大型跨海隧道修建关键技术-张顶立

r2
η
Burgers体
2
Burgers体
Kelvin体
Hookean体
“围岩-支护”系统 图
9 海底隧道的“围岩-支护”特点分析
P
“围岩-支护”特性曲线
①
②
③
④
U
海底隧道设计宜遵循强支护的原则：①施作较强的初期支 护，可以有效地控制地层变形，维持上覆地层的稳定；②从长 远的角度来说，二次衬砌应能够承受全部的荷载，包括地层荷 载和相应部分的水荷载，而不是全部的水荷载。
• 二次衬砌承担全部荷载的概念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，二次衬砌将分担全部的荷载。
7 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。
• 防渗作用. 有效地减小渗透系数，渗水量大幅减小，使 “限量排放”成为可能；同时可减小结构的水荷载。 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。
• 海水具有腐蚀性，结构耐久性降低，设计中必须考虑。
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，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。
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 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 关系，如何控制隧道上覆岩层及海床的变形和破坏；
4 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 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）
• 2）对于Ⅱ、Ⅲ级围岩地段而言，初期支护能够单独承 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）
大型跨海隧道修建关键技术
张顶立
北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 2007年6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，这在放水设计 中应予以考虑。
• 提高耐久性. 使隧道整体支护结构加强，结构受力状况 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。
8 海底隧道的“围岩—支护”作用体 系
围岩 注浆加固圈 初期支护系统
2
二次衬砌
kr1
η
kr2
r1
kg1 η
k
g1
kp η ks
p
ຫໍສະໝຸດ Baidu
η
5 水荷载形成机理及作用特点
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,而 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。
• （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。
海底隧道原则上应考虑采用堵水方案，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—围岩”关系，影响耐久性。
———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的概念是 从新奥法的设计思想出发的，其实质是在施工阶段初期支 护和围岩共同承担全部荷载（包括围岩荷载和渗流体积 力），因此，初期支护参数的确定需要结合围岩级别和地 下水情况综合考虑。
6 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,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。
———渗流计算分析
谢谢！
Thank you !
10 初期支护特性分析结论
• 1、支护阻力时随支护刚度增大而增大，刚度越大 对控制围岩变形越有利； • 2、同样的支护刚度，支护结构架设的越早，它 所承受的围岩压力就越大，对控制围岩变形越有 利； • 3、支护结构受力随支护刚度增大而增大是有限 度的，即并不随支护刚度的增大而成比例增大， 刚度达到一定值之后，支护结构受力的改变已经 很小； • 4、与支护结构受力一样，支护结构的变形随刚 度增大而减小是有限度的； • 5、建议施工方根据监测数据选择合理的支护刚 度和支护时机。