详情

原文传递基于矿山工程方法的海底隧道变形分析与控制研究

论文题名：	基于矿山工程方法的海底隧道变形分析与控制研究
关键词：	海底隧道;变形分析;矿山工程方法;不均匀沉降;富水砂层;明洞结构
摘要：	全世界已经建成和正在建设的海底隧道有100多座，主要分布在挪威、日本、美国、西欧和中国香港等国家和地区。中国的海岸线较长，岛屿、海湾星罗棋布，随着国民经济的发展，对跨海交通的需求将与日俱增。由于海底隧道不受台风、暴雨、浓雾等恶劣天气的影响可全天候使用，保护海洋生态环境，有利于防御战争，因此成为跨海交通的首选方式。正在建设的厦门翔安海底隧道是中国大陆第一座超大断面钻爆法施工的城市公路海底隧道。结合厦门翔安海底隧道施工过程和监控量测数据，开展隧道变形分析和控制研究，具有重要的理论和实践意义。　　厦门翔安海底隧道工程全长8.695km，其中海底隧道段长约5.95km，设双向六车道，采用三孔隧道形式穿越海域。具有地质条件复杂、距离长、断面大、埋深浅等特点。隧道穿越陆域段全强风化花岗岩地层、翔安端浅滩段富水砂层和海域段风化槽/囊。本文通过现场试验、监控量测、数值计算和理论分析等手段，分别对明洞不均匀沉降、富水砂层施工技术、海底隧道合理埋置深度、陆域浅滩段软弱围岩异常变形及地层沉降规律进行研究。取得了如下创造性成果：　　（1）明洞基底抗力系数的差异是引起明洞不均匀沉降的主要原国，进而引起明洞结构的开裂。根据明洞结构计算变形与实测变形比较，提出通过数值方法反演明洞结构基底抗力系数的方法。采用反演得出的基底抗力系数对回填土后的明洞结构受力进行计算，研究表明：主隧道明洞结构在回填土后整体变形和差异变形都将进一步增加，整体变形达到64~147mm，和现况实测变形比增加值为48~93mm，加载后轴线70m内最大差异沉降达到83mm。主洞在回填土后结构拱顶受弯压破坏的安全系数为1.975，考虑到计算误差和模型偏于保守，认为回填土后主洞结构是安全的。　　（2）隧道穿越浅滩砂层段，易发生突水、流砂等事故。通过CRD工法和双侧壁法数值模拟对比分析，围岩监控量测分析，和注浆试验研究，创造性地提出穿越砂层综合配套施工技术：在地表采取防渗地下连续墙封闭成仓，降水井疏干砂层含水，将水位降低到砂层底标高以下，使隧道开挖处于少水或无水状态下进行；在洞内采用超前小导管预注浆对砂层进行固结处理；采用CRD法开挖。实践证明，上述施工方案是可行的。　　（3）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，影响海底隧道造价和安全。研究影响海底隧道合理埋置深度的各种因素及其相互关系，建立了通过工程类比和数值计算确定最小岩石覆盖厚度的方法，并验证了厦门海底隧道设计埋置深度的合理性。　　（4）研究在海水作用下，隧道围岩渗流-应力相互作用，建立了海底隧道流固耦合本构方程。研究海底隧道开挖卸荷作用下岩体的损伤和塑性变形的耦合效应，建立多裂隙岩体三维弹塑性损伤本构方程。对厦门海底隧道围岩进行流固耦合和断裂损伤分析，计算表明隧道开挖后洞周应力量值较小，也不会产生较大位移和塑性区，可以认为将隧道轴线提高4 m后，隧道是稳定的。　　（5）厦门翔安海底隧道陆域和浅滩段施工期间部分隧道断面出现了异常变形，部分地点还出现了喷射混凝土开裂，临时支护变形严重等情况。分析了部分隧道断面出现异常变形的原因，建立了CRD1→CRD3→CRD2→CRD4开挖步续，井点降水，仰拱注浆，锁脚锚杆的组合控制措施，取得了很好的效果。　　（6）海底隧道施工必然引起海床面的沉降和变形，严重时会造成海床的开裂进而诱发突水，因此控制海床面的沉降是隧道安全施工的重要措施。海底隧道海域段地层沉降不易监测。通过对软弱地层隧道围岩变形与地层沉降变形规律的研究，验证了地层沉降具有明显的分层传递性和发展的时间阶段性特点，建立通过隧道围岩变形反演地层沉降的方法。在海域段施工，依据上述方法，通过海域段隧道围岩的监控量测推测地层沉降的变化趋势，评估隧道突水风险。　　厦门翔安海底隧道是中国第一条大断面海底隧道，陆续建设的还有青岛胶州湾隧道、大连海湾公路隧道等。本文结合隧道施工过程、监控量测开展隧道围岩变形和稳定性研究，取得的成果将为后续海底隧道建设所借鉴。
作者：	郭衍敬
专业：	采矿工程
导师：	宋振骐
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东科技大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文