状态 当隧道周边有径向阻力岛时，其应力值和塑性区范围也有所变化，如图1 - 3 所示，塑性区范围可由式( 1 - 4 ) 确定： 例f 坚型竺型严 ( ，4 ) lc c o t 伊+ nj 式中：宇：辈 l s m 口 随着见的增加，塑性区r o 相应减小， 这说明支护阻力越大，塑性区范围越小。 支护阻力见的重要支护作用之一是控制塑 性区的发展，从而改变围岩的应力状态。 1 2 3 新奥法中隧道施工效应力学原 理 在新奥法中，支护结构的设计原理是 围岩体和柔性支护结构共同变形、破坏的 弹、塑性理论。 图1 3 塑性区应力范围 f 谵1 3s n s s 均n g eo f p l a 蛳ca r 龃 当隧道开挖后，将引起一定范围内的围岩应力重分布和局部地层残余应力的 释放。在重分布的应力作用下，一定范围内的围岩产生位移，形成松弛，同时也 恶化了围岩的物理力学性质，隧道围岩将在薄弱处产生局部破坏。局部破坏的扩 大，造成整个隧道的坍塌。 根据弹塑性理论，可以导出塑性区内任一点的应力公式为式( 1 5 ) ： 叫胪酬( 垆o t 伊 州胪酬蔷( 篙卜c o t 矿 以4 塑性区中任一点的径向应力； 一塑性区中任一点的切向应力； b 支护对围岩的支护力； ( 1 5 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 r 一塑性区中任一点到洞室中心的径向距离； 一隧道开挖半径。 由式( 1 5 ) 可以见到塑性区中靠近洞室内边缘的应力，因满足塑性条件而 相对减小，成为应力降低区，而最大的应力集中由洞室周边处转移到围岩内弹性 区和塑性区交界而上。上述塑性条件是指当围岩一概里超过围岩弹性抗压强度 后，岩体产生塑性变形，相应产生能量和应力的释放；在塑性滑移中变形的增加 而应力降低；为了维持力的总平衡，高应力必然向变形较小的围岩深处发展。 给予围岩内缘的支护力b 越小，则围岩体中出现的塑性区越大；若让围岩体 中出现的塑性区( 相应的塑性区半径) 越大，则围岩对支护的变形压力儿( 与支护 力b 相平衡) 越小。这就是新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施土中采取 支护措施时要积极利用的，以便使支护受到尽可能小的变形压力，相应减少支护 工程量和降低工程造价。 洞室所处的原岩一次应力p 0 愈大，则塑性半径r 就愈大。反应围岩强度性 质的两个指标，即粘结力c 和内摩擦角妒值愈小，岩体强度愈低，则塑性区半径 r 就愈大。 1 3 研究目的和意义 与传统隧道相比，海底隧道有着极大的特殊性主要表现在以下几个方面“”。 ( 1 ) 工程的大部分区域是在水下，需采用特殊的技术并进行大量的探测工 作，对探测结果的解释比其它隧道具有更大的不确定性。 ( 2 ) 潜在的涌水是不确定的。峡湾和峡谷极易形成断层，断层、软弱围岩 地段以及部分基石极易受到侵蚀，在这些部位有突水的可能。海底隧道的持续坍 塌或严重迸水是灾难性的，因为整个隧道会很快迸满水。 ( 3 ) 施工的各种风险客观存在。张开性节理是不可忽视的地质问题，它是 突水的危险部位。在山岭隧道，闭合与张开节理的发育虽然对施工可能有影响， 但影响不会太大；而在海底隧道中，这种影响可能是灾难性的。 ( 4 ) 峡湾的最深部分往往是隧道施工中最难的部分，所有涌水都应沿隧道 机械排出。在海底隧道设计与施工中，由于纵坡的限制，隧道施工与运营阶段都 存在排水问题。 ( 5 ) 地下水对结构的耐久性存在较大影响。