3海底隧道设计难点分析-张顶立

7 复合注浆技术
基于海底隧道防水的特殊要求，提出了复合注浆的 技术思路，即采用劈裂注浆实现加固和挤压注浆实现堵 水，在厦门海底隧道穿越F 水，在厦门海底隧道穿越F1风化槽的施工中得到了成功 的应用，取得了非常满意的注浆加固和堵水效果。
渗透浆液 劈裂的浆脉
8 不良地质段围岩加固圈的作用
• 承载作用. 提高围岩的稳定性，降低衬砌结构荷载。 承载作用. • 防渗作用. 有效地减小渗透系数，渗水量大幅减小，使 防渗作用. “限量排放”成为可能；同时可减小结构的水荷载。 限量排放” 这里要说明加固圈可减少渗透系数和渗流量，其中渗流 量是更重要的指标，即使不能形成闭合的结构，仍可使 减小渗流速度，只要实行排放就可使压力大幅度降低。 • 提高耐久性. 使隧道整体支护结构加强，结构受力状况 提高耐久性. 改善；衬砌背后围岩的密实性提高，有利于长期稳定。 因此，应根据不同的围岩条件分别确定加固圈的参数以 及形成方式。
———水荷载的实质是渗流体积力
• 严格地说，仅当衬砌不透水时，水对衬砌的作 用力才是表面力, 用力才是表面力,才可以使用折减系数进行求 解。 • 由于围岩和衬砌都是透水介质，当隧洞衬砌和 围岩紧密结合时，可以认为地下水的渗流运动 是连续的，不仅存在于岩体中，同时也存在于 衬砌中，其力学作用可以理解为一种体积力。
6 水荷载形成机理及作用特点
对海底隧道而言, 对海底隧道而言,支护结构除了承受围岩 压力外，还会承受很高的水压力。作用于支护 结构上的围岩压力可以被地层拱作用降低, 结构上的围岩压力可以被地层拱作用降低,而 静水压力荷载并不受此影响, 静水压力荷载并不受此影响,不能用任何成拱 作用来降低 。 可以说 ，海底隧道水压力设计值的大小 是决定衬砌结构强度的关键 ，水压力设计值 大小不仅与水头有关 ，还与防排水方式方式、 注浆效果、围岩、衬砌的渗透系数等有关。
———渗流计算分析
• （1）对衬砌透水情况而言，围岩渗透系数越高， 围岩透水性越好，这样作用在衬砌结构上的孔隙 水压力也越大，涌水量也就越大； • （2）对衬砌结构本身而言，其渗透系数越小，作 用在衬砌结构上的孔隙水压力也越大，涌水量则 相对减小； • （3）注浆可以在一定程度上起到减小围岩渗透系 数的目的，增大注浆圈半径和改善注浆工艺均可 以达到降低作用在二衬结构上的孔隙水压力以及 减小涌水量的目的。
3 海底隧道设计困惑
① 初期支护荷载确定，变形量控制及设计原则； ② 初期支护水荷载的处理方式，是否要承受全部水荷载？ 如何折减？ ③ 二次衬砌水荷载的确定方法，折减计算方法以及防排 水原则； ④ “限量排放”及其实现方式,全封堵条件下如何考虑 限量排放”及其实现方式, 排水? 排水? ⑤ 初期支护与二次衬砌的荷载分配方式及其转化规律； ⑥ 隧道围岩变形(拱沉及收敛)、结构受力与地层变形的 隧道围岩变形(拱沉及收敛) 关系，如何控制隧道上覆岩层及海床的变形和破坏； ⑦ 水荷载作用下合理断面形式的确定。
5 海底隧道结构设计原则
• 1）对于Ⅳ、V级围岩地段而言，初期支护能够单独承 ）对于Ⅳ 担施工期间全部的围岩荷载和全部的渗流场力；二次 衬砌也可以单独承担全部的围岩荷载和全部的静水压 力。（全包防水） 力。（全包防水） • 2）对于Ⅱ、Ⅲ级围岩地段而言，初期支护能够单独承 ）对于Ⅱ 担施工期间全部的围岩荷载和全部的渗流场力；二次 衬砌可以单独承担全部的围岩荷载和部分的静水压力。 （半包防水） 海底隧道原则上应考虑采用堵水方案，可以预留 排放的条件，因为长期大量的排水不仅费用昂贵，而 且水土流失会恶化“支护— 且水土流失会恶化“支护—围岩”关系，影响耐久性。
