3海底隧道设计难点分析-张顶立
大型海底隧道钻爆法修建关键技术
大型海底隧道钻爆法修建关键技术张顶立;房倩;陈铁林【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2014(038)001【摘要】针对海底隧道建设和运营中的突出问题,以工程安全和排水量控制为核心,对其关键技术进行了系统的研究和实践.限于通道两岸接线的条件,提出了“极限顶板厚度”的概念,使隧道纵断面位置的选择更加自如;基于精细化的地质勘察,提出了物探与钻探相结合,以钻探为主的超前探测方法;针对海底隧道施工对围岩稳定和堵水的双重要求,提出了“复合注浆”的新理念,并形成了相应的周边帷幕注浆技术;通过对地层变形及动态演化过程的研究,建立了施工扰动下海床安全状态与隧道围岩变形的量化关系,制定了保证隧道安全性的围岩变形控制标准;提出了隧道原始渗水量的分级方法,建立了基于排水量控制的围岩加固圈和支护结构设计方法,明确了初期支护的主承载作用,二次衬砌结构通常仅作为安全储备;针对海底隧道的高风险特点,建立了工程安全控制体系,形成了相应的管理基准和我国海底隧道钻爆法修建的技术模式.【总页数】7页(P1-7)【作者】张顶立;房倩;陈铁林【作者单位】北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044;北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044;北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044【正文语种】中文【中图分类】U459.5【相关文献】1.我国修建跨海峡海底隧道的关键技术问题 [J], 廖朝华;郭小红2.胶州湾海底隧道钻爆法施工关键技术创新 [J], 卿三惠;谢文清;辜文凯;黄世红3.钻爆法修建海底公路隧道施工关键技术 [J], 高海东4.采用钻爆法修建海底隧道施工技术 [J], 董贤顺5.海底隧道钻爆法与盾构法交接技术及应用 [J], 杜宝义;宋超业;贺维国;李凯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
隧道复杂支护结构体系的协同作用原理_张顶立
= x sin 2 y cos 2 2 xy sin cos =( y x )sin cos xy (cos 2 sin 2 )
离。整个模型的最外侧半径为内侧半径为。Cn、C0、Ci 分别表示模型侧最外侧边界、最内侧边界、i 与 i+1 层之间的边界。 那么可以得到 C0、Cn 两处的应力边界条件为：
1 1 i q
(8) (9) (10) (11)
其中 ρ=r。
n n i q
i (z) i (z)
Ai z Bi z
(12) (13)
i i 上式中 A 、 B 都表示复系数，路见可、陈子荫等人[2]中通过待定系数法来比较常系数已经证明其中除了 i i i A1i 、 B 1 之外，所有的 A 、 B 都值均为 0( Im A 1 0 )。
析复杂支护结构的协同作用关系，建立了包括初步加固圈、初期支护圈和二衬储备圈的复合支护圆环模型，并通 过求解同心复合圆环问题，给出了模型任意圈层的内力和变形关系表达式；依据围岩变形特点划分为 3 个阶段， 分别为超前变形阶段、急剧变形阶段和缓慢变形阶段，在此基础上明确了各阶段支护作用的重点；给出了复合支 护体系在不同刚度、不同强度以及不同施作时机条件下的支护特征曲线；建立了超前支护内部协同承载模型，分 析认为“超前支护壳体”与“掌子面前方岩土体”在支护刚度上的相互增益提高了超前支护整体的稳定性。通过 研究核心岩土体与后续支护圈层的空间位置替换关系，从刚度需求角度揭示了围岩有必要提高自身的强度或发生 一定的变形才有可能再次达到平衡状态的原因。 关键词： “支护-围岩”作用；复合支护体系；圈层模型；支护协同作用。
海底隧道修建技术国际研讨会资料海底隧道会议讲稿-张顶立
地层变形的传递关系
1.2 1.0
地表沉降/拱顶下沉
0.8 0.6 0.4 0.2
0.0 日期 07-2-8
07-2-13
07-2-18
07-2-23
07-2-28
07-3-5
07-3-10
07-3-15
隧道开挖面前方因较大的水平变形而引发地表沉降，而此时 对应位置的拱顶因尚处于三维受力状态而沉降很小，甚至小于 对应位置的地表沉降量； 随开挖面接近，拱顶沉降迅速增大，而后稳定在拱顶下沉值的 87%左右，显然地表沉降量包含失水固结所引起的部分。
在海域隧道施工中，海床沉降和隧道上方土体的实
际拱顶沉降量都难以直接监测到，通常是在隧道内
监测隧道开挖后的拱顶下沉量。这样一方面测到的
仅为部分沉降量，因大部分沉降在隧道已经发生； 另一方面由于初支背后的空隙以及松散地层的压缩， 这些都造成所测得的拱顶结构沉降小于实际的拱顶 地层沉降量，如图所示。显然，建立地表沉降、拱