由于海底隧道地下水较多含有 腐蚀性化学成分，围岩中含有可能与地下水反应的化学矿物质及其组合，其对隧 道结构的影响等需要作更深的技术工作。地下水对隧道施工与运营设施存在影 响，即施工设备、支护材料、衬砌以及技术性装备的影响使其运营成本增加。 第l 章绪论 因此，海底隧道穿越断层破碎带的施工技术是最关键的。 海底隧道位于水面以下，海水无限补给，断层破碎带若与其上或其附近的水 系相沟通，随时都有可能给工程带来淹没、塌通、涌水，或形成泥石流的危险。 重则使工程的安全和旖工人员的生命毁于一旦，轻则给工程进展造成影响，如日 本丹那隧道，在1 9 2 5 午1 2 月施工时遇到高压涌水，并夹带泥石流，花费了四十 二个月之久才突破险关。日本青函隧道发生过四次较大塌方涌水事故，最严重的 一次1 9 7 6 年5 月6 日发生在北海道侧平行导坑内，由凝灰岩断层破碎带内的高 压水引起，涌水量高达7 0 m 3 m i i l ，经修挡水墙、压浆堵水封断水源，而后又开 挖迂回坑道用了5 个月时间才绕过了涌水段。因此，断层破碎带的穿越，是海底 隧道工程施工的关键。 厦门东通道( 翔安海底隧道) 是我国大陆第一条海底隧道，其修建的成败举 世瞩目，有其重要的经济意义和政治意义。根据隧道设计，在穿越海域部分时隧 道穿越f l 、f 2 、f 3 、f 4 这四处风化深槽( 风化囊) 。经研究证实，风化深槽的 组成物质为花岗闪长岩风化形成的，仍保留了花岗闪长岩的结构。此岩土体总体 上属弱微透水层，其中全强风化带岩体透水系数为1 0 4 c i n s 级；弱风化带岩 体渗透系数为1 0 5 c m s 级。在全水头作用下，根据已有的勘察成果资料，运营隧 道及服务隧道通过的全强风化带岩体的渗透稳定。 但从工程施工安全的角度看，在极端地质条件下，存在发生渗透破坏的可能 性，那么穿越风化深槽主要解决两个问题： ( 1 ) 如何加固地层，使其具有足够的承载能力以保持隧道的稳定性； ( 2 ) 如何防止海水通过风化深槽的两个薄弱界面进入隧道。 这需要充分利用调查导坑及地质预报系统进行详细探测，取得有关风化深槽 的力学性质、范围及水文条件等资料，运用辅助施工措施对风化深槽进行加固及 对地下水进行封堵后方能进行开挖，在开挖过程中坚持短进尺、强支护、快封闭、 勤量测的方针，严格控制爆破药量，以减少对围岩的扰动；开挖采用c i 法或 双侧壁导坑法等分步开挖方法进行：同时做好各种应急准备，规避风险“2 1 。 综上所述，本论文以我国大陆首条海底隧道厦门东通道( 翔安海底隧道) 为研究背景，对施工穿越海域风化深槽时的施工方案及施工效应进行分析研究。 为以后相关类似工程提供参考。 1 4 本文的研究内容 本文以厦门东通道( 翔安海底隧道) 为背景，综合考虑各种因素的作用，通 过对国内外已有或正在修建中的海底隧道进行工程类比和调研分析，在结合海底 隧道自身的特点基础上，对海域部分风化深槽的施工方法和工艺作了初步的模 拟，主要内容集中在以下几个方面： ( 1 ) 应用相关理论对隧道力学效应进行分析。 北京= i 二业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 瘦瘸f l a 拶d 有限羞分软磐，考瘩岩俸弱始建应力、海水嚣力，对隧 道开挖施工过程进行动态模拟。 ( 3 ) 分析隧道在不同开挖工法前后围岩应力分布的变化和位移扰动区的分 蠢。 ( 4 ) 用经验评价方法与数值计算对比，提出合理通过对风化深槽的施工工 艺，并且优化施工辅助措麓。 