厦门海底隧道围岩稳定动态反演分析

位移反分析法作为联系理论与实际的桥梁,为工程决策、设计与施工提供了切实可行和有效的方法。为解决海底隧道勘察、设计与施工技术难题,减小设计与施工风险,通过对先行服务隧道建立动态反演预测模型,及时对主隧道前方地质情况进行超前预报,并对围岩稳定性进行准确判断,根据反馈信息,对主洞前方设计与施工方案进行科学合理地组织,必要情况下须对原设计的隧道支护参数与施工方法作调整和修正,做到动态信息化设计与施工,确保海底隧道顺利穿越。     

厦门海底隧道类土质围岩水土作用研究

以厦门海底隧道工程为例,通过室内试验研究了类土质围岩在水中的崩解情况,分析了崩解量与时间的关系,讨论了土样的均匀性、密实程度对崩解的影响;从水土作用方面分析了隧道掌子面局部失稳的原因。研究成果表明：土样的崩解与土体颗粒组成、密实程度有关,颗粒细且均匀、密实的土样崩解曲线呈3个阶段;不均匀或较松散的土样在17 min内崩解基本完成,均匀致密的类土质围岩遇水发生完全崩解的时间较长,最长可达3 h以上;水对围岩的软化及崩解作用,将降低围岩的稳定性及自支撑能力,因此,施工过程中必须加强排水工作并及时支护。     

考虑渗流及软化的海底隧道围岩弹塑性分析

在海水渗流的情况下,考虑隧道围岩屈服后强度衰减（塑性软化）的特点,用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变模型推导出了海底隧道围岩塑性软化区半径、塑性残余区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析表达式,并与仅考虑渗流及渗流和软化皆不考虑的其他两种情况进行了对比,研究表明：在渗流和材料软化中,后者对隧道围岩稳定最为不利。分析了不同软化程度对结果的影响,该结果为海底隧道围岩稳定性分析等方面提供了理论依据。     

隧道洞顶围岩竖向全位移量测及变化规律研究

围岩内部位移通常是在工作面开挖后再进行量测,因而导致现场量测结果存在一定损失。为得到隧道施工过程中围岩内部位移的变化规律,自行研制开发了适用于量测隧道洞顶围岩竖向全位移的多点位移测试仪,该仪器具有测试原理简单、现场埋设方便、测试数据精度高的特点,且比传统多点位移计的测点多。结合阿拉坦隧道,利用该仪器对隧道洞顶处的围岩内部位移进行了量测,得到了隧道浅埋段洞顶围岩内部位移的变化规律,经分析发现,如果采用传统多点位移计进行洞内量测围岩内部位移的方式,围岩内部位移的损失程度将达25%以上,这将给围岩稳定性的判定造成直接影响;此外,通过对监控数据的分析,还得到了隧道开挖引起的围岩松弛范围。其结果对隧道的开挖与支护具有重要指导意义。     

海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛法

关于岩体稳定评判准则至今尚未达到成熟的阶段,从稳定的定义、量化的判断到分析的理论、准则和方法等一系列基本问题尚未形成明确的系统。目前比较常用的方法就是利用塑性区来判断围岩的稳定范围。但塑性区主要用来确定围岩的破坏范围,对于确定海底隧道的最小覆盖层厚度有些过于危险,因为一般海底隧道主要修建于硬岩中,其开挖引起的塑性区很小。因此,有必要建立确定海底隧道最小岩石覆盖厚的方法。应用适合模拟岩土大变形的数值分析方法FLAC3D,运用围岩变形量或变形率判据,建立确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛判据,并将该判据用于确定某海底隧道的最小岩石覆盖厚度,以说明该方法用于确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的正确性和有效性。     

黄土洞室掘进深度与围岩位移变化规律研究

应用PLAXIS 2D/3D有限元分析软件,对某黄土洞室进行了二维、三维分步掘进、三维一次掘进等工况的弹塑性有限元分析,研究分析了不同工况下洞室围岩位移的变化规律,并对掌子面的空间效应进行了分析。分析结果表明,二维与三维分步计算的最终位移基本一致,可以用二维的计算结果来估算洞室开挖的最终位移。三维分步掘进的分析表明,不同埋深的洞室其位移比的变化规律基本一致,当L/B<1时(L为掘进深度,B为洞室跨度),位移比呈线性增加;当L/B>1时,位移比呈非线性增加;当L/B>3时,其最大位移接近最终位移。掌子面的空间效应分析表明,在掌子面处的位移约为最终位移的1/3,距掌子面0.5倍跨度处的位移约为最终位移的2/3,距掌子面2.5倍跨度处的位移基本达到了最终位移。     