超前帷幕注浆加固，分别在不良地质体到达之前和结束之 后各5 m左右的范围开始和结束注浆；同时在必要时进行超 前小导管注浆加固。 隧道开挖后及时初喷混凝土，尽早施作初期支护，并在距 掌子面1.0～2.5 m范围内进行初支背后回填注浆，以实现初 期支护与围岩的密贴。 上台阶施工时要及时施作锁脚锚管并严格注浆，杜绝初期 支护结构的整体沉降；下台阶施工时应尽可能减少上部结 构的无支护时间，以控制总体沉降量。 出现小范围的冒顶和渗水要及时封堵，以避免大范围的地 层坍塌和漏涌水，保持上覆地层的完整性。
主要结论与认识
不良地质体及地层结构界面是海底隧道施工中最为 薄弱的环节，核心问题是控制地层的稳定性，而控 制地层变形是关键，因多数安全事故都与此有关。 受隧道施工的影响在海床位置和隧道周围分别产生 拉破坏区和塑性区，两破坏区的沟通即造成隧道突 水,突水通常由地层结构界面滑移、地层过渡变形和 地层坍塌等3种方式诱发,都以地层变形表现出来。
基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析_房倩
第26卷增2岩石力学与工程学报V ol.26 Supp.2 2007年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007 基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析房倩1，张顶立1，黄明琦2(1. 北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；2. 山东科技大学土木建筑学院，山东青岛 266510)摘要：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。
关键词：隧道工程；海底隧道；渗流；水压力；涌水；注浆圈参数中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)增2–3776–09ANALYSIS OF SEEPAGE PROBLEM INDUCED BY SUBSEA TUNNEL EXCAVATION BASED ON CONTINUUM MEDIUM MODELFANG Qian1，ZHANG Dingli1，HUANG Mingqi2(1. Tunneling and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China；2. College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong266510，China)Abstract：One of the most prominent characters of subsea tunnel is that there is enriched water body because of the infinitude of the ocean above. There are mainly about two seepage problems induced by subsea tunnel excavation：one is determination of seepage pressure，another is the water inflow. Isotropic continuum medium model is adopted to analyze these two problems mentioned above. The essential of water pressure is studied；and conclusions are drawn. According to the latest research，some analytical models which are based on steady-state groundwater inflow into a drained circular tunnel in a semi-infinite aquifer connected with water pressure and water inflow are compared. The subsea tunnel in Kiaochow Bay is taken as background of the study. The influence of stress filed on seepage field is studied；and the effects of changes of surrounding rock permeability coefficient，water depth，permeability coefficient and thickness of grouting ring are analyzed which can be adopted for this particular project. According to the research，the pore water pressure and water inflow induced by tunnel excavation can be hardly affected by arching effect. Without consideration of fluid-solid coupling effect，if收稿日期：2007–06–18；修回日期：2007–07–23基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA11Z119)第26卷增2 房倩，等. 