10 海底隧道的“围岩-支护”作用体系 海底隧道的“围岩-支护”
k
r 1
η
r 1
kr2 η
r 2
kg η
1
g 1
k η
2
kp
2
ηp
ks
Burgers
Burgers
Kelvin
Hookean
“围岩-支护”系统 图
———海底隧道的“围岩-支护”特点分 海底隧道的“围岩-支护”
P
析
“围岩-支护”特性曲线
2 海底隧道修建的难点和重点
海底隧道的主要技术难点就是水的问题，其中包 括施工期间如何防止突涌水和运营期间尽量减少水的 排放量。这在设计和施工中应予以高度重视。 ① 可靠的超前地质预报和地质保障系统。 ② 确定合理的隧道埋置深度。 ③ 可靠的注浆加固和围岩稳定性控制技术。 ④ 隧道在施工和运营阶段可靠的防排水。 ⑤ 隧道结构(正常条件)设计和抗震(非正常条件)设计 。 ⑥ 施工质量控制和安全风险管理。
4 极限顶板厚度
• 针对目前我国海底隧道覆盖层厚度相对较小，提出极 限顶板厚度的设计理念，并明确了最小顶板厚度、合 理顶板厚度的概念。 • 极限顶板厚度主要是针对不良地质体而言， 是在考虑 地层加固等特殊措施的前提下所允许的最小顶板厚度。 该确定方法可以针对我国海底隧道的大断面和小埋深 的特点为隧道纵断面选线提供理论依据。可使顶板厚 度确定与安全风险、技术难度和管理要求相联系。
———合理注浆圈厚度
通过试验和理论研究确定了注浆加固圈的 合理厚度，提出隧道正洞施工中最小加固圈厚 度应为6m，基于此将原设计的5m改为6m，保 度应为6m，基于此将原设计的5m改为6m，保 证了隧道的安全施工。
9 注浆效果评价
提wenku.baidu.com了不良地质体注浆效果评价的3 提出了不良地质体注浆效果评价的3指标观点，即 堵水率、加固体强度和加固体稳定性，可保证施工安 全。并根据理论分析和试验提出采用“浅孔帷幕预注 全。并根据理论分析和试验提出采用“浅孔帷幕预注 ”取代“全断面注浆” 浆”取代“全断面注浆” ，并逐渐过渡为上半断面注 浆，即在施工过程中对水实行“堵排结合，上堵下排” 的原则。
———荷载设计说明
• 初期支护承担全部的围岩荷载和全部的渗流场力体现 施工阶段初期支护和围岩共同承担全部荷载，初支参 数应结合围岩级别和地下水情况综合考虑。 • 二次衬砌承担全部荷载主要是针对于运营期间提出的， 复合式衬砌结构的受力转换是逐渐进行的，二次衬砌 一般是在初期支护受力、变形稳定后施作的。二衬施 作后，由于岩土材料的流变特性，初期支护继续变形， 二次衬砌逐渐参与结构受力，且其分担的荷载随时间 增加。而随着地下水对初期支护的侵蚀，荷载将全部 转移到二次衬砌结构上来。此时，二次衬砌将承担全 部的荷载。
海底隧道设计难点分析
张顶立
北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心
2008年8月
1 海底隧道工程特点
• 持续稳定的水压力，水源补给无限； • 水荷载不能因任何成拱作用而降低，衬砌结构长期承 受高水压； • 准确勘测更困难，遇到事先未预测到的不良地质情况 使风险性更大； • 不良地质体在水的作用下自稳能力弱，可能引起大变 形、坍塌，甚至突水； • 隧道渗水不能自然流出，必须人工排水，这在防水设 计中应予以考虑。 • 海水具有腐蚀性，结构耐久性降低，设计中必须考虑。
①
②
③
④
U
海底隧道设计宜遵循强支护的原则： 海底隧道设计宜遵循强支护的原则：①施作较强的初期支