第2 章海底隧道风化深槽施工效应分析的理论与数值方法 第2 章海底隧道风化深槽施工效应分析的理 论与数值方法 2 1 海底风化深槽的特点 通过深水进行海底地质勘测比在地面的地质勘测更困难、造价更高、而且准 确性相对较低，所以遇到未预测到的不良地质情况风险更大。因此，必须对隧道 工作面前方很长范围内进行超前水平钻探m 1 。风化深槽施工的主要困难是突然涌 水，特别是断层破碎带的涌水。为了建成不透水的隧道，并且使衬砌上的静水压 力荷载降低到可以承受的程度，有必要在衬砌周围地层中利用注浆形成一个注浆 密封环，这样，静水压力就会首先作用在注浆环上，避免了直接作用在衬砌上“ 7 】 o 2 1 1 渗透稳定性评价 在渗透压力下，当隧道完全置于全强风化岩体中时，隧道围岩存在发生渗透 破坏的可能性。图2 1 表征了隧道所承受的全水头与渗径之间的关系。隧道围岩 实际水力坡降计算公式式( 2 1 ) 式中： r o隧道等效半径 图2 1 隧道围岩渗透破坏评价模型 f i g2 1h l 丘1 妇d o nd e s t n o ym o d e lw i 血w a l lr o c ko f t i | n n e l & 2 警 协， 北京工业人学工学硕士学位论文 ，安隧道围岩实际水力坡降： 凰+ 巩全水头值： ，克耋，女时不会发生渗透破坏；反之亦反。 2 1 2 水压力值设计和施工理念 对予海底隧道而言，除了承受围岩压力，还会有很高的水压力。有效覆盖层 荷载可以被地层拱现象降低，而静水压力荷载则并不受影响，不能用任何成拱作 用来降低【删。显而易见，海底隧道水压力值的大小是隧道衬砌结构设计的关键， 其不仅与水头有关，还与地下水的处理方式有关( 全封堵方式和排导方式) 。 目前，我国铁路隧道设计规范和公路隧道设计规范在确定衬砌结构外水荷载 时，从对地下水“以排为主”的原则出发，不考虑水压力。但对于具有稳定的高 水头海底隧道如何确定作用在衬砌结构上的水压力，并不是一个简单的问题，通 常是参照水工隧道设计规范和经验，根据开挖后地下水渗入情况，采用折减系数 的方法对地下水位进行相应的折减来计算隧道衬砌的外水压。但是，水工隧洞仅 仅要求围岩的稳定性，并不需要控制地下水的排放量，通常采用隧洞附近的天然 排水( 如溶洞) 或人工排水等措施来减小外水压力，而海底隧道不能自然排水， 显然从设计理念上就不适用于海底隧道。 在国内外的隧道工程中，对地下水的处理方式可以分为两种类型：全封堵方 式和排导方式。通常情况下，当水头小于6 0 1 1 1 时，采用全封堵方式；当水头大 于6 0 m 时，宜采用排导方式，并通过施作注浆圈来达到限量排放的目的。 2 2 隧道开挖施工的力学效应原理 隧道设计施工的基本目的是在各类地质体( 岩体或土体) 中修筑为各种目的 ( 交通、蓄水、引水、防空等) 服务的、长期稳定的洞室结构体系。从结构角度讲， 这个结构体系是由周围地质体和各种支护结构构成的，即洞室结构体系= 周围地 质体+ 支护结构。它的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来 实现的。这个过程大体上可作如下表达“3 开挖 开挖 开挖 凸凸凸 原始围岩形成毛洞卜施工支护体系+ 稳定洞室 与之对应的力学过程为： 开挖 开挖开挖 初始应力状态妙开挖后应力状态妙支护后应力状态 够 最后应力状态 ( 一次应力状态) 斗( 二次应力状态) 1 - ( 三次应力状态) 卜 ( 四次应力状态) 第2 章海底隧道风化深槽施工效应分析的理论与数值方法 因此，隧道的动态施工力学过程就是隧道毛洞( 即无支护隧道) 的形成到其破 坏( 或施作支护体系) 的全部过程，即隧道开挖后的围岩力学动态过程中，各种因 素( 开挖、支护及时间等) 对这个过程的影响。 