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海底隧道渗流场分析及施工数值模拟

何红忠  
【摘要】: 随着地下工程施工工艺的发展和工程理论的逐步完善,海底隧道以其稳定的交通量和不受天气气候影响的独特优势,成为人们实现跨海交通运输的首选方案。然而由于海底隧道所处环境的特殊性,与陆地隧道相比在设计和施工上都存在着更大的困难和风险。深水海洋地质勘察难度大、成本高、准确性低,较高的孔隙水压力和渗透水压力会降低围岩的有效应力,导致海水通过高渗透性地层或与开阔水面有渠道相连的地层大量流入,削弱隧道围岩的成拱作用,降低地层的稳定性,增大隧道支护结构承受的荷载,如遇断层破碎带等不良地质地段,隧道就会承受巨大的水压力,有突水失稳甚至坍塌被淹没的危险。因此,本文对海底隧道建设中的隧道涌水量、衬砌背后水压力和施工力学特性三方面的有关问题进行了探讨,主要研究内容如下: (1)根据海底隧道的特点,在一定假设条件下,推导了海底隧道开挖后围岩、注浆圈、衬砌内的渗流场分布计算公式,通过与数值解的对比分析,验证了公式的正确性。 (2)推导了隧道涌水量计算公式,在此基础上分析了隧道涌水量与注浆圈、围岩各参数的关系,得出了隧道涌水量与围岩渗透系数、注浆圈渗透系数、注浆圈厚度及隧道覆盖层厚度的关系曲线,并且对注浆圈参数的选取提出了建议。 (3)根据前面推导的衬砌内渗流场分布计算公式,分析了隧道在“全封堵”和“限量排导”两种防排水方式下衬砌背后水压力与各量值的关系,得出了衬砌背后水压力与围岩、注浆圈的渗透系数、注浆圈厚度和隧道控制排水量大小的关系曲线,结果表明,在“全封堵”情况下,不论隧道注浆与否衬砌背后水压力都不能折减,而在“限量排导”情况下,衬砌背后水压力随隧道排水量的增大而减小,在允许排水量范围内,适当地增大隧道排导系统的排水能力,可以显著地减小衬砌背后水压力。 (4)采用理论分析、经验公式和数值模拟三种方法,对青岛胶州湾海底隧道涌水量作出了预测,指出了施工时可能发生较大涌水和突水的危险地段。采用数值模拟的方法,对青岛胶州湾海底隧道衬砌外水压力进行了模拟,给出衬砌背后水压力折减系数的建议值。 (5)根据弹塑性理论和渗流力学推导了渗流、应力联合作用下围岩处于弹塑性状态时的塑性区半径以及弹、塑性区内的应力、位移解,对比分析了隧道在考虑渗流影响和不考虑渗流影响的情况下围岩的应力、位移以及支护结构特性的差异,研究表明,渗流作用恶化了围岩的受力情况,增大了支护结构的支护阻力,对围岩稳定性和支护结构的受力都是不利的。 (6)利用有限差分软件FLAC3D对隧道动态施工全过程进行数值模拟,得出了围岩位移场、应力场、塑性区和初期支护内力随隧道开挖的变化过程,为同类工程设计和施工提供了一定的参考依据。


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