（岩土工程专业论文）裂隙岩体海底隧道最小岩石覆盖厚度研究.pdf

旦堑壁查兰堡竖塑垒茎 摘要 海底醚道最小岩石覆盖厚度的设计除需要保证隧道施工期和运营期的安全外，还凄 兼顾隧道的经济性，使得工程既安全又经济。合理确定隧道顶板厚度是项重要的研究 课题。时现场大量观测和地质统计资料显示，曹体中往往分布着不同尺寸的节矬或缺 陷，地f ；工程围岩所表现出的变形和破坏特征与岩体巾节婵和裂隙的断裂、损伤密切相 笼。幽此岩体巾的节理、裂隙和岩体渗流对海底隧道的稳定性以及隧道项板厚度的确定 有很大影响，本文以宁波象山港海底隧道为研究背景，对以上问题进行了初步研究。 根据国内外已建成的海底隧道资料，采用工程类比方法初步确定象山港海底隧道的 最小岩石覆盖厚度。通过对宁渡象山港海底隧道和已建成海底隧道的海水深度、顶板厚 度、岩层性质等相关信息进行归类对比，对该隧道初步设计确定的底扳线位置的合理性 做了分析，并在此基础上给出r 隧道顶板厚度。 根据l ：可阶段的：苛上力学参数和室内试验所得参数，运用断裂、损伤的有关理论， 应用裂隙岩体断裂损伤有限元程序，对象山港海底隧道进行了三维损伤断裂分析。根据 数值模拟结果进一步确定象山港海底隧道的底板线位置和最小岩石覆盖厚度。 考虑岩体渗流对象山港海底隧道围岩稳定性和最小岩石覆盖厚度的影响，应用 f a l c 3 d 中流圃耦台模型进行三维固流藕合分析，考查岩体渗流对海底隧道围岩稳定和 最小岩右覆盖厚度的影响。 最后根据工程类比和数值分析结果，确定象i | j 港海底隧道最小岩石覆盖厚度和隧道 选线位置。 关键词：裂隙岩体，断裂，损伤，流固耦合，海底隧道一l ，程类比，有限元，f a l c 3 d 最小岩石覆盖厚度 l 山东科技凡学砚士学位论文 a b s t r a c t 椎譬 一r h 4d e o r bo f s u b s t , ae u l n p lr o c kc o v e p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ein h ed i e s l q i 】 。，ri 1 】n p at u n n e l 。? h ed e s i g no fs u b s e at u n n e lt ：u s tt a k es a f e t yf a c t o ：a n dc ；d f , o m y f a c t ori n t os o n s i d e r a tjo dd u r in gi t sc o n s t r u c t i o na n du s a g ep e r i o d h o we o d e e r m i n er e a s o n a b es u b s e at u n n e lr o c kc o v e rt h i c k n e s siss c i l la ni n t r a c t a b l p r e s e a r c hs u b j e c t a it h es a m ef i m e ，t h es p o t o b s e r v a t i o n sa n dg e e i o g i c a l s t a f s j ；c a ld a t as h o w t h a tt h e n ea r ed i f e r e n t s iz e d o i n t ea n dd e f l f i e n f 。e 1 1 、 r o c ki - f ? i s s t h e i ri m p a z ra n dd a m a g ea f f e c tt h ed i s t i n c t i o no ft h ed e l o r m i n ga n dt h e p a irb r e a k a g ei nt h ea d j a c e n tr o c ko fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g r h ef r a c t u r 0 5 djs e r io u s t r i ga n dt h es e e p a g e f l f wi nf o c km a s sh a s l a r g e i n f l u e n c eo nt h e sl d b i l l = va n dt h er o c kc o v e nt h i c k n e s so fs u b s e at u n n e l t h ep a p e rs t u d i e dr l l f s e p i o b i e f sm e n t i o n e da b o v eo i lt h eb a s i so fn i n g b ox i a n g s h a ns u b s e at u n n e lp r o j e c t t h 、p r e l i m i n a r yt h i c k n e s so ft h es u b s e at u r m e lr o c kc o v e rw a sd 。