海底隧道复合衬砌水压力分布规律及合理注浆加固圈参数研究

 与普通山岭隧道不同,海底隧道深埋于海床之下,地下水的处理是其修建过程中的关键问题,而隧道渗水量控制及衬砌结构水荷载确定又是地下水处理的核心问题。采用“堵水限排”的设计理念,设计海底隧道复合衬砌结构防排水系统,可以实现以较小的排放量明显折减甚至消除作用在支护结构上的外水压力,使海底隧道衬砌结构设计更经济。基于地下水水力学理论,推导海底隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力的计算方法,并结合厦门海底隧道工程实践,采用理论分析和数值模拟方法揭示初期支护、二次衬砌以及注浆加固圈等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力的影响规律。在此基础上,提出海底隧道复合衬砌合理注浆加固圈参数的确定方法,并在厦门翔安海底隧道穿越F4风化深槽的合理注浆加固圈参数设计中取得成功应用。研究结果可为海底隧道或富水区高水头山岭隧道工程的防排水系统设计提供借鉴和参考。     

海底隧道衬砌结构设计

 海底隧道围岩水通常具有稳定水位和充足补给,隧道结构受长期的水压力作用,衬砌计算中应首先确定水压力荷载大小,并综合考虑隧道涌水量的大小,由此对衬砌断面的拟定、衬砌类型的选择、衬砌结构安全性进行评价计算。正在建设的厦门翔安海底隧道衬砌结构设计时,通过不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验表明,作用于全封闭衬砌上的水压力是不能折减的;根据陆域和海域不同地段预测全隧道涌水量,由于无法满足运营期间的排水,衬砌结构必须采用全封闭形式或限制排放形式;利用ANSYS有限元软件,根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算,以得出结构受力最为经济合理的断面形式;并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。计算结果及建设的实际情况表明衬砌受力合理。     

胶州湾海底隧道衬砌混凝土服役寿命预测

胶州湾海底隧道是中国自行建造的第2条海底隧道,其设计服役寿命为100 a。分析了海底隧道衬砌混凝土的服役环境,建立了综合考虑氯离子扩散、碳化和弯曲荷载影响的服役寿命预测模型。调查了海底隧道现行施工里程的混凝土耐久性关键参数,建立了海底隧道混凝土氯离子扩散系数与回弹强度间的函数关系,通过预测模型计算了混凝土中氯离子随时间的演化规律及衬砌混凝土服役寿命。结果表明:隧道衬砌混凝土的保护层厚度波动值-4(-6)~+15 mm,标准养护衬砌混凝土氯离子扩散系数均值为2.1(2.7)×10-12 m2/s,混凝土中初始氯离子浓度小于0.35 kg/m3。隧道衬砌混凝土氯离子扩散系数与回弹强度呈线性函数关系,施工里程内氯离子扩散系数波动为1.5~3.5×10-12 m2/s。基于模型计算,胶州湾海底隧道左右线衬砌混凝土的服役寿命均超过100 a。     

海底隧道修建中的关键问题

结合厦门东通道海底隧道工程，对海底隧道最小岩石覆盖层厚度、水压力设计值的确定，衬砌结构断面优化与防排水方案，穿越海底不良地质段（断层、溶槽）的施工措施及服务隧道设置的必要性问题进行了分析。提出应从围岩稳定性和隧道涌水量的大小综合考虑最小岩石覆盖层厚度；采用限量排放的防排水方案对海底隧道较为适宜；施工中可采用注浆和冻结法穿越海底的不良地质段；设置服务隧道有利于隧道施工和运营管理。     

填方隧道地震响应影响因素分析

以某隧道工程为例,建立了隧道地震动力分析数值模型,对高烈度地震区对填方地基修建的隧道结构进行动力响应特征研究,探讨隧道不同衬砌厚度、混凝土强度及覆土厚度等参数对隧道衬砌结构受力状态的影响。研究结果表明:在地震荷载作用下,衬砌厚度和覆土厚度对隧道各部位弯矩荷载值及剪力荷载值影响较大,特别是在衬砌底板与中墙连接部位影响显著;衬砌混凝土等级超过C30后对隧道衬砌结构的受力状态影响很小;对于隧道上部的回填覆土,应尽量避免单侧覆土,必要时增加水平支撑的方式以改善隧道受力状态。     

水底隧道注浆圈设计参数研究

随着我国大型跨江海隧道修建的兴起,鉴于水底隧道与山岭隧道的不同以及矿山法修建水底隧道的技术空白,研究矿山法修建水底隧道支护体系既是实际工程亟需解决的问题,又是对我国隧道技术水平的弥补。文章采用有限差分软件FLAC~(3D),基于流固耦合机理,同时结合我国第一条海底隧道"厦门～翔安"海底隧道,对水底隧道的支护体系设计参数进行研究。     