基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析 • 3777 •keeping the water level above horizontal plane fixed，the distribution of pore water pressure will not change with permeability coefficient of surrounding rock. The water inflow increases with the change of permeability coefficient of surrounding rock or water depth above surrounding rock. Both the decrease of permeability coefficient and the increase of thickness of grouting ring can reduce ground water inflow，but there exists an optimal value in grouting parameters. In practice，the decision should be made carefully between economy and bulkhead effect to confirm the optimal grouting parameters.Key words：tunneling engineering；subsea tunnel；seepage；water pressure；water inflow；grouting ring parameters1 引言海底隧道区别与普通山岭隧道的一个显著的特点就是：隧道上方为无尽的海洋，有着无限的水源对隧道进行补给。
基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究
文章编号:167320291(2009)0420001206基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究孙 锋1,陈铁林1,张顶立1,张中检2,李鹏飞1(1.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044;2.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点研究实验室.北京100029)摘 要:基于流体流变方程和平板窄缝模型,推导出宾汉体浆液劈裂注浆扩散半径计算公式,并提出了求解方法.计算表明,注浆压力差随浆液流变参数的增大呈线性增大,要达到一定劈裂长度,水灰比越小所需注浆压力越大;裂隙宽度的减小使所需注浆压力差迅速增大,并使扩散半径迅速减小,这种影响随着水灰比的增大而减小.结合厦门翔安海底隧道全风化花岗岩地层HSC (High Strength Concrete )水泥注浆试验,证明了这一理论的计算结果符合工程实际.关键词:海底隧道;劈裂注浆;宾汉体;扩散半径;流变参数中图分类号:TU435 文献标志码:AStudy on Fracture G routing Mechanism in Subsea TunnelB ased on Bingham FluidsS U N Feng 1,CH EN Tieli n 1,ZHA N G Di ngli 1,ZHA N G Zhongjian 2,L I Pengf ei 1(1.Tunnel Engineering Research Center of Ministry Education ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China ;2.K ey Laboratory of Engineering G eomechanics ,Institute of G eology and G eophysics ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100029,China )Abstract :Based on the assumption of bingham fluid and narrow plate model ,formula for calculating the diffusion radius in low permeability soil is deduced ,and solution method is pointed out.Grouting pressure difference varies with the rheological parameters linearly.With the decrease of gap width ,grouting pressure difference increases rapidly and diffusion radius decreases notably.The rheological parameters of grouting have a remarkable influence on the test bing with the study on the HSC (High Strength Concrete )grouting test adopted in strong -weathered granite in Xiamen Xiangan subsea tunnel ,this formula has proved to be successful in practice.K ey w ords :subsea tunnel ;fracture grouting ;Bingham fluid ;diffusion radius ;rheological parameters 收稿日期:2009-05-19基金项目:国家自然科学基金资助项目(50778011)作者简介:孙锋(1978—),男,山东肥城人,博士生.em ail :sunmartin @.张顶立(1963—),男,江苏徐州人,教授,博士,博士生导师. 劈裂注浆是目前应用最广泛的一种注浆方法[1],特别适用于致密低渗的黏土、粉细砂和强风化花岗岩等地层的加固.它的原理是当在弱透水性地基中施加持续增大的注浆压力使土体产生水力劈裂后,浆液在劈裂面上所施加的压力就会推动裂缝迅速张开而形成注浆裂缝,通过所形成的浆脉挤压土体及浆脉的骨架作用来加固土体.随着注浆材料日新月异的发展,非牛顿体浆液大量出现,这些浆液性能在某些方面要大大优于牛顿流体.目前,世界各国都已致力于研究超细水泥(如High Strength Con 2crete 即HSC 特种水泥),并将它广泛的应用于各种建筑物的地基处理和地下工程施工中.目前注浆中常用的水灰比(W /C )为018～110的水泥浆、水泥黏土浆液、水泥复合浆液都属于宾汉流体[2].第33卷第4期2009年8月 北 京 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF BEI J IN G J IAO TON G UN IV ERSIT Y Vol.33No.4Aug.2009为了满足工程需要,必须针对不同的浆材制定合理的注浆参数.目前,已有的注浆研究理论主要集中在裂隙岩体的注浆加固及具有较好渗透性的砂土的渗透注浆.大多数研究都是针对牛顿流体或圆管层流,劈裂方式则假定以注浆孔为中心的平面径向辐射圆形裂缝面为主,研究对象也主要为注浆压力和浆液性能研究[3-7],而基于宾汉体浆液的海底隧道不良地层劈裂注浆理论研究并不多见.本文作者以宾汉体浆液在光滑平行板窄缝模型中的流动为假定,结合厦门翔安海底隧道全、强风化花岗岩地层HSC 水泥注浆试验,对垂直劈裂流动阶段浆液扩散和注浆压力的衰减规律进行了分析.1 宾汉体浆液扩散半径理论推导111 基本假定1)土体为各向同性体,建模中忽略了中间劈裂过程,而假设一次劈裂形成足够长的劈裂缝,考虑单一垂直劈裂浆脉的情况.2)浆液为宾汉流体,浆液在平板缝隙内的流速较小,流速恒定,为单向层流状态,符合水力平衡条件.如图1所示.图1 宾汉体浆液在平板中流动示意Fig.1 Schematic of law of grouting fluid movementin plates for Bingham fluid3)浆液在注浆扩散过程中流型不变,塑性黏度和静切力为常量,不考虑浆液流变参数的时变性.4)为了分析方便,忽略裂隙面上的粗糙面,简化成光滑平行板裂缝模型,并假设裂缝宽度均匀,即δ(r )=δ,δ(b )=δ.虽然假定忽略了劈裂注浆时浆液在土体中流动的紊乱性、裂缝扩展的不均匀性、裂缝中各种摩擦力和地应力分布的不均匀性,土体中浆液的扩散在实际状态中也不一定是平行板单一裂缝模型,但与劈裂注浆的实际状态比较接近.112 宾汉体浆液的流变方程宾汉体浆液是典型的塑性流体,其流变曲线是不通过原点的直线.流体具有这种性质是由于流体中含有一定的颗粒浓度,在静止状态下形成颗粒之间的内部结构.在外部施加的剪切力很小时,浆液只会产生类似于固体的弹性;当剪切力达到破坏结构后(超过黏聚力),浆体才会发生类似于牛顿流体的流动.宾汉体的流变方程可表示为[8]τ=τs +ηp γ(1)式中:τ为剪切应力,Pa ;τs 为静切力,Pa ;ηp 为塑性黏度,mPa ・s ;γ=d v/d y 为剪切速率.