e r m l 【1 _ d t h r o u g hu s jn gp r o j e c ta n a i o 雯 m e t h o d c o m p d i s o nw a sd r a w nb e t w e e nn i n g b os a h s e a t u 【】i l pjd n do t h e rs u b s e at _ l l n n e l ga c c o r d i n gt ot h e i ra n a l o g o u sc o n d i t o i l t o t e x m p l et h eo c e a nw a t e rd e p t h t h i c k n e s s 。fe v e r h l r d e n 1a y e r sa r i dpr o p e l t i e s a tk o c k s a n dt h ed e s i g n sf e a s i h i l i t ym a d ei nc o n c e p t u a lp h a s sw d ss t u d i e d 叩h pp r o g r a mo ff i n i t ee l e m e n t sb a s e d 。nt h et h e o r fo i i m p a i r sa n dd a m a g e s s i m u la r e st h en i n q b ox i a n g g h a ns 1 b s e at u n n e lp r o j e c t t h el o c a t i o no fs o l e p l a e 】n ? ! dt h et h i c k n e s st h em i n i m u mr o c kcover&ref u r t h e _ s t u d i o d h r o ! 1 h 1 1 l m e r i r a ls i m u l a ti o n t h em i n i m u mt h i c k n e s so fr o c kc o v e r1 9b r o u g h tf o r h j ”m d jn gt h er e s u l co fn u m e r i c a ls i r o n l a t l o n ， t a k i n gt h es e e p a g e f l o wo fl o c kh l d s s1 n c 。a c c e l n t ，t h ee h i d m e c h u r ：ic 3 1 i ic 、ed - l 0 3 1n o d e lo ff ：，a ( ：j ) jsa p p l f e dt os i m u l a t i n gt h en i n g b ox i a n g s h a nz u b a o 2 l r d e p r o j e c t t h ea f f e c t i o no fth es e e p a g ef l o wo ilih esl a b i l i t y 一 ( j h p r 。k ，、。，e jc k n e s so ft h en i n g b ox ja n g s h a ns t ：b s e at u n n e lp r o e e l1 sf e s e azc ：h e , f i 些蔓壁堡! ! 塑! 兰堕熊塞一 a tl a s t ，c n em l i i m u ml h lc k n e s so fr o c kc o v e ris a s c e ic j l n 。djna h en l j l x 【a n a s h a ns u b s e at u n k e lp r o ：o c ta c c o r d l n gt n er e s u l t so - - p z oj e ( r 。1 j o 叫 r _ j j e ! i ：a ls l m d l a t i o n k e y w o r d ：、j o i n c e dr o c km a s s m 目费 g b o a n d f 1 i 1 一m e t h a n i c a jln ：e ta c t l o j ? r o j e c ta n a l o g y 1i n i ：ee l e m e n t s ，f l a c 3 d ，r o k c o v e r 墨型堇查兰壁主兰堡堡墨一 摘要 a t1d s t c | l er a i n i m l i mt h i c k n e s so f r o c kc o v e ti sa s c e r t a l n e dlt l h ek i n g b o x ia n g s h a ns u b s e at u n n e p r o je c a c c o r d i n gt h er e s u i t so fp r o e c