跨海峡隧道风化槽围岩衬砌防排水技术研究

 采用钻爆法修建海底隧道必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害,海底隧道钻爆法施工时如何安全穿越断层破碎带是工程设计与施工的技术难点。结合厦门跨海峡隧道围岩的特点,研究钻爆法穿越断层破碎带的注浆加固、防排水技术,提出不同围岩条件下的隧道防排水和注浆设计方案。并根据实验室三轴试验结果得到强风化花岗岩渗透系数以及反演的围岩力学参数,分析风化槽隧道衬砌的外水压力分布特点和量值。研究成果为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的衬砌防排水和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

海底隧道衬砌结构选型及参数优化研究

海底隧道不同于陆上隧道,海水位变化相对隧道埋深较小,隧道两端出口比海底部分要高,不能采用自然排水。深埋海底隧道二次衬砌承受较大的外水压力。调查了国内外海底隧道衬砌结构型状及支护参数,针对海底隧道的特殊性,归纳了海底隧道设计理念和设计方法。针对某公路海底隧道特定地质条件和工程设计要求,分别采用马蹄形、椭圆形、圆形3种衬砌结构型式,并用有限元软件对这3种衬砌结构二次衬砌在不同荷载作用下进行强度验算。对计算结果优化比选,选出一种技术可行、经济合理的衬砌结构,得出一些有意义的结论。     

厦门翔安海底隧道穿越富水砂层施工技术

 厦门翔安海底隧道是中国大陆修建的第一座海底隧道，全长6 051 m。隧道在海域浅滩段有约610 m穿越富水砂层，是该工程施工的难点之一，也是以往海底隧道施工过程中所未曾遇到过的，没有现成的施工经验可供借鉴。主要研究和介绍厦门翔安海底隧道穿越该段富水砂层的施工关键技术，即在地表采用地下连续墙和疏干减压井对砂层进行分仓隔水、降水，在洞内采用TSS小导管超前预注浆对砂层进行固结处理。研究和施工实践表明，该隧道在穿越海域浅滩富水砂层段施工过程中，采用洞外和洞内相结合的施工技术是可行的，操作简便、效果明显，对同类地质条件下的地下工程施工具有一定的借鉴意义。     

厦门海底隧道设计、施工、运营安全风险分析

厦门东通道海底隧道工程是我国计划建设的第一个钻爆法修建的海底隧道,1998年以来厦门市路桥建设投资总公司分别委托中交第二公路勘察设计研究院承担工程预可行性研究和工程可行性研究,此外还委托多家单位进行了相关专题研究,目前已经做了很多工作。下面将结合海底隧道的特点,重点谈以下几点:①顶板厚度的确定和工程对比;②水压力值的确定设计理念和施工理念;③衬砌结构断面优化和结构防排水方案;④海底穿越不良地质段断层和溶槽的措施;⑤浅滩不良地质段的穿越措施;⑥隧道运营通风方式的选择;⑦服务隧道设置的必要性和防灾性。1顶板厚度的确…     

厦门海底隧道结构防排水原则研究

 海底隧道不同于陆地隧道，水压高，水源充足，又无天然出口，海底隧道的渗水问题远比陆地隧道严重得多，处理起来也困难得多。海底隧道结构防排水系统的合理性和可靠性是海底隧道成功的关键，也是控制运营费用的主要部分，海底隧道结构防排水原则和标准的确定又是设计合理防排水系统的基础。在分析国外已建成海底隧道防排水设计的基础上，提出确定海底隧道防排水原则的临界地下水位，并通过数值分析计算厦门海底隧道设置盲管排水系统后的排水量和衬砌背后水压，从运营经济性角度分析排导系统设置的可行性，提出厦门海底隧道应采用“以堵为主，限量排放”的防排水原则。在此基础上，提出厦门海底隧道合理的防排水体系，并在工程中得到应用。提出的研究方法也可为其他海底隧道结构防排水系统设计提供参考。     

