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。     

海底隧道围岩位移全曲线研究

限于施工现场条件,目前的隧道量测位移均是隧道实际位移的一部分,而隧道量测全位移则少有研究。以厦门海底隧道工程为依托,对隧道开挖各部拱顶下沉监测数据进行了回归分析,得出了海底隧道CRD1和CRD3部拱顶下沉未监测到位移的第1部分Y1。采用三维有限差分程序研究海底隧道各部位移全曲线,得出了掌子面到达研究断面前发生位移所占比例。根据实测资料得出海底隧道CRD1部和CRD3部拱顶下沉未监测到的位移第2部分Y0。将Y0和Y1与实测部分Ym相加,即得到隧道位移全曲线。     

考虑海水-海床耦合效应的海底隧道地震响应研究

在近海海域修建海底隧道必须考虑地震灾害的潜在威胁,进行海底隧道地震响应研究时考虑海水动水压力的影响将更贴合实际情况。为研究考虑海水-海床耦合效应的海底隧道地震响应规律,本文基于某海峡海底盾构隧道工程,考虑了海床土体和隧道混凝土的动力非线性特性以及海水与海床之间的耦合效应,建立了海水-海床-隧道动力相互作用的有限元模型,研究了在不同地震动输入、不同地震激励方向、不同上覆水深条件下海底隧道的地震响应规律。结果表明:使用ABAQUS中的声学模块能够有效地实现流-固耦合作用的模拟;在水平地震作用下,隧道在左右拱肩及拱脚位置应力集中显著;地震作用时水域最大动水压力出现在隧道正上方左右两侧海床表面处;当处于双向地震激励时,海床表面动水压力显著增大,隧道各点处的应力峰值也随之显著增大;相较于高频丰富的地震动,低频丰富的地震动输入对海底隧道的影响更大;海底隧道地震损伤随着水深增加逐渐减小。研究结果有助于更好地掌握实际海底隧道地震响应规律。     

厦门翔安海底隧道不良地质段施工风险识别与应对

修建海底隧道技术难度高、施工风险大,其中不良地质段是施工高风险地段。厦门翔安海底隧道是中国大陆地区第一条海底隧道,长6.05 km,最深处位于海平面下约70 m,采用设置服务隧道的3孔隧道方式,设双向6车道,钻爆法施工。隧道场区以花岗岩地层为主,主要不良地质段包括两端陆域及浅滩全强风化地段和海域多处风化深槽,其施工期风险管理尤为重要。应用风险评估与分析理论,探讨了海底隧道施工风险发生机制及风险水平评估方法。针对厦门翔安隧道施工图设计阶段的地质勘测、土建结构设计和拟采用的施工方法,对不良地质段施工期的典型地质风险和施工风险进行识别与风险水平评估,研究了降低风险的相应对策,以便在施工中对风险进行管理,采取必要措施保障施工安全与质量。     

象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度断裂损伤分析

根据象山港海底隧道地质剖面和隧道轴线布置图,取其9个重点剖面位置,对海底隧道选线进行三维分析。每个剖面位置根据基岩的厚度选取隧道轴线设计位置、上抬和下移隧道轴线位置,应用基于断裂损伤模型的有限元程序对其进行数值分析研究。通过分析各个工况的损伤区、塑性区、应力状态、位移变化,研究洞室的稳定性;根据相邻工况的应力状态变化和位移变化,得到k30+100剖面位置在设计线下移2 m时为计算建议的底板线位置,并得到该剖面位置的最小岩石覆盖厚度。最后得出海底隧道计算建议的底板线位置。     

强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅰ):理论模型及参数反演

厦门翔安隧道是国内修建的第一条海底隧道,其相关勘察、设计以及施工经验和工程总结材料将对国内其他海底隧道的建设具有十分重要的借鉴作用。与山岭隧道相比,需要解决的岩体力学与隧道工程结构设计等方面的问题不尽相同,存在不少现行规范未能涵盖而又亟待在设计中予以明确回答的问题。根据厦门翔安海底隧道风化槽强风化花岗岩的室内应力-渗流耦合试验成果,建立了强风化花岗岩的应变硬化的弹塑性模型和黏聚力演化方程,通过反演确定了模型的力学参数。研究表明,提出的应变硬化的弹塑性模型能合理地反映强风化花岗岩的力学特性,其成果具有很好的推广应用价值。     

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。     

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。     

平面P1波入射下海底隧道与海床土交界面滑移接触效应解析解

基于理想流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑工程实际中海底隧道与周围海底土体的滑移接触关系,建立了含滑移界面海底隧道模型,该模型还考虑了海水-海床土-海底隧道的动力相互作用。采用Hankel函数积分变换法和波函数展开法,推导了平面P₁波入射下海底隧道与周围海底土体滑移接触界面效应的解析解。在解析解的基础上,通过数值计算分析了滑移接触条件对海底隧道地震动力响应的影响。计算结果表明：滑移接触条件对海底隧道的位移响应和应力响应影响明显;考虑隧道-海床土界面滑移接触条件下海底隧道的位移响应和应力响应显著高于界面无滑移条件时的位移响应和应力响应。     

厦门海底隧道顶板厚度选择及其开挖稳定性分析

在厦门海底隧道轴线的地质剖面图上,选取了4个典型的剖面,应用多裂隙岩体三维弹塑性本构关系和损伤演化方程进行数值分析研究,得到了应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区等结果。通过对应力扰动区的分析,以及隧道轴线位置、轴线升高或降低后各剖面应力扰动范围与弱风化层厚度的对比,很容易确定厦门海底隧道的最小顶板厚度;根据应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区结果,评价了海底隧道的开挖稳定性。二者的有机结合,说明了将设计方案的轴线位置提高4 m后隧道是稳定的。     

台湾海峡隧道工程的提出、论证及今后工作建议

区域经济一体化的迫切要求、隧道施工技术的日益完善,使得海底隧道成为连接大陆与岛屿或岛屿与岛屿之间的快捷实用的方式.     