ra n a l o g ya i d r j 讯e r c ais l m u l a l l o t l k e y w o r d ：j o i n t e dr o c km a s s ，i m p a i r ，d a m a g e ，f l u i d m e c h a n i c a li n t e r a c t i o t s 1b s e at u n n e l ，p r o j e c ta n a l o g y ，f i n i t ee l e m e n t s ，f l a c 3 d ，r o c kc o v e t 声明 冬人；交给山东科技大学的这篇硕一7 了：位论文，除，所列参考文献和f 所公认的迎 献外，一夸部是本人n ：导师指导下的研究成果，该沦文资料尚没有呈交于其它f f 何学术f j l 天竹誉定 硕士生签名：砂冈t 1 日 期：c 弘叮f 、v a f f i r m a t i o n 1d e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ea w a r d o fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym y o w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na ta n y o t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e s i g n a t u r e ： 响 d a t e ：。o j i ，y “系 斗技大学硕十学位 芑文 1 绪论 1 1 课题来源 结“j 世界发达困家自上fu - 纪三卜年代起，就开始修建海峡海底隧道。迄今有海峡海底隧 道的国家主要包括l i 夺、英国、法国、美国、挪威、澳大利哑、丹麦、冰岛等。综观斟 内 形形色色的海底隧道，从最初设汁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，同时也孕育r 极大的风险。 著名的日本青函公路隧道全长5 3 8 5 k m ，海底部分长2 3 o k m ，位于火i j i 岩、堆积岩 中，有多处裂缝、断层。该隧道以钻爆法为主开挖持续2 0 年，克服了许多包括四次海水 淹没和强人土压力带柬的斟难，于1 9 8 5 年8 月竣工。隧道 _ - 最小覆盖层厚l o o m ， ( 椿 1 4 0 m ，当时主要是根据海底煤矿的经验，把理想的隧道的深度确定为低于海底1 0 0 m 挪威是世界上采用钻爆法( d r i l la n db l a s t ) 修建海峡海底隧道最多的国家至今已建 成累i f1 0 0 多公罩的海底隧道。挪威的交通( 铁路、公路) 海底隧道大部分位丁比较簪 硬的岩石层内，即占老的火成岩和变质岩，过去4 0 年来，挪威隧道修建承包商已成为硬 青海底隧道工程方面最熟练的承包商，积累了大量的经验。特别是在海底隧道最小岩石 覆盖的问题f ：曾经作了r 专门的研究。， 荚法海峡隧道是另外一类海底隧道修建典型。英法海峡隧道全长5 04 k i n ，海底地段 3 7 o k r a ，水深6 0 m ，最小覆盖4 0 m ，主要采用掘进机法( t b m ) 修建，1 9 9 4 年完1 媳法海峡隧道远从拿破仑时代( 1 8 0 0 年) 就有入开始设想。闪此英法海峡隧道是在准备 l _ f l 最完善，地质调查最详细，地质资料相对最可霏，地质岩石( 白垩纪泥灰岩) 条件 坡优越的情况下，于1 9 8 8 年正式动i ：修建的。 我幽陆地上的地f - l 程在国际上具有很高的水平铁( 公) 路隧道总k 近3 0 0 0 公单， 等髓释之为。茭中大瑶山双线电气化铁路隧道全长1 4 3 k m ，其长度排世界第j - 遁。近蝗 p 柬，跨汀河的水底交通隧道已有很多成功的工程范例。随着国家现代化的发展，彳j 鸟 ，畏拇峡海底隧道正在规化之中，从公，r 发表的资料l 】获知，包括有山东省青岛市的青黄 i - f 恢公路隧道琼州海峡的海底钬路隧道等， 堵绝 我闫埏j 海底隧道东通道l 程已经开l ：，士体隧道 乇约6 0 0 0 米，起点俯于厦1 岛下 边村南侧，庄厦f j 岛 】西援仙f i 路从五通码头以北沿北偏东约3 9 “方_ _ 跨海，罕n l ， 杉尔北角，接大陆岸连接线与福厦l 青速公路连接，建成后，将成为我田第一一条海底公 路隧道。隧道为j 埘孔三年道两线隧道衬砌中线间距约5 0 m 单条隧道毛洞跨径为1 46 7 4 禹99 5 1 1 1 ，拟采用钻爆暗挖法施【：。 拟建的象山港海底隧道穿越象山港海域，是浙江省规划的沿海高速公路宁波段的熏 裴组成部分：它连接海湾两侧，足四大海湾( 杭州、象ij j 、一门、温州) ，八大港【1r 舟 山、j 匕仓、象山、石浦、建跳、海门、大麦岛、温州) 的q j 心交通纽带；是温州、臼州 地区到长江三角洲地区新的最捷通道；它将使象j jj 至宁波的陆路里程缩短6 0 多公罡为 象i j 娶经济腾飞起到极大的推动作用。