岩体在初始应力状态( 自重及残余构造应力状态等) 下处于一定的平衡状态。 当洞室开挖之后，由于支护力的作用破坏了原先的初始状态，使洞室周围一定范 围内的原有岩体受到影响。受到影响范围内的那部分岩体即称之为围岩。围岩的 稳定性是指保持洞室结构施土时形成的暴露而形状和尺寸的性质。通常围岩丧失 稳定性主要有三种形式崩落岩石在自重作用下形成冒落；上部岩层重量引 起的应力集中区的岩石破坏；山于岩石塑性变形，岩石裸露表而无明显破坏的 大幅度位移。 由于隧道的横断而尺寸远远小于纵向长度，因此，围岩中应力分布可以视为 平面问题，而且除了在隧道两端围岩有可能同时产生沿隧道纵轴方向的变形外， 其他部分很少产生纵轴方向的变形，所以，隧道围岩的次生应力问题属于平面应 交问题。 一般的海底隧道断面形式可以近似为椭圆形断面来考虑。设椭圆形洞室断面 长半轴为口，短半轴为6 作用在洞室围岩上的原岩垂直应力为p ，原岩水平应力 为4 ，如图2 2 所示。 洞室周边上任一点的切向应力径向应力t 和剪应力值的大小可根据 弹性理论按椭圆孔复变函数解得式( 2 - 2 ) ii4 门二、 o 二- fff ；出型堕等糍鬟辈型l q 5 2 0 j ( 2 2 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 式中：m 为椭圆轴比，埘= 6 危；p 为巷道边计算偏心角。 有理论公式可知，隧道在开挖过程中，应力最大值应该出现在模型端点处， 在实际施工中，表现为拱顶和拱脚处的应力值最大。 2 3 隧道开挖施工的三维效应原理 图2 - 2 为开挖附近洞周位移的一种示意图，由图可见，施工面前方一倍洞径 处底层已存在变形，施工面上的径向位移约达到总位移的1 4 ，因受施工面的约 束，旌工面后方l 4 洞径处的径向位移仅约为总位移的3 4 ，一倍洞径处的径向 位移才开始接近洞周径向位移的最大值“”。 厂 砭r 一 o 5 1 o 【b ) 图2 2 开挖附近洞周位移 f i g2 2d i 印l 锄髓tn c i 蚰o r h o o d 既c a v 撕0 nt u 衄d 五可称为放松率。在远离施工面的前方地层中五= 0 ，远离施工面的后方地层 中旯= 1 ，均表示开挖面的三维效应对这些地区的地层变形没有影响，可假定 为 自o l 的某一个值。随着五值得不断增加，朝向地层的假设径向应力将不断减 少，洞周位移之将不断增加，这与地层的实际变形情况相一致。 由此可见，五值的变化规律，是考虑施工面三维效应时按收敛限制法设计支 护结构的关键。 2 4 锚喷支护的作用原理 锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形 式。工程实践证明锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌优越。由于锚喷结构能及时 支护，有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自 承能力，所以锚喷支护比模注混凝土衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省 第2 章海底隧道风化深槽施工效应分析的理论与数值方法 混凝土、木料、劳动力，加快工程施工进度，工程造价可降低4 0 5 0 ，并有 利于施土机械化和改善劳动条件等。 锚喷支护是一种符合岩体力学原理的积极支护方法，具有良好的物理力学性 能。