宾汉体浆液比牛顿流体具有较高的流动阻力,对于同样的扩散距离,宾汉体浆液需要较大的注浆压力.水泥浆由牛顿流体转变为宾汉流体的临界水灰比发生在W /C ≈1处,目前注浆中常用的W /C =018～110的水泥浆、水泥黏土浆液和水泥复合浆液都属于宾汉流体.113 宾汉体浆液的渗流公式首先考察平板窄缝中流体的层流运动,如图1所示.在板内取以板轴线为对称轴的流体柱.流体微元段上两端压力为p +d p 和p ,段上压差为d p.流体柱表面所受剪切应力为τ,其方向向左,与流速方向相反.在不考虑重力的情况下,由水力平衡条件,可得剪应力为τ=y d p/d r (2)由式(1)和式(2)可得γ=(1/ηp )[y (d p/d r )-τs ](3)式(3)表明,切应力的大小与平板缝隙厚度y 成正比,因而在平板缝隙中心附近流体切应力τ很小.对于宾汉体,当τ=y d p/d r ≤τs 时,流体不受剪切作用,即在平板缝隙中存在一个距离y p ,在0≤y ≤y p 处,流体相对于邻层流体是静止的,流体呈活塞式整体运动,速度v =v p ;而在y p ≤y ≤δ/2时,流体相对于临层处于运动状态,流体运动速度分布见图1.由式(2)有y p =τs /(d p/d r )(4)当平板缝隙中的流动为层流时,对式(3)利用分离变量求解,并考虑边界条件y =δ/2时,v=0,则v =1ηpd p 8d r (4y 2-δ2)+τsδ2-y (5) 当y p <y ≤δ/2时,直接用式(5)表示.当0≤y≤y p ,流体呈活塞式整体运动,即vp =1ηpd p 8d r (4y 2p -δ2)+τsδ2-y p (6) 所以圆管中的速度为截头抛物面形状,其流量为通过剪切区与活塞区的流量之和.通过平板宽度b 和平板缝隙厚度δ的单位时间流量为2北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷q =2∫δ/2y pvb d y +2bv p y p (7)将式(5)和式(6)代入式(7),得q =2b ηp d p 8d r 8y 3p -δ33-τsδ2+4y 2p 8(8) 平板缝隙截面上平均流速为v =2ηp δd p 8d r 8y 3p -δ33-τsδ2+4y 2p 8(9) 如果平板缝隙中流量q =0,则有d p d r =3τs (δ2+4y 2p )(8y 3p -δ3)(10)即为平板缝隙中宾汉体浆液流动的启动压力梯度.114 宾汉体扩散半径计算公式在注浆过程中,经过时间t 后的注浆量为Q =δbL = v A t(11)式中:A =δb 为裂纹断面面积;L = v t 为裂纹扩散半径.根据式(9)得Q A t =2ηp δd p 8d r8y 3p -δ33-τsδ2+4y 2p8(12) 对式(12)分离变量,并利用边界条件:当注浆压力p 达到土体起裂压力时,浆液在地层中产生劈裂流动.若p 0为土体劈裂注浆时的起裂压力,对应的浆液扩散半径为r 0;经过注浆时间t 后,扩散半径达到r 0+L 时,对应的注浆压力为p 1,则有Δp =p 1-p 0= 12L ηp δ v +3τs L (δ2+4y 2p )8y 3p -δ3(13)L =Δp (8y 3p-δ3)12ηp δ v +3τs (δ2+4y 2p )(14)ΔpL=12ηp δ v +3τs (δ2+4y 2p )8y 3p -δ3(15) 式(14)即为宾汉体浆液在致密土体中劈裂注浆时有效扩散半径计算公式.根据式(14)可知,扩散半径由注浆压力Δp ,裂隙宽度δ,浆液的流速 v ,流变参数τs ,ηp ,y p 等因素共同决定.当浆液为牛顿体时,即τs =0,y p =0时,由式(9)得平板单位宽度(b =1)流量为q =δv =-δ312ηp d pd r(16)这就是著名的岩体单一裂隙渗流立方定理,也就是说立方定理是本文的一个特例.115 公式的适用范围式(14)是假定流体为层流的基础上推导出来的,对于紊流不适用.根据文献[8],宾汉体由雷诺数Re 来区分层流或紊流,Re 小于2000时为层流,大于2000为紊流.2 计算分析1)不同流变参数对注浆压力差Δp 的影响1对于平板裂缝传浆模型,在 v=0101m/s ,δ=0101m ,y p =δ/3,L =4m 情况下,根据式(13)计算出不同塑性粘度ηp 和不同静切力τs 下注浆压力差Δp 的值如图2所示.图2 注浆压力差与流变参数的关系Fig.2 Relationship between grouting pressuredifference and rheological parameters从图2可以看出,随着浆体流变参数塑性黏度ηp 和静切力τs 的增大,达到同样注浆扩散半径注浆所需压力差Δp 也逐渐增大,其中塑性黏度ηp 与注浆压力差Δp 成正比关系;同样塑性黏度ηp 随着τs 的增大,所需注浆压力差Δp 变大.