隧道漫计考虑届华山线位和小蔚庄线位，并根据 两岸接线要求对小蔚庄线忙做东吴方案和云龙方案。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 最小岩石覆盖厚度研究现状分析 根据对国内外海峡海底隧道调研分析，对最小岩石覆盖厚度的研究的认识归纳如f 1 畿小岩石覆盖厚度和选线最大坡度是影响海底隧道造价和安全的两个兑键设”参 数；卡r 据隧道的交通流量以及围家有关规稗，确定最大坡度以后，最小岩石覆盖厚度就 成勾次定海底隧道造价和安全的丰要因素。 2 最小岩石覆盖厚度越小，海底隧道越短，静水压力越低，作用在衬砌上的势能衙 戴电越小、另一方而覆盖层越厚，在海底和隧道之问的渗流通道就越k ，就会降低流 向隧遵的渗水量。必须保征足够的最小岩石覆盖厚度，以便在发生意外的岩石崩落和坍 塌时不致于在隧道单出现危险，同叫避免海水大龟渗漏。 3 断有确定最小岩石覆盖厚度的a 法都是建市在详细的地质阑查资料基硎 的? 然 l m 海腻地质勘察 ：作的开展远比在陆地上的用难大得多地质资料中的误差和不确定困 素安造成许多意外，从这个意义f 讲事先很难确定一个绝对炭全的最小岩石覆盖厚度。 4 同时也应该认识到鹾小岩石覆盖厚度，f 没有技术上的限制，意思是说：4 ；会附 4 同口 也应废认识到最小岩石覆盖厚度并没有技术上的限制，意思是说：不会附 _ 支型! ! 厶! 塑些学! i 鲨塞 i j ：小7 h i 覆盖厚度的问题 护 2 术f l l 擞人较高的费刖， 存技术使海底隧道尢法修建无非是采用较高的扦挖壶 s 逸择最小崭，i 覆盖厚度通常主要采用以下儿种途径和方法： ，j ) f ：稃类比分析 【2 ) 闱岩稳定州：分析( 数值分析) 壤丁以l 南点认汉，疆然口，见，最小崭彳i 厚度越厚，隧道相埘越安全，但会增加隧 道n 0 k 度，从i 1 1 j 增加开挖、运输等费用，但对施1 ：技术的耍求较低；如果最小岩7 i 覆盖 f 孕度较小隧道的长度相对缩短，相应减少部分开挖、运输的费用，但可能由于覆盖 甚j 孕度的不够，开挖过程中出现塌力1 、突水等情况这就需要加强支护，增加支护的费 f f j 同时增j j 事故造成的各项管理费用，由于住施工过程中m 现困难的儿率较大，因此 茔求具箭较先进的施工技术，准备解决施工过程中i f 现的突发性事情。 因此，确定最小岩石覆盖厚度就是综合考虑施j 技术和隧道工程造价，找出最佳的 一而覆盖联厚度；笑于海底隧道最小覆岩厚度厚度。在国外的文字资料中，一般都称为 每底隧道最小岩右覆盖层厚度。 罔i 太j 外选择最小岩石覆盖厚度时，l ：程类比分析主要采用以下种方法： 1 ) 挪威建设海峡海底隧道的经验方法 2 ) i 木最小涵水量预测方法 3 ) 闰内顶水采煤确定合理预留安全煤柱的方法 1 2 2 裂隙岩体研究现状分析 利j h 数值模拟方法进行周岩稳定性分析，由于现场大量观测和地质统 资料、移月； ? 件。 j f t 谴分布着不同尺寸的节理或缺陷，地下f j j 呈围岩所表现出的变形和破坏特征j ；体- t 袖弹和裂隙的断裂、损伤密l 刃相关，在象l i j 隧道 程区域内，工程岩体基本完譬， f t l 仍然，f j 少量较小舰模的断层受断裂构造的影响，岩体中不均匀地分布着小i 司 阳的 0 婵w 此，为侏证工程的安全与稳定在隧道的数值模拟分析中，必颁考虑岩体的断 型损 1 j 持件对f 硝岩j 学特件的影响 i 程岩体中经常含自一螳强度相对较弱的节理、软弱夹杂、原生裂隙或局部滑移带 0 、技t 学颤t 学位i 文结记 辱n ：k 剪应力作用下它们的扩展、相一竹辟 和聚合是材料宏观断裂的微力学过程 由 j 裂纹，l 川分布的复杂性及数学l 的f ：l 难， 般将其简化为_ 维裂纹米研究。b r a c e 和 b o m b o i a k i s 在1 9 6 3 年提mr 二维港移歼裂模攫，陵模型对研究岩石中微裂纹延。p ? 圩裂 饥制砭岩彳i 类材料1 线性，变形是非常适宜的。与滑移开裂模型相比，d y s k i n 提出r 项存 缺陷t r 展模型，认为缺陷的剪切扩展是适宜翼裂纹取向及结构连续连接的过程。w o n g 争研究孔隙岩石失效模型中加载路径和孔隙度的影响。d e y 和w a n g 基于大量的文验 啦察结果，提出了陌种岩白内部微裂纹萌生和扩展机理，认为大多数微裂纹和两类具有 j 、f d 弹性常数矿粒的哂接触或点接触相关，并初步探讨丫围压的影响鼓裂纹间相互影响。 i o m 和n e m a t n a s s e r 及a s h b y 和h a l l a m 等提出的滑动裂纹模型得到了不断发展。r o b e l 和e i n s t e i n ，s h e n 等及w o n g 和c h a u 等通过模型实验较详尽的研究了脆性材料内部两裂 纹的相互作用及聚合形态。李术才等对二维节理岩体在有锚和无锚状态下裂隙扩展模式 和熨通方式进行了实验研究，并建立了较合理的裂隙扩展的力学模型和损伤演化方程。 托分析方法l 不少学者运用损伤力学和断裂力学方法来研究裂隙的演化及对材料或岩体 的弱化，j 建立厂相应的本构关系和损伤演化方程。