厦门海底隧道施工方案优化研究

基于数值模拟方法,对厦门海底隧道施工进行优化分析。在侧压力系数为0.6和0.9情况下,首先针对3种常用施工方法——全断面开挖法、上下台阶法和台阶分部开挖法进行计算分析,通过比较隧道洞周关键点位移及洞周塑性区分布,得到全断面开挖对围岩的扰动较小;然后,通过计算分析不同台阶长度对隧道的稳定性的影响,得到上下台阶开挖台阶步距为10 m左右较为合理的结论,对海底隧道的施工具有一定的指导意义。     

爆破振动下海底隧道涌水量预测研究

爆破振动效应下海底隧道涌水量预测目前仍是一个难题。以青岛地铁1号线瓦屋庄站—贵州路站过海区间海底隧道为工程背景,基于等效连续介质模型,利用镜像法推导考虑损伤区因素的海底隧道涌水量计算公式,通过正演与反演的方式,结合数值模拟计算结果以及实际工程监测结果综合验证公式的正确性并分析损伤区因素对涌水量的影响机制。结果表明：爆破振动产生的挤压作用使得隧道周边围岩孔隙水压力会在短时间内急速上升,到达峰值后随着爆破振动的减弱及消失开始缓慢下降;在损伤区因素影响下,隧道涌水量随着损伤区厚度增加逐渐变大,但不会随着损伤区渗透系数的增加而不断增加;数值模拟计算考虑爆破损伤区与否的隧道涌水量比值为1.4,与文章所推公式计算结果 1.342相比误差仅为4.1%,且计算结果与现场实测结果相比仅少0.53 m3/（d·m）,相对于传统计算公式结果更接近实测结果,说明本文计算公式适用于考虑损伤区因素的隧道涌水量计算,具有较高的工程应用价值。     

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。     

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。     

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。     

断层对隧道围岩稳定性的影响

针对隧道开挖过程中的隧道围岩稳定性问题, 将地质力学中构造体系的复合及构造演化应用到隧道围岩稳定性分析中去, 分析了各种力学性质的单一式断层、归并复合式断层以及断层交会等的特点和对隧道围岩稳定性的影响, 并通过厦门海底隧道现场实例加以验证。研究结果显示, 断层交会和断层归并复合很容易引起围岩失稳, 断层的其他要素如风化程度、断层走向与隧道中线走向的夹角对围岩稳定性影响也很大。研究为隧道施工提供了有意义的借鉴。      

隧道及地下工程工程地质研究的进展

一、现代隧道及地下工程建设的发展 (一)国内外隧道及地下工程建设情况 1.铁路、公路隧道 在我国,解放后修建的铁路隧道计2500km,这在当今世界上也是名列前矛的。1987年建成的长14.295 km的大瑶山双线铁路隧道,排名世界铁路隧道第10位。目前,长约14—22km的秦岭隧道已开始勘测。公路隧道的数量为解放前的十倍。在国外,以日本铁路隧道建设发展为最快,共修建量达2000km余。连接瑞士和意大利的圣哥达隧道,为一长20km余的公路隧道。值得一提的是,水下隧道建设事业方兴未艾。港九海底隧道已建成并交付运     

水底隧道涌水量预测方法的应用分析

讨论了水底隧道涌水的预测计算问题,利用经验法和有限元法对某拟建海底隧道工程方案的涌水量进行了预测计算和对比分析,探讨了竖向和水平走向裂隙发育情况对隧道涌水的影响。结果表明:①与有限元相比,用经验公式计算得到的水底隧道涌水量偏小;②当水底岩层张性裂隙(尤其是竖向裂隙)较发育时,隧道涌水量增长较大;③当隧道临近或穿越断层破碎带时,隧道周边的渗流场具有显著的三维特征;④如果水底隧道上覆地层中没有显著的隔水层,则由于水源无限充足,隧道的涌水量将主要受到水位相对高度和隧道围岩渗透系数的影响,与隧道上覆地层的厚度关系不大。     

跨海峡海底隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1～F4 四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,该类岩石尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择带来一系列特殊的问题。通过对风化破碎类花岗岩（主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩）试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为。强风化花岗岩三轴压缩试验及流变试验表明：强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在达到峰值后,有明显的塑性流动,通过Mohr-Coulomb准则得到强风化花岗岩的摩擦角 约为31°,黏聚力约为0.1 MPa,且该岩石具有明显的流变特征。在流变试验的基础上,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。其研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。