大断面海底隧道CRD法绝对位移控制基准建立及应用研究

隧道位移控制基准的建立是确保隧道安全施工的一项重要内容。以厦门－翔安海底隧道陆域浅埋暗挖段CRD法施工为工程背景,陆域浅埋段总长约2 525 m,主要穿越全、强风化花岗岩地带,含水率高、自稳能力差。依据全站仪非接触量测获得初期支护三维绝对位移分布规律,确定三维绝对位移基准控制指标,同时对86个围岩位移监测断面的监测数据进行变形正常断面和变形异常或险情断面的位移量统计分析,最终确定CRD法（center cross diaphragm method,交叉中隔壁法）三维绝对位移控制基准。研究结果表明,将CRD1、CRD3部拱顶竖直位移和上中隔墙、下中隔墙水平位移作为CRD法位移控制指标;CRD1部和CRD3部拱顶下沉极限位移分别为200 mm和130 mm;CRD3部拱顶竖直位移约为CRD1部的0.5～1倍;上中隔墙水平极限位移约为100 mm,下中隔墙水平极限位移约为15 mm。通过现场97个断面应用,共发现58次异常和险情,由于发现及时,处置有力,保证了施工安全。     

基于间断位移场的隧道围岩承载能力研究

岩体是岩石块体和分割这些块体的边界的组合体。沿边界面(结构面)的局部剪切变形使得位移场产生间断,对岩体的力学性能产生巨大的影响。采用光滑函数组合来描述滑移面上的间断,得到反映岩体沿着边界局部剪切的数学模型。利用此局部剪切模型得出了应力–滑移关系具有强化阶段时圆形坑道围岩自身承载能力的解析表达式,研究了岩体滑移面对坑道围岩自身承载能力的影响。通过分析得到,自承能力在深部坑道围岩的稳定中发挥了重要作用,应力–滑移关系的强化段对围岩承载力有着很大的影响;围岩压力与坑道的埋深、坑道的尺寸以及围岩的物理力学性质等具有直接关系;围岩出现不稳定的动力现象(岩爆)与此岩体参数m关系极大,而岩体参数与接触面的软化程度、能量转移、耗散结构的几何尺寸以及弹性模量有关。     

厦门海底隧道围岩流变特性及其特征曲线

厦门海底隧道是我国建设的第一条海底公路隧道,其穿越的F1,F2,F3,F4共4条断层破碎带,洞体围岩软弱、破碎,流变属性十分明显。对该类岩石进行了室内三轴压缩流变试验。试验结果表明,幂律型蠕变模型可以用来较好地模拟该类岩石除第三阶段蠕变以外的蠕变行为,并得到幂律型蠕变模型的相关流变参数。将幂律型蠕变方程和Drucker-Prager屈服准则相耦合来描述岩体的非线性黏弹塑性特性,应用数值方法研究了该隧道围岩的变形特性及其特征曲线。     

工程类比法在海底隧道岩石覆盖厚度研究中的应用

海底隧道岩石覆盖层厚度是海底隧道选线中的关键因素,其确定方法目前还没有统一的标准。结合海底隧道岩石覆盖层厚度确定中的关键因素,应用隧道设计常用的工程类比方法,借鉴已有的海底隧道工程或类似工程的设计经验对隧道岩石覆盖层厚度的初步确定进行了研究,并将其应用于实际工程,得出合理的隧道岩石覆盖层厚度的范围。研究方法对同类工程的初步设计有参考价值。     

象山港海底某公路隧道最小岩石覆盖厚度及选线方案优化研究

通过对国内外海峡海底隧道的调研分析,归纳得到三种确定最小岩石覆盖厚度的方法——挪威经验公式法、日本最小涌水量预测法以及国内顶水采煤经验法。利用上述三种方法,对象山港海底某公路隧道的最小岩石覆盖层厚度进行工程类比。综合考虑三种方法的分析结果,结合隧道地质条件,获得最优的岩石覆盖厚度。结合隧道海底的地形及地质条件,选择一个剖面作为控制剖面,根据隧道的设计坡度分别得到隧道底板线的位置及各个剖面在设计坡度下的岩石覆盖厚度,并与工程类比厚度比较。根据分析比较结果,调整隧道底板线部分段的坡度,使得隧道在满足安全的条件下,得到最短的隧道线路,从而决定隧道的最优选线方案。     

海底隧道涌水量数值计算的渗透系数确定方法

海底隧道的建设往往伴随着高风险,而水害则是海底隧道建设期间风险最主要的来源之一,隧道涌水对施工安全与建成后的运营成本控制有着重要影响,因此,对海底隧道进行涌水量预测便显得尤为重要。数值计算方法是当前涌水量预测中应用最广的方法之一,而计算涌水量过程中最关键的问题之一是渗透系数的确定。以青岛胶州湾海底隧道工程为背景,通过数值计算、模型试验与现场监测数据分析等手段相结合的方法,对海底隧道建设期涌水量的预测进行了研究。首先进行海底隧道开挖后涌水量现场监测,得到开挖后涌水量变化曲线;再采用数值计算方法对围岩渗透系数的取值进行反分析,对渗透系数进行不断修正,并在数值计算中成功拟合实测涌水量曲线,所得到的渗透系数即为数值计算中应采用的合理渗透系数。在结合试验段地质情况的基础上将合理渗透系数与前期地勘压水试验得到的渗透系数进行比对,得到两者之间的关系。并通过模型试验的手段对以上结论进行验证。将其应用到海底隧道的涌水量预测中,通过正演数值计算预测围岩相似洞段的涌水量,其结果对海底隧道涌水量预测有一定的参考意义。     