早期提出岩石类材料损伤力学研究 的足d o u g i l ，其后d r a g o n 和m o r z 利用断裂面的概念对岩石的连续损伤行为进行r 理论 探讨l a b u z 、朱维申等探讨了损伤岩石微裂纹相关的断裂闻题，初步揭示了损伤岩石断 裂能蕈耗澈规律。凌建明对岩石蠕变裂纹起裂与扩展进行r 损伤力学的初步分析。 l c m a i t r e 等学者从岩石材料本身的结构特性出发研究其损伤机理，建立了榻应的模型和 删沦，从而使岩石损伤力学研究进一步丰富和发展；徐靖南、朱维申从功的互等定理 j 笈推导j 多裂隙岩体的奉构关系，并由此建立_ r 多裂隙岩体的损伤演化方程和强度准 则，乍海波研究了动载作用下含裂纹岩石材料断裂破坏机理及本构模型，并用于分析爆 肼t l 施 爆破对围岩以及邻近地物的振动效应。在裂隙扩展和贯通方而，b r a c e 、 b 州n b o j a k j 、a s h b y 、h a l l a m 。h o r i i 、朱维申、黄凯球、周维垣、范景伟，陈p 忠等通过 投1 4 试验和数值计算对二维情况下某些分布的裂纹扩展问题做过较多研究。揭小r 裂纹 彩。甓的一些规律，并应用到t 程实践上。在实验研究方而，杨更社、凌建明、赵永红、 木缵f i 、ev e r h e l s t 、hk a w a k a t a 等对卷石中裂纹扩展和损伤变形破坏机理进行r 研究 修理岩体损伤方面，k y o y a 、k a w a m o t o 及国内的朱维申、周维垣、杨延毅、杨强和李 水0 部进n 过一些研究拜建电r 十h 碰的奉构模型，这此模到在一定程度辽幢r 肖理崭 i ，、p 塑兰夔! ：! ：! ! 堡皇一一，! 丛 f 术的禁此整体特性，f 不能较准确地反应裂隙局部的力学i 亍为。为此，一些学者川摧，7 1 i 删岩体j r a 部j 学行为研究。j o h nk e m e n y 和g wc o o k 使用应力强度子秆i 麻，题能释 设串划掷束分析竹婵裂隙6 | 的破坏，r e y 和e i n s t e i n 通过模型实验祠i 损伤分析得到线性 裂纹扩展机制，avd y s k i n 、rjw e l l 等人采用模型材料研究r 单轴j ，k 缩下：维裂纹移 幔规律发现三维裂纹扩展规律。，二维扩展规律有本质不同，将j 维实验结果i ；t - f l 于 堪问题有很大偏芹。尽管i 维劈裂破坏类似于_ 二维的情况，但裂纹扩展初始阶段在本质 4o 二维情况不i 司。与二维状况相比当单一i 维裂纹不再扩展时，而人量微裂纹的扫1 廷和l 成核仍在继续进行，在局部形成弱化区。这将导致岩石动j 学、类似突变的失效， 童种失效也呵能发生在弱化区内部单个裂纹卜。大量裂纹的相_ 】工作片 导致扩腱裂纹存t l 的分化，如在荷载的某一阶段，主控裂纹变得很大，以至成为宏观的断裂。n l l t ；研 花! 维裂纹的扩展方式以及贯通后的变形及稳定性则是鳃决该问题的关键。 1 2 3 固流耦合研究现状分析 同时，地下i ：程在施t 和运营过程中，往往受地下水的影响。地下水是地卜i 程) f 挖、运营及维护中诱发灾害的乇要原因之一。地下水渗流分析方法的发展基本i 。可以分 ：勺如下儿个阶段： 】2 3l 以1 ：程一试验方法为主要研究丁 段的初始阶段 i8 5 6 年法圈j i ：程师h e n r yd a r c y 结合法国d i j o n 城市的喷泉，通长期试验得出水流 通过均质砂的渗流规律，即达西定律。i 炱定律是对地下水运动规律定量化认识的开始 叫至今已妙j 是研究地下水运动的基础理论。j d u p u i t 则根据d a r c y 定律研究f 地l 、水 维稳定流动和向水井的二维稳定运动规律。e f o r c h h e i m e r 等又研究丁更为复杂的地下 水渗i , i l l u 题，从而奠定了地下水渗流理论的基础。 l2 32 以严格定量的解析数学方法为丰要研究手段的发展阶段 1 9 0 4 年，j b o u s s i n e s q 提 r 地下水非稳定流的偏微分方程式，它j 一般的热传导 ，j 稃- 十分椰似：o e m e i n z e r 则研究r 地下水运动的不稳定性以及承艇含水层的贮水。f 一j ! c v t h c i s 在此辏础l 提出r 地下水运动规律的领域，爿：由此开创 r 现代地下水运动列! 汜的新纪几 i h 斯特罩热夫首次定性地阐述j 液体在可压缩地层中渗流理论的物理翠础，并搦 生、壁塾叁7 兰缈! 生兰堕堕塞 述地j 泣匀作用下地f 水流动的牲本特征 一塑垒 以及岩土介质孔隙度和渗透串的降低、7 f i 骨架局部小町逆的蕈本性质。r j 此基础二，苏联学者逐步建立起完整的弹竹力式渗流岬 沦和弹r ：塑忭方式渗流理论 这阶段的主要特点是出现r 各种严格定量的水动力学方法，从宏观研究入手，j 订 连续介质j 学方法对均质液体的各种渗流i 廿】题进行_ r 大量的理论研究。