由于静切力τs 和黏度ηp 的大小取决于浆液的性质,而对于水泥浆液则取决于水灰比(浆液的静切力τs 和塑性黏度ηp 值随着水灰比的增大而减小),说明同等注浆条件下,浆液水灰比越小需要的注浆压力越大.这与实际注浆情况相符.2)裂隙宽度δ对注浆压力差Δp 的影响1对于平板裂缝传浆模型,在v =0101m/s ,L =4m 的情况下,取宾汉体浆液参数y p =δ/3,ηp =2mPa ・s ,根据式(13)计算出不同裂隙宽度δ和不同静切力τs 下注浆压力差Δp 的值见图3.图3 注浆压力差与裂隙宽度的关系Fig.3 Relationship between grouting pressuredifference and gap width从图3可以看出,注浆压力的衰减规律与裂缝3第4期 孙 锋等:基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究宽度δ和静切力τs 有关.随着裂隙宽度δ的增大,达到同样的扩散半径所需注浆压力差Δp 迅速减小.裂隙宽度δ对注浆压力的影响显著,增大裂隙宽度δ能极大的减小注浆压力.随着浆液静切力τs 的减小,即浆液水灰比的增大,裂隙宽度δ对注浆压力的影响逐渐变小,这与试验中注浆压力实测曲线相符.3)裂隙宽度δ对扩散半径L 的影响1由式(14)可知,扩散半径L 由注浆压力差Δp 、裂隙宽度δ和浆液的流速 v ,以及流变参数τs 、ηp 及y p 等因素共同决定.对于平板裂缝传浆模型,在Δp =011MPa , v =0101m/s ,ηp =6mPa ・s ,τs =2Pa ,y p =δ/3的情况下,根据式(14)求出不同静切力τs 和不同裂缝宽度δ下扩散半径L 的值,见图4.图4 扩散半径与裂缝宽度的关系Fig.4 Relationship between diffusion radius andgrouting pressure difference从图4可以看出,同样注浆压力差Δp 下,随着裂隙宽度δ增大,扩散半径L 逐渐变大,因此较大的裂隙宽度δ有利于浆液的扩散,且扩散半径L 受静切力τs 的影响比较明显.随着浆液水灰比的增大,扩散半径L 逐渐变大,同时裂隙宽度δ对扩散半径L 的影响也逐渐减小.4)注浆压力差Δp 对扩散半径L 的影响1对于平板裂缝传浆模型,在 v =0101m/s ,δ=0101m ,ηp =6mPa ・s ,y p =δ/3的情况下,根据式(14)计算出宾汉体浆液在不同静切力τs 和不同注浆压力差Δp 下浆液的扩散半径,当浆液为牛顿体时,τs =0,y p =0.浆液扩散半径L 的计算值见图5.从图5可以看出,在同样注浆压力差Δp 作用下,式(14)与立方定理式(16)计算的扩散半径L 有一定的差异,且差异值随着注浆压力差Δp 的增加而增加.在一定注浆压力作用下,静切力τs 越小,扩散半径L 越大,说明在其他条件一定的情况下,水灰比越大,同样注浆压力作用下的土体越容易劈裂.计算表明,对于静切力τs 作用下的宾汉体浆液,当τs <015Pa 时,宾汉体公式(14)与立方定理式(16)计算的扩散半径值基本一致.因此,当宾汉体浆液静切力较小时,可近似用牛顿流体公式计算.但当τs ≥015Pa 时,两式计算差异较大,且差异值随着注浆压力差的增大而增大.所以,当τs 较大时,式(14)计算值更接近实际情况.图5 扩散半径与注浆压力差的关系Fig.5 Relationship between diffusion radius andgrouting pressure difference3 工程应用311 工程概况厦门翔安隧道是国内第一条海底隧道,隧道全长51948km ,海域段长4120km ,隧道最深处在海平面以下约70m ,设计为两孔三车道隧道,采用钻爆法修建.海域隧道穿越4个风化槽(囊)将面临较大的安全风险,也是工程最大的难点.风化槽岩体主要为全、强风化花岗岩,每处长50～100m.该地层强度低,对水的浸透作用敏感,遇水膨胀,孔隙率低,可注型差,是隧道暗挖施工面临的主要技术难题[9].注浆加固在某些条件下甚至决定了隧道工程建设的成败[10].312 H SC 特种水泥劈裂注浆试验研究海底隧道注浆材料的选择应从工程需要和环保的角度予以考虑.HSC 型注浆材料是以特种水泥为基材,添加其他无机材料及调凝剂、减水剂、膨胀剂等外加剂组成两组干粉,加水搅拌后形成的一种用于堵水、加固地基工程的浆液材料.它具有早强(一天抗压强度大于8MPa )、抗分散(100m/s 流速水中留存率大于80%)、操作时间可调控(在几分钟至几小时之间可调)、低黏度、无收缩、耐久,以及结石率高(大于98%)等特点,除了压密还可以渗透、劈裂同时进行.通过分析,确定试验材料以HSC 特种水泥为主,设计水灰比为018～110.HSC 注浆浆液为宾汉体流型,τs 和ηp 值的大小主要取决于浆液的种类及配比,一般τs =2～16Pa ,ηp =2～20mPa ・s.现场试验在海底隧道隧址附近,根据地质资料,在-10m 以下的地层条件与海底隧道需要注浆处4北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷理区段的地层比较接近,岩石类型以花岗岩为主,全、强、弱和微风化带发育齐全,土体致密.