海底隧道结构健康监测设计研究

 由于海底隧道工程环境的特殊性与复杂性，因此为保证海底隧道运营安全，必须对海底隧道进行长期的结构健康监测，以此了解隧道结构在复杂环境中的受力变化状况，从而及时了解隧道结构损伤位置及损伤程度，进而对结构安全状况做出评估并加以有效处理。在对隧道结构健康监测现状进行总结后，针对海底隧道工程特点，结合在建的厦门翔安海底隧道工程，通过必要的数值模拟计算，首先确定出该隧道的监测内容及重点监测部位，随后结合工程实际情况确定监测断面位置、监测项目及监测仪器的选择、监测点布置等内容。同时，研究结果表明：(1) 不良地质段隧道结构安全监测，除对该位置隧道结构进行重点监测外，还应当在邻近较好地质条件处设立辅助监测断面，便于分析不良地质条件对隧道结构的影响作用；(2) 海底隧道结构的渗漏情况可通过监测其重点部位，如拱部的衬砌开裂情况，并配合相应位置的衬砌结构水压变化情况而间接获得。研究结果将对我国在建或拟建的海底隧道结构健康监测起到一定的指导作用。     

海底隧道最小岩石覆盖厚度确定方法研究

目前国内正在修建或拟修建多条海底隧道,其最小岩石覆盖厚度是海底隧道纵断面线路设计的主要参数之一,将直接制约着海底隧道的安全和工程造价。为此,开展了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的确定方法和准则研究,并综合分析了各种不同方法确定的海底隧道最小岩石覆盖厚度对最终岩石覆盖厚度的权重影响。通过加权的方法得到了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的方法和原则。最后结合工程实例,应用上述方法,得到了宁波象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度。     

厦门海底隧道右线穿越F1风化槽施工方案探讨

 厦门翔安海底隧道右线A2标需要穿越F1风化槽段，制定切实可行的穿越F1风化槽段施工方案显得尤其关键。针对该工程施工难度大、工期紧、施工风险大和质量标准高等特点，并结合厦门海底隧道的工程地质特点，制定了穿越F1风化槽段的总体施工技术建议方案，分别从超前地质预报、风化槽段的开挖及支护方案、帷幕注浆、施工排水系统、隧道衬砌施工、突发事件应急处理预案等方面阐述了钻爆法穿越F1风化槽的施工方案与施工注意事项，为工程合理方案的选取奠定基础。     

厦门翔安海底隧道陆域段CRD法位移监测分析

 厦门翔安海底隧道陆域段为软弱地层三车道大断面浅埋暗挖隧道，主要采用交叉中隔壁(CRD)法施工，结合现场施工情况对该隧道CRD法位移监控量测结果进行研究。研究结果表明，该隧道CRD法施工监控量测判断指标应以拱顶下沉为主，水平收敛为辅；拱顶下沉通常为最后收于一稳定值的台阶状上升曲线，各分部开挖引起的拱顶下沉增量呈一定比例关系，可用于对最终拱顶下沉量的预测和控制时机参考，施工中应重点控制引起约占总下沉量一半的CRD1初期支护尽早封闭；该隧道陆域段CRD法施工中CRD1最终拱顶下沉控制标为200 mm比较合适。综合位移监测分析和现场施工经验认为，翔安隧道陆域段CRD法相邻导坑掌子面间距控制为10～15 m，每循环开挖1.0～1.5 m(极软弱地段只允许开挖0.5 m)后立即支护，导坑内台阶长度控制在6 m以内，及时封闭仰拱，对控制最终拱顶下沉和保证支护结构稳定性成效良好，对隧道后续施工控制具有很好的指导意义。     

Durability problems of lining structures for Xiamen Xiang’an subsea tunnel in China

Durability problem of reinforced concrete for underground structures is a hot issue in the field of structural engineering.For underground structures,the prediction of structural service life and methodology for durability design are needed to estimate structural durability.Taking the case of Xiamen Xiang’an subsea tunnel as background,which is designed to meet the requirement of 100-year service life,the influential factors on tunnel lining durability are analyzed.Under the criteria of crack controlling and bearing capacity of lining structures,the theoretical service life of Xiamen Xiang’an subsea tunnel lining is studied.The regulations,which are needed for the diffusion capability of chloride ions in concrete by the relevant diffusion tests,are proposed.After a quick corrosion test,the bearing capacity test on eccentric short columns is implemented to investigate the variation rules in the bearing capacity of models with time.Influence of the corrosion degree of steel bars on the bearing capacity of models is also investigated.Based on the results of model tests,the acceleration ratio between the quick corrosion in laboratory test and the natural corrosion environments is established.Thus,the natural service life of subsea tunnel lining structures can be obtained by means of laboratory tests.Then,the proposed method using this modified model is employed to predict the service life of tunnel lining structures.Finally,the design and construction measures for improving the durability of lining structures of subsea tunnel are introduced.The proposed method in the present study based on a real engineering project is superior to those with only theoretical assumptions,and would be more suitable for similar projects.