诸如分离变量法、 霉 分变谯方法、保角映射法、镜像法和b l o t z m a n n 变换等各种解析方法得到j “泛的成罐 嚣从数学角度看，可归结为研究各种各样热传导和位势理沦中的二维边界问题，f i 大多 螅有唯形性和图解性的特征。 12 3 _ 3 专前以数值模拟技术为主要研究手段的深化阶段 从二j 十世纪五i 年代至六十年代前期以电网络模拟为代表的模拟技术逐渐成为研究 地下水渗流的主要手段，六十年代后期以计算机为基础的数值模拟技术又使人们在分析 地下水问题的能力上获得了突破性进展。 数值模拟方法在模拟地_ f 水离散模型、连续忭模型、混合模型以及耦合模型方哑均 具有无可比拟的优越性，同时数值方法在应用过程中也得到了发展，数值解法早期多采 f j 白限芦分法( f d m ) ，1 9 6 5 年，z i e n k i e w i e z 将有限元法( f e m ) 引入地下水渗渔领 域s a n d h u 和w i l s o n ( 1 9 6 9 ) 提出了地- f 水渗流运动方程的广义变分原理，随着数值法 r 泛应用于地下水，形成了有限差分法( f d m ) 、边界单元法( b e m ) 和有限分析法( f a m ， 导多种方法并存的局面。每- 种数值方法在解决地下水问题的过程中被不断地发展和完 薄，如自限单，亡法派生出混合有限元法( h f e m ) 、特征有限元法( c f e m ) 、以及随机 钿限无法( s f e m ) 等，对数值方法的进一步发展起到r 推动作用。 这一阶段的主要特征是力求在定鬓 的渗流规律巾直接反映均质与非均质各向嘲性 j 各向异忭多孔介质复杂渗流过程的本质，或至少i 乜应尽町能近似地反映其本质特征， 发联秘i 进一步完善备种地下水渗流问题的求解的力法。 1 3 本文的研究方法和内容 水文以象i i i 港海底隧道为背景，通过对国内外确定最小岩石覆盖厚度的力、法桶研分 惭t 通过【1 程类比疗法，初步分象i j j 港海底隧道最小岩石覆盖厚度；并应用多裂隙i 维 捌伤断裂模型及其有限元程序分析隧道围岩稳定性，初步确定象山港海底隧道选线位置： 堕 避墼叁兰堡主兰丝堡皇； 并城用f l a c 3 d 有限差分软件，对象山港海底隧道关键到面进行流周耦合f j 算，分析地 p 水渗流对最小岩石覆盖厚度的影响，确定象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度。 、羊斗技大学硕士学位论文 象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度工程类比分胡 2 象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度工程类比分析 拟建的象山港海底隧道穿越象山港海域，是浙江省规划的沿海高速公路宁波段的委 要组成部分：它连接海湾两侧，是四大海湾( 杭州、象山、三门、温州) ，八大港口( 舟 l ! i 、j 匕仓、象1 i i 、石浦、建跳、海门、大麦岛、温州) 的中心交通纽带：足温州、台州 地到长江三角洲地区新的最捷通道；它将使象山至宁波的陆路里程缩短6 0 多公里，为 象j l i 县经济腾飞起到极大的推动作用。 隧道设计考虑后华山线位和小蔚庄线位，并根据两岸接线要求对小蔚庄线位做东吴 疗案和云龙方案。象山港海底隧道预计长度为1 2 5 1 5 k i n ，海底埋深在一1 5 0 1 8 0 m 左 彳亍，国内如此大规模的长大隧道的施工难度和风险性不言而喻，现阶段也没有已建成的 先侧，谭在花工的厦门东通道的公路隧道与本r t 程也有一定的差异。冈此，自必要针对 小l ：程条件下的，以钻爆法施工的海底髓道最小岩石覆盖厚度进行研究，确定合理的隧 道埋置深度，为隧道的设计、施工提供一定的参考价值。篇幅所限，本文只对小蔚庄方 案进行分析研究。 为了确定象i i i 港海底隧道的最小岩石覆盖厚度，结合挪威建设海底隧道经验方法、 本最小涌水量力法和国内顶水采煤确定预留安全煤岩柱的方法，对象山港小蔚庄方案 进行工程类比分析。 为详细说明以上三种方法在确定最小岩石覆盖层厚度的应用与发展，及其各自的特 t 皇，下面结合工程实例，将分如下几部分摘要介绍： 世界主要海峡海底隧道 挪威海峡海底隧道建设经验 日本最小涌水量预测方法 顶水采煤确定合理预留安1 仝煤柱的方法 i ：程类比 龟f i 楚矗7 姜堡兰芏垡造塞 象m 港海底隧道最小岩石覆盖厚度丁程类比分析 2 1 1 日本关门隧道 2 1 世界主要海峡海底隧道 i 本关门隧道 口于下关、门司区间，于1 9 3 6 年9 月施工，全艮3 6 k i n ，海底1 1 4 k i n 为r 双孑l 铁路隧道，f 行线1 9 4 2 年1 1 月1 5l _ l 通车，上行线丁1 9 4 4 年8 月8 日通车，在 、与时是世界i i 最大的海底隧道。隧道海底部分主要采用矿山法和盾构法施：【。在下芙方 向的引线地段采用矿山法，在门司方向采用气压沉箱法和明挖法。上行线最大坡度2 o ， f 行线为2 5 。下关方向的海底地段地质大体为岩层但也有断层和硬软的变化，经水 泥注浆止水后，采用矿山法施工。门司方向的海底段地层软弱且覆盖层薄( 约7 0 0 m 长 的地段) ，采用盾构法施工。