现场开挖了一个深10m 的大型试验坑,设计布孔17个,间距为215m ,孔深为5～10m.采用袖阀管分段注浆工艺,有利于浆液在一定劈裂压力作用下较均匀的进入地层.注浆压力是劈裂注浆的一个重要控制目标,如果控制的好,对于土体的压密和回弹,浆体的固结和地层中小主应力的补足等都能起到好的效果.土体劈裂注浆过程中,当地表发生冒浆时即结束该段注浆.313 注浆效果分析2#孔首先注入的是水灰比为110的较稀HSC浆液,持续1min 后,注入水灰比为018的浆液.因浆液较稀,初始阶段的注浆压力仅为0105MPa ,浆液在地层中产生劈裂流动,随着后续浆液的注入,正常注浆压力达到011～012MPa ,直至达到0135MPa 时,地表裂缝冒浆.注浆压力实测过程见图6.注浆过程中偶尔使用双液浆封堵,2#孔注浆量为214t.注浆后开挖土体观察到,留存在预定注浆范围的浆液较多,劈裂脉明显较厚,说明在全、强风化花岗岩地层HSC浆液可注性较好.图6 2#孔注浆压力过程线(h =7m)Fig.6 Curve of grouting pressure vs.grouting process of No.2从图6可以看出,在均匀土体中注浆时,土体劈裂后注浆压力波动上升,随着地层浆液的不断注入,压力逐渐变大.劈裂注浆是劈裂、充填、再劈裂、再充填的动态过程,压力值与劈裂缝隙的宽度有关.较窄的裂缝对应较大的注浆压力,而较大的注浆压力有利于浆液在土体中的劈裂流动.随着裂隙宽度增大,所需注浆压力又逐渐减小,后续浆液注入后,浆液在劈裂面上所施加的压力就会推动裂缝迅速张开形成新的劈裂浆脉,此过程反复进行.一般注浆过程中地表开裂冒浆位置可以表明该位置为注浆的有效运移范围(扩散半径).对试验中各孔地表冒浆位置统计如图7所示.从图7可以看出,大部分的地表冒浆都出现在距注浆孔115～215m 的区域内,因此215m 的布孔间距是合理的,能够在地层中形成完整的防渗帷幕.图7 串浆点距注浆孔距离与注浆深度关系Fig.7 Relationship of distance to grouting hole vs.depth 由式(14)可知,在一定条件下注浆压力差Δp越大,扩散半径L 越大.因此,要在地层不同深度注浆段形成均匀的扩散半径,必须通过计算合理设计该段的注浆压力值.运用厦门海底隧道注浆试验数据,考虑单裂隙注浆Δp =0115MPa , v =0101m/s ,δ=0101m ,τs =4Pa ,ηp =6mPa ・s ,y p =δ/3情况下,由式(14)算得浆液在土体中的最大扩散半径为212m ,而式(16)算得的最大扩散半径为315m.劈裂注浆扩散半径计算公式(14)虽然与试验实测值有差异,但基本能满足要求.从图8可以看出,在全、强风化花岗岩地层中注浆,土体劈裂之后浆液在地层中流动,随着后续浆液的注入,注浆压力发生波动且逐渐增大.若浆液出管后遇到裂隙,浆液无压力或很小,待裂隙充填后再劈裂进人其他风化部位,注浆压力会升高.浆液以劈裂的方式呈水平或斜向穿入风化土体中,有的延伸很远,形成纵横交错的浆脉骨架,通过形成的浆脉挤压土体,并以浆脉的骨架作用加固土体,同时具有渗透、充填和压密作用.但是,土体劈裂脉的宽度是不规则的,主要集中在015～115cm 范围内,故取浆脉宽度δ=1cm.图8 土体劈裂注浆后浆脉分布Fig.8 Cement slurry distribution after split grouting in soil试验结果表明:注浆对风化花岗岩地层加固效果较好,土体的密实度和稳定性都有一定程度的提高,风化岩的物理力学参数提高很大,能够达到加固要求.但注浆后土体强度并不很高,因此海底隧道注浆加固措施必须结合其他工程手段,控制围岩变形.5第4期 孙 锋等:基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究4 结论1)在宾汉体浆液平板裂缝流动模型的基础上,推导出致密土体劈裂注浆扩散半径计算公式[式(14)].计算方法简单明确,容易在注浆设计中应用.当浆液为牛顿体时,流体流动规律符合立方定理.2)劈裂注浆扩散半径由注浆压力Δp,裂隙宽度δ,流速 v和浆液的流变参数等因素共同决定.扩散半径计算值必须考虑浆液流变参数的影响,否则会给注浆工程设计带来严重隐患.3)海底隧道全、强风化花岗岩地层可通过注浆方法进行加固,加固机理以劈裂、挤压土体为主, HSC水泥浆液对地层劈裂注浆加固效果良好.但海底隧道复杂地质条件和特殊的水边界使单一的注浆加固难以达到理想效果,必须与其他支护措施相结合.4)劈裂注浆过程的力学机理非常复杂,文中的计算模型是假定劈裂缝均匀等宽,实际上土体劈裂注浆过程中存在压力扩缝效应,且浆液流变参数存在时变性,有必要在今后的研究中深入探讨.参考文献:[1]岩土注浆理论与工程实例协作组.岩土注浆理论与工程实例[M].