某海底隧道最小岩石覆盖厚度影响因素分析

目前国内正在修建或拟修建大量海底隧道,其中最小岩石覆盖厚度直接制约着海底隧道的造价。根据已确定某海底隧道最小岩石覆盖厚度,结合海底隧道所处的工程地质和水文地质条件,分析了裂隙岩体的断裂损伤、海水渗流和施工过程及爆破、地震等对海底隧道最小岩石覆盖厚度的影响分析。结合工程类比法和数值计算方法得到某海底隧道最小岩石覆盖厚度,考虑各种因素对最小岩石覆盖厚度的影响,最终分析出较优的最小岩石覆盖厚度。     

三维快速拉格朗日法在安全顶板厚度研究中的应用

为了合理选择厦门海底隧道的最小顶板厚度。在厦门海底隧道轴线的地质部面图上，选取了6个典型剖面，在不同的剖面及同一剖面的隧道的不同深度，应用三维快速拉格朗日法，分两个步骤：第1步，在较大的深度范围内初选隧道的顶板厚度：第2步，在第1步初选结果的基础上，在较小的深度范围内，进一步选择。通过对开挖后的应力分布、洞周位移、塑性区等的分析，最后得出厦门隧道的最小顶板厚度。同时，得到一些对后续施工和其他工程有一定指导意义的有益结论。     

舟山灌门水道海底隧道钻爆法施工稳定性分析

以舟山灌门水道海底隧道为背景,依据地质资料,选取隧道典型横断面来研究钻爆法施工时围岩的稳定性。由典型横断面的几何参数和地质资料构建数值计算模型,采用国际上常用的计算模式模拟爆破荷载,根据FLAC3D动态计算的特点,将爆破荷载以等效应力的方式加载于模拟炮孔之上。数值计算结果表明,各关键点的位移、振动速度、加速度-时程曲线均满足隧道爆破变形规律,且振动速度峰值均小于规范要求临界值,爆破作用影响范围小于岩石覆盖层建议厚度,验证了岩层覆盖厚度建议值和爆破方案的合理性。最后,为了弄清岩石覆盖厚度和炸药量对围岩稳定性的影响,给出了不同岩石覆盖厚度和炸药量情况下的计算结果。所得结论对后续施工和类似工程具有一定的指导意义。     

无纺布对海底隧道衬砌防水作用的试验研究

采用无纺布作为防水层中的垫层,是国内外隧道工程中结构外层防水常用的措施,但对于无纺布如何改善隧道衬砌背后水压力分布及结构应力分布却一直缺乏相应研究。依托厦门翔安海底隧道,对不同防排水方式（即全封堵、堵排结合及排放方式）的隧道衬砌无纺布作用进行研究,采用相似模型试验方法,模型试验的比例尺为1:38.88,试验台架可同时施加土压力和水压力。通过模型试验得出结论：无论在全封堵条件还是限排条件下,无纺布均起到很好的集水、附水的作用,加强了水在衬砌四周的流动性、相互补给性,使衬砌周围的水压分布更为均匀,并且改善了衬砌结构周边的应力环境。     

海底隧道最小岩石覆盖厚度的权函数法

最小岩石覆盖厚度是海底隧道垂直线路设计的重要参数,影响海底隧道的造价和安全。总结了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度常用的方法,包括工程类比法、数值分析法,并分析了各种方法的适用条件。基于大量数值分析,提出了通过最小位移确定最小岩石覆盖厚度的方法。根据专家经验,分析了最小岩石覆盖厚度各种影响因素的重要性,建立确定最小岩石覆盖厚度的权函数法,并应用于青岛胶州湾隧道工程,其研究成果对海底隧道的设计与施工具有参考价值。     

宜昌磷矿地下开采岩体移动分析

根据宜昌磷矿开采引起上部地表变形及岩体开裂的工程实际情况,在实测资料统计分析基础上,建立了高陡山区地下开采岩体移动变形预测分析模型,并给出了岩体变形破坏的极限值。利用该模型对宜昌磷矿区开采引起岩体变形及山体失稳现象进行了分析。通过工程实例分析表明,理论预计结果与现场实测结果吻合。     

海底隧道注浆材料耐久性模糊综合评定

注浆材料的耐久性是海底隧道长期正常工作的重要保障。海水环境引起的化学侵蚀、物理侵蚀以及自身因素的影响是注浆材料侵蚀破坏的主要因素。针对普通水泥、硫铝酸盐水泥、超细水泥组成的注浆材料开展试验,选取抗硫酸盐侵蚀性、抗海水渗透性、抗氯离子渗透性、体积稳定性作为耐久性评价指标,应用模糊综合评定的方法评定注浆材料耐久性,为海底隧道注浆材料耐久性的评估作了探索。