它能及时支护和加固围岩，与围岩密贴，封闭岩体的张性裂隙和节理，加固 围岩结构而，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌、咬合和自锁作用，从而提高岩体 自身的强度、自承能力和整体性。由于锚喷支护结构柔性好，所以它能同围岩共 同变形，构成一个共同土作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑 制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。 应当指出，到目前为止，锚喷支护仍处在发展和小断完善之中，无论是作用 机理的探讨，还是设计与施土方法的研究，均有待于科学技术作者做出新的成就， 以缩短理论和实践的差距。现就喷层和锚杆的力学作用分述如下： 2 4 1 喷层的力学作用 ( 1 ) 防护加固围岩，提高围岩强度 隧道开挖后，立即喷射混凝土，及时封闭围岩暴露而，由于喷层与岩壁密贴， 故能有效地隔绝水和空气，防止围岩因潮解风化产生剥落或膨胀，避免裂隙中充 填物流失，防止围岩强度降低。此外，高压高速喷射混凝土时，可使一部分混凝 土浆液渗入张开的裂隙或节理中，起胶结和加固作用，提高围岩强度。 ( 2 ) 改善围岩和支护的受力状态 含有速凝剂的混凝土喷射液，可在喷射后2 1 0 n l i n 内凝固，及时向围岩提 供支护抗力朋( 径向力) ，使围岩表层岩体山未支护时的一向受力状态变为三向受 力状态，提高了围岩强度，如图2 - 3 所示。 i ( 磅 图2 3 喷层的力学作用示意图 f i 9 2 3m 优h 越i c sf i l n c d 出e 劬m 叩o f s h o t c r e t c l a y 盱 喷层是一种柔性支架，它允许围岩因寻求新的平衡所产生的有限位移，并可 发挥自身对变形的调节作用，逐渐与围岩变形协调，从而改善围岩的应力状态， 北京工业大学工学硕士学位论文 降低围岩应力，充分发挥围岩的自承能力，如图2 4 所示。 只 品绒 夕岛斗 ，t ： c 、么 f： d l 0 + 。，0 一4 _ 图2 4 柔性支护的各种原理 f 塘2 _ 4v ；耐。岫l d n d so f p r i n c i p l 髓o f n 懿i b m t ys u p p o r t 2 4 2 锚杆的力学作用 锚杆支护对保持隧道围岩的稳定性有重要的作用。从直观上来说，其作用是 保持开挖而和洞壁而的稳定，另外，对危险岩块和层状围岩起到悬吊和加固作用。 从理论上来讲，则是限制围岩过大变形，并形成承载拱圈，使围岩一体化，而处 于更好的三维应力状态。 围岩性质不同，锚杆支护的作用机理也不同。对于中等强度以上的围岩，锚 杆的作用主要是支护“冠石”或险石，以及加固围岩；对软弱围岩，则主要是加 固围岩。加固围岩是指对围岩提供支护，使其抗张拉能力及抗剪切能力满足安全 要求。采取锚杆支护加固围岩的机理，是提供高强围岩，使围岩原有的承载力可 充分发挥作用。 在为用于加固围岩的锚杆支护选择合理设置方向时，首先应考虑的因素是将 其设置在张应变的作用方向。由于洞周围岩经受的张应变一般发生在与隧道表而 垂直的方向上，故锚杆的合理设置方向一般是与隧道表而垂直的方向。然而，由 于锚杆支护需同时对可能出现的围岩的剪切破坏提供高强度抗力点，故必要时应 增设倾斜锚杆，使在所有可能产生滑移的层理而或节理而上都有锚杆穿过。 在对洞周表而施作喷射混凝土的情况下，原则上仅需保证每条裂缝及任一可 能的破坏而都至少有一根锚杆穿过。目前在工程设计中，常将锚杆间距取为锚杆 长度的一半，看来己有足够的安全度。由简单