矿山法施工地段采用马蹄形，考虑到有水压，侧壁边墙和底 酃仰拱为圆弧形，衬砌厚0 4 m ，盾构区间外径为7 m ，衬砌厚度o 5 m 。隧道覆盖层的平 均厚度约ll m ，特别是在修建时，从海底填石和填粘土进行覆盖工作的覆盖厚度最薄处 汉9 5 m 。 在关门隧道通车5 0 周年之际，进行r 一一次全面检查，结果表明，粘土覆盖层周嗣变 动很小，对隧道没有影响，衬砌后围岩未发现地压松弛现象，围岩是稳定的。 2 1 2 日本青函隧道 日本寿函隧道在1 9 4 0 年着手研究，1 9 6 4 年开工。到1 9 8 5 年竣工并于1 9 8 8 年3 月 3 日正式通车该工程从海底穿津轻海峡，连接北海道本洲。经过2 0 年施工，克服r 许多困难，女四次海水淹没和强大的土压力造成花工困难等。为后来的海底隧道 ：程建 波提供r4 蔗贵的经验，也使得许多相关技术得到了发展。 青函隧道伞长5 3 8 5 k i n ，陆上段本洲一侧1 3 ，5 5 k m ，北海道一侧17 k m ，海4 夹最深处 1 4 0 m 。海底部分2 3 o k m ，施工方式以传统钻爆法为主，部分采用掘进机。水深1 4 0 m ， 最小覆盖层厚t o o m ，当时主要是根据海底煤矿的经验，把理想的隧道的深度确定为低 f ：海底l o o m 。隧道主要通过第三纪火山堆积岩，部分火山岩透水性较高，岩体巾裂隙 ，哪断层较发育，因此，静水压力高达2 4 m p a ，为r 控制渗透率，要采用注浆法处理地层， ，许郑分水流浸入隧道，使作用存覆盖层上的压力降到一个合理的数值。工程施【前， q 东 ： 技大学硕士学位论史 象山港海底隧道最小岩石镬盖厚度j 程类比分机 i h 京都大学小林博士对海底部分渗漏水等进行了预测。 瑕定深为h 的海底，当开挖无限长的圆牲形隧道，商径r 相对开挖深度h 足够小时， 渗漏量方程式由达两( d a r c y ) 定律可得： q ：2 9 k 三玉一( 2 i ) 。l n ( 2 h r o ) 、 式中q 为渗水量；k 为渗透系数；圪为海底水头( 水深) ：p o 为隧道主体砌壁面水头。 隧道全线通过的地质情况以凝灰岩、沉积岩及火山岩为主，地层构造极为复杂，局 部破碎变质，有很多断层破碎带，在全线施工中出现了四次大的漏水。为了调奁海底大 致的地质条件，在施工前，首先进行了超前钻探，在开挖主隧道前，先进行r 超前导洞 和工作导洞的开挖，主隧道开挖时，在岩层较硬区域，采用上半断面开挖法，这样注浆 操作比较简单，在无渗水地段，采用底没导坑法，遇到软弱围岩时，则采用侧璧导坑法。 青函隧道海底大部分由沉积岩构成，且海水较深，在钻孔探测地质情况时，对钻孔 技术不断的改进，以达到高效的钻孔目的，对钻孔设备进行改进，获得更深的钻孑l ，取 得更详尽的地质资料。考虑经济效益和隧道安全施工，青函隧道对注浆圈的不同范围， 剥用摩尔一库仑塑性屈服准则进行分析比较，得出较优的注浆半径来指导施 t ；同时根据 隧道所处地层情况，对注浆材料进行改进，在普通硅酸盐水泥中加入低摩尔比率的水玻 璃及化学成分，使水泥浆强度持久，且较易渗入细微袈隙。对支护单元进行有限j 亡分析， 确定支护单元的效果。 f ：述的开挖和支护技术处于当时地下f 程新技术的先进前列，对隧道及地下工程， 持别是对海峡海底隧道的发展产生了巨大的影响。 2 1 3 英法海峡隧道 1 9 9 4 年竣工的英法海峡隧道是连接英、法两国的海底燧道，全长5 0 5 k m 海底部 分长3 7 0 k m ，水深6 0 m ，最小覆盖层厚4 0 m 。与日本青函隧道复杂地质条件不同，英法 海峡隧道地质条件较好，地质调查r 作详尽，因此进展比青函隧道顺利。 英法海峡水深只有6 0 m ，地质调查用s e p 型钻机在海底钻了1 4 0 个孑l 左右，f j i t , t 使 嘲，；i 波勘探等仪器，几乎完全掌握了地层剖面。隧道穿过自垩层，泥灰岩比较均匀，透 i 【) t 些i ! i ! 羹查堂塑主兰鱼堡塞 叁些鲞堕垦壁堡墨型! 篓鱼翼童堡堕三篓耋! ! 坌堕 水陛低，裂隙也少，强度适中。其f 酃是高尔特阶粘上及海绿砂层。 由 二在隧道线路方向、地质变化小，丌挖顺着地层，因此用掘进机开挖最为合适 英法海峡隧道远从拿破仑时代( 1 8 0 0 年) 就有人开始没想。吲此英法海峡隧道是4 ： 准备r 作最完善，地质调查最详细，地质资料相对最可靠，地质岩石( 白垩纪泥灰岩) 条件最优越的情况下，于1 9 8 8 年正式动工修建的。此外，在美国、丹麦、溪大毋业等f 封 的一牡较长、较大的海峡海底隧道的修建多采用现代沉管( i m m e r s e dt u b e ) 技术。 2 1 4 丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 丹麦斯多蜒尔特大海峡隧道是跨海工程的一部分，长7 9 k m ，由2 条外径8 5 m 的铁 路隧道组成，隧道最大埋深7 5 m ，采用4 台直径8 7 8 m 的混合型土压平衡盾构掘进机施 r 。由于隧道穿越的地层为冰喷和泥灰岩，均为含水层，渗透水最大，因而比英法海峡 隧道的掘进施二i ：更困难。