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。     

海底隧道衬砌上孔隙水压力的估算

 从长期观察的结果来看，隧道表现出两种不同方式：一种是对于全封闭隧道表现出渗流量的增加；另一种是对于排水隧道表现出的渗流量减少。渗流量的增加有可能超出排水系统排水能力的情况，而渗水的减少则有可能导致衬砌发生不可预测的水压力增加或减小。由于这种渗流量的增加或减少都将对隧道产生不良的影响。因此，在隧道正常运行中，应对隧道周边的地下水进行适当地控制。在隧道安全性评价上，其最重要的因素之一就是研究排水系统劣化而导致衬砌的作用水压力增大(在此称为孔隙水压力)。为了保障隧道的安全运行，应该对此进行严密的监控。然而，对于大部分运行已久的海底隧道而言，其不仅缺乏装备优良的监视系统，甚至连运营仅几年的新隧道也常常出现监测仪器发生故障的问题。以间接和非破坏的方式，通过数值模拟，将所获得的孔隙水压力进行曲线拟合，以便对作用于衬砌的孔隙水压力进行合理地评价。对于给定的隧道内渗流量、地下水位及地基渗透系数，采用本法可以评估孔隙水压力。对于缺乏监测数据和监视系统运行较长的隧道，所提出的方法较为适用，最后通过实例来说明其合理性。     

海底隧道衬砌结构静力分析

1前言世界发达国家自上世纪三十年代起,就开始修建海底隧道。日本在1936年9月开始动工修建关门海底隧道,于1994年全部竣工,是世界上最早的海底隧道之一。日本青函隧道全长53.85 km,海底部分长23.0 km,位于火山岩、沉积岩中,有多处裂缝、断层。挪威是世界上采用钻爆法修建海底隧     

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。     

海底隧道衬砌混凝土耐久性研究

海底隧道不同于陆地隧道,由于它处在更加恶劣的环境中,耐久性问题尤为重要.耐腐蚀高性能海工混凝土材料的优化配制是增强海底隧道衬砌混凝土结构耐久性的关键.针对海底隧道衬砌混凝土的服役环境特点,提出了衬砌混凝土的强度及耐久性指标要求,并通过试配对不同水胶比、不同粉煤灰和矿粉掺量的混凝土开展了耐久性能试验,在结果分析的基础上,提出了耐腐蚀高性能衬砌混凝土的初步配合比设计原则.并对需要深入开展的海底隧道衬砌混凝土耐久性研究内容进行了展望.     

胶州湾海底隧道衬砌混凝土的环境条件与耐久性

 隧道的衬砌混凝土一侧接触水或含水土，另一侧接触空气，是典型的干湿交替环境。青岛近年的月平均相对湿度为62%～86%，在正常通车和排风条件下，隧道中或洞口处的CO2浓度为大气中的5倍以上，混凝土易碳化从而导致钢筋锈蚀。海水及地下水中含 ，K+，Na+等，易导致混凝土硫酸盐腐蚀和碱骨料反应破坏。因此，在该隧道衬砌混凝土的耐久性设计中需考虑碱骨料反应、Cl－侵蚀、硫酸盐腐蚀、碳化、冻融、软水腐蚀、高压渗水、积水、火灾等因素；在混凝土的原材料选择、质量控制、配合比及有关性能指标确定、构造措施、施工质量保障及验收标准等方面应严格把关；此外还应考虑表面防水处理、预埋耐久性监测系统等耐久性附加措施。耐久性试验研究表明：混凝土的碳化深度随强度增加而下降；增加胶凝材料中的水泥用量、降低水胶比则有利于提高混凝土抗碳化性能。混凝土Cl－扩散系数与抗压强度成指数函数关系，当隧道混凝土强度等级高于C50，其Cl－扩散系数可小于4×10－12 m2/s。     

海底隧道排水衬砌渗流场解析

现有海底隧道渗流场计算模型未考虑上覆土层对围岩压力水头的影响。本文采用保角变换法,根据层间流量相等原则求得在上覆土层条件下带衬砌隧洞的渗流量及其周边水头分布,并验证其可靠性。计算结果表明:(1)海底土层的渗透系数对渗透量影响较大,尤其当土层水力通道不佳时要考虑土层的影响;(2)衬砌水压力折减系数随衬砌渗透系数变化逐步趋于稳定,折减系数宜取其与渗透量的交线处,此时衬砌与注浆圈渗透系数比值k_{L/kg=0.075;(3)注浆圈比衬砌承担更大的水压力,注浆圈厚度加大能有效减小渗透量,当kL/kg<0.05时,注浆圈厚度的增加对渗透量影响不大。}     

深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论

铁路，公路跨越山岭地，越岭隧道方案被大量采用，而深埋隧道的高水压和突，涌水则成为亟待解决的问题。合理设计有外水压力隧道的关键在于：（1）随道围岩渗流场的分析；（2）外水压力作用系数的研究。隧道衬砌的静力计算和围岩压力及水荷载密切相关，在衬砌的设计中，既可以将围岩压力和外水压力分算，也可以考虑二者的耦合作用，进行水－岩合算。根据前人的研究成果，总结和讨论了隧道衬砌水荷载计算中的基本理论。     