工程中曾发生涌水险情，采用了海底井管降水、冻结、气压等 辅助施工法接决了困难。隧道施工历经艰险，为隧道建设史提供了宝贵的经验。 2 1 5 瑞典福斯马克核电站的四条海底隧道 福斯马克( f o r s m a r k ) 核电站处于瑞典东海岸，距首都斯德哥尔摩以北约1 3 0 k i n 。核 电站共有三台机组，机组冷却水经两条海底岩石隧道排出，其中l 号、2 号机组合用l 譬 ? | 廿水隧洞，3 号机组单独使用2 号泄水隧洞；此外，还建有两条平行交通洞，用予运送来 自瑞典福斯马克核电站反应堆废料到近海的海底废料库内，这四条隧洞建在波罗的海的海 底下并穿过地质条件复杂的新卉大断层。l 号漏总长2 3 0 0 m ，断面积为8 0t l l 2 ，其中j ：导 洞断面为5 01 1 12 ，台阶部分的断面为3 0m 2 ，隧道布设在海面以下约7 5 m 处，岩石覆盖厚 度约5 5 - 6 0 m ；2 号洞总长3 0 0 0 m ，断面宽l o m 、高6 3 m 理论面积5 5 开，最大岩石覆盖 厚度为7 0 m 。通向核废料库的两条平行交通洞长1 0 0 0 m ，断面积分别为6 5 和4 9m 2 ，岩彳i 覆盖厚度约5 0 m 。， 瑞典福斯马克核电站地质上处于两个主要区域断裂带之间，隧道通过最北端的断裂 带+ 新 犬断层，带宽约为2 0 0 m ，由糜棱石和角砾石组成的这种角砾麻化岗崭l _ l ，存和二 许多充填有粘土的裂隙，局部是富含矿物的粘土和强风化的粘土。 山垄燮丛兰墅兰垡迨塞 2 1 6 冰岛华尔峡湾隧道 象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度工撑类比分斩 华尔峡湾位与雷克雅未克以西约3 0 k i n 的东北至西南方向l ，6 k m 的隧道从该海湾 1 f 穿过，它是冰岛的第一座海底隧道。隧道大部分穿过混合地质条件，主要由玄武譬、 熔碴( 火山喷发期间因气体逸散造成d , f l 洞的火j i j 岩石) 和沉积( 火山的) 岩组成。隧 道由5 - 8 k i n 长的单孔道组成两端洞口明挖施工的长度总计2 0 0 m 左右，隧道的剩余部 分均在岩石中。北坡道有三条车道，坡度为8 。中间和南段为两车道，坡度分别为4 5 和7 。j 车道隧道断面的跨度为1 2 m ( 6 4m 2 ) ，两车道隧道断面的跨度为l o r e ( 4 7 昨) ， 订：两车道沿隧道每隔约5 0 0 m 有避车洞。设计的隧道通行速度是8 0 k n n l b 。 该隧道采用的施工方法是钻爆法，并且根据斯堪的纳维亚的实际情况采用加强的7 f ： 挖一观测一支护方法。隧道按照挪威指南和挪威、冰岛及国际标准设计的。冰岛足一个 叶l 度地震性的国家，对地震危害和有关风险进行评价，隧道结构考虑抗震设计。 2 1 7 丹麦大海峡隧道 丹麦海峡联络线从泽蔓岛到菲英岛海岸横跨1 8 1 i a n ，从而把两岛连接起来，而通过 l l i l l c b a e l l 太桥菲英岛又与e t 德兰半岛裾连，因此成为欧洲未来交通基础设施的重要部 ，分。 丹麦大海峡隧道为该联络线兰大工程之一，隧道由两座单线铁路隧道组成，掘进内 侉分为7 7 m 和7 4 m ，这两条隧道由间隔2 s q m 、夜径4 5 m 的横通道相互连接，这些横 通道具有在紧急情况下为乘客提供撤离通道和为隧道和铁路系统放置基础设备的双重功 能。 在掘进隧道的端部分别有3 0 0 m 和2 5 0 m 长的明挖洞口段，使隧道总长度成为8 k m c r f 二每端借助明挖路堑连接洞口，并从海尔斯考和斯普罗陆地侧进行掘进。 2 1 8 东京湾渡海海底隧道 东京湾渡海公路位于海湾中央，是由隧道、桥梁、人工岛连接川崎和木更津市的全 卜1 5 i k m 的汽车专用公路，其中隧道长约9 k m 。工程规模空前，地质、气象、地震等 j j 堕：十斗垫盔兰塑主兰堕堡墨 塞些蕉塑塞蕉遒墨尘蚩亘型差星鏖! ：堡耋些坌塑 i 1 然条件恶劣，并受到通航、环境保护等复杂的社会条件的严格制约。施f 巾遇到r 讷 彩瞬所未有的技术问题。 该隧道是软地基、大水深、浅覆盖的条件p 的并列长距离隧道，覆盖层噜l 坡遁段 6 4 、q ，4 m ，海底平坦段1 6 0 m ，海底段平均水深2 7 5 m 。隧道段地质，川崎侧以冲积、洪 仔 粘上层为主，木更津侧以夹有洪积砂质土的粘土层，浮岛和木更津坡段是人上地基， 浚隧道采用氅安全可靠的泥浆加压平衡式盾构施j ：法。 2 i 9 英国泰晤士河隧道 海底隧道铁路链( c t r l ) 是英国第一条高速铁路，也是英国1 0 0 多年来建设规模 最大的会新客运铁路工程项目。该隧道链经泰晤土河隧道穿过泰醑士河，泰晤七河隧道 是长2 5 公里、内径7 2 的双孔隧道和一条长1 2 0 0 米的进口坡段( 北南) 。进门坡段的 8 0 0 n a 采用明挖施工，其余4 0 0 m 是有支护墙的明堑。双孑l 隧道都从泰晤河南岸肯特邵 s w a n s c o m b e 沼泽地开始施i ：，穿过泰晤士河后在北岸埃塞克斯郡w e s tt h u r r o