侵彻爆炸荷载作用下坑道衬砌破坏机理及影响因素分析

运用动力有限元数值方法，研究了拱形坑道衬砌在爆破荷载作用下的破坏机理与影响破坏范围的主要因素。计算结果表明；在炸药距离坑道较近的情况下，衬砌的主要破坏形式表现为纵横方向的弯曲拉伸、竖直向的压缩剪切和内表面的层裂等复合破坏模式。随着装药距离增大，衬砌破坏范围先增大后减小，其破坏形态由压剪破坏逐渐转为拉伸破坏；混凝土衬砌中配筋率的提高对抗震塌能力有一定的提高。随着衬砌厚跨比的增大，混凝土衬砌的破坏范围逐步减小，衬砌更倾向于剪切破坏。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

土層性質對潛盾隧道襯砌環片設計之影響

潛盾隧道襯砌係由環片組合而成,因此襯砌環片混凝土強度及厚度對於潛盾隧道安全意義重大。针對土層性質、潛盾隧道埋置深度等因素對於隧道襯砌環片受力之影響進行有限元法數值分析模擬探討,從而歸納建議襯砌環片初步設計時應有之合理厚度及強度,為潛盾隧道設計與施工提供合理之參考依據。     

青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术

 针对青岛胶州湾海底隧道施工过程中存在的断层破碎带涌水,通过理论分析、室内和现场试验及实际应用对普通水泥浆、超细水泥浆、特制硫铝酸盐水泥浆及水泥–水玻璃双液浆4种注浆材料进行研究试验,确定以超细水泥为主进行超前预注浆。并经过实践确定并验证注浆关键参数：浆液扩散半径为1.5～2.0 m,注浆终止压力为3～4 MPa,注浆加固厚度为5～6 m。对分段前进、分段后退及全孔一次性注浆3种注浆方式进行试验比选,确定全孔一次性注浆、分段前进为主的注浆方式。在施工过程中,研究开发以三臂凿岩台车和高速制浆机制浆、高压注浆泵注浆、注浆记录仪自动记录注浆参数的信息化钻孔注浆设备配套系统,通过采取分区钻孔、分区注浆、钻注平行作业,实现超前预注浆的信息化快速施工。注浆效果检查以检查孔出水量(检查孔出水量满足设计每延米不大于0.15 L/min且局部出水量小于3 L/min)、检查孔压水试验为主,辅以TSP物探对比法、钻孔电视分析法、开挖揭示法及P-Q-T曲线分析法。经过31段注浆,证明材料、参数、注浆方式的选择是可靠的。     

水下隧道渗流场解析解及其应用

 以复变函数和地下水水力学理论为基础,推导由围岩、注浆圈、衬砌混凝土组成的水下隧道渗流场解析解。以厦门海底隧道F4风化囊地段为工程背景,研究影响围岩、注浆圈、衬砌的渗流参数对衬砌外水压力和渗流量的影响。研究结果表明,注浆圈和初期支护施工效果对衬砌后水压力和渗流量的影响很大,应重视注浆圈和初期支护的施工。当排水系统堵塞,渗流量减小时,初期支护和二次衬砌的外水压力会重新分配。结合理论计算和现场实测水压力结果,提出在堵水限排情况下,初期支护水压力可降至静水压力的1/3。     

挪威海底隧道经验在厦门海底隧道建设中的应用

挪威在世界上拥有最多的海底隧道,最近30a共修建了40条海底隧道,总长达240km。尽管大部分隧道位于较好的地层条件,但也遇到与断层相关的复杂地质条件。挪威海底隧道规划与施工中的一个主要特点是封闭可能的渗水,多年的实践发展出一套系统的探测和封闭渗水的方法,挪威所有的海底隧道都应用了这一方法。据此,介绍该方法,同时介绍处理更为复杂地质情况的隧道建设经验,包括防止隧道的进一步坍塌以及所采取的冻结地层方法,进而还讨论有关把挪威海底隧道经验应用到厦门海底隧道规划与建设中的问题。厦门海底隧道某些段所处地质条件较差,极具挑战性。挪威顾问集团专家协助并正参与把挪威经验应用到厦门海底隧道的建设中去。     

列车振动荷载作用下隧道衬砌结构动力响应特性分析

论述隧道衬砌结构动力有限元分析的理论与数值计算方法，并以京广线朱亭隧道列车振动荷载现场测试成果为基础，通过对3种不同断面形状的隧道衬砌结构的动力响应特征进行分析研究，可获得隧道衬砌结构竖向位移、竖向加速度及各种内力时程曲线。研究成果对评价既有提速铁路隧道衬砌结构的动力稳定性和完善铁路隧道结构的设计理论具有一定的指导意义。