北京:科学出版社,2001:115-118.The Research Group of the Grouting Theories and Case Histories.The Grouting Theories and Case Histories[M].Beijing:Science Press,2001:115—118.(in Chinese) [2]阮文军.注浆扩散与浆液若干基本性能研究[J].岩土工程学报,2005,27(1):69-73.RUAN Wenjun.Research on Diffusion of Grouting and Basic Properties of Grouts[J].Chinese Journal of G eotech2 nical Engineering,2005,27(1):69-73.(in Chinese) 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海底隧道施工中的土建工程问题与解决策略
海底隧道施工中的土建工程问题与解决策略海底隧道作为重要的基础设施，必然承载着交通运输的重任。
施工过程中，由于海底环境复杂多变，土建工程面临的挑战不可小觑。
为了保障工程的安全以及施工的顺利进行，识别并解决这些问题至关重要。
地质条件的复杂性在海底隧道施工中，地质条件的复杂性往往成为首要的挑战。
各类土层、岩石构造以及海流、地下水的活动，使得工程难度大幅增加。
对于不同的地质情况，采取相应的施工方案显得尤为关键。
进行充分的地质勘探是必不可少的。
通过钻探、物探等技术手段，详细了解地层结构、土壤性质及水文地质条件。
这为后续的施工方法选择提供了科学依据。
为避免误判地质条件，建立多层次、多维度的勘探方案尤为重要，在时间上也要确保充足。
根据勘探结果，设计合理的支护结构和施工工序。
比如，如果前期数据表明某段地质松软，则可以采用盾构法进行施工；而若地层较硬，可以考虑顶管法。
适时调整施工策略，能够有效降低因地质条件引发的安全风险。
水下压力的影响海底环境的另一个重要因素是水下压力。
随着深度增加，水压力显著增大，这对结构的稳定性和材料的耐久性提出了更高要求。
在施工阶段，水压力的控制和应对显得尤为重要。
在设计阶段，合理选择材料和结构形式至关重要。
例如，可以选用高强度混凝土以及特种防水材料，以应对水下的巨大压力和腐蚀。
增加冗余设计也能够提升结构的可靠性。
施工过程中，密闭舱体的应用可以有效隔绝环境因素的影响。
在盾构机施工时，操纵内部气压，确保工作环境稳定。
定期监测水压、流速以及其他环境状况，以便及时调整施工方案。
地震与海洋环境的影响海底隧道还必须面对地震等自然灾害的潜在威胁。
不同于陆地施工，海底的震动波传播及波形变化更加复杂，因此必须进行专门的抗震设计。
在设计时，需考虑增加隧道的柔性，以便有效吸收地震能量。
可以通过设置减震器、使用柔性连接等手段来达成。
对隧道的形状进行优化，使其具备更好的抗震性也是一种有效策略。
施工的过程中，应加强对周围环境波动的监测。
工程施工的重点与难点分析-海底隧道
工程施工的重点与难点分析-海底隧道引言海底隧道作为一种特殊的工程结构，具有独特的建设特点和挑战。
本文旨在分析海底隧道施工的重点与难点，为相关工程人员提供参考和指导。
施工重点分析1. 水下地质勘探：海底隧道施工的首要任务是进行水下地质勘探工作，包括获取地质数据、确定地层结构和地质条件等。
水下勘探的准确性直接影响后续施工计划和方法的选择。
2. 结构设计：海底隧道的结构设计需要考虑各种因素，如水深、地质条件、水动力作用等。
合理的结构设计能够提高隧道的稳定性和安全性，减少施工风险。
3. 施工方法选择：海底隧道的施工方法与传统地上隧道有所不同。
常见的施工方法包括盾构法、开挖法和浇筑法等。
根据具体情况选择适合的施工方法是关键。
4. 材料选择和质量控制：海底隧道的材料选择需要考虑抗水压、防腐蚀等特殊要求。
同时，施工过程中的质量控制也十分重要，确保施工质量达到设计要求。
施工难点分析1. 水下施工环境：海底隧道施工面临水下的特殊环境，如高水压、泥沙淤积、潮汐等。
这些因素增加了施工的复杂性和风险，需要采取相应的措施进行应对。
2. 地质灾害风险：海底隧道通常建设于地震活跃地区或含有活跃断裂带的海底地质区域。
地震、海啸等地质灾害风险给施工带来了额外的挑战，需要进行综合风险评估和防护措施的设计。
3. 海洋生态保护：海底区域通常是丰富的生态系统的栖息地，施工过程对海洋生态环境的影响需要引起重视。
合理规划施工过程、采取环保措施是保护海洋生态的关键。
4. 施工时间限制：海底隧道的施工受到天气、季节等因素的限制，一些施工工序只能在特定的时间窗口内进行。
对施工时间的合理安排和管理是保证施工进度的关键。
结论海底隧道施工是一项复杂而具有挑战性的工程，需要综合考虑地质、结构、环境等多个因素。
合理选择施工方法、加强质量控制、保护海洋生态等都是提高施工效率和保证工程质量的关键。
应密切关注技术创新和行业经验，不断总结和优化施工实践，为海底隧道的顺利建设提供支持和保障。
海底隧道发展工程难点及施工技术
局限性
优点
断面形式和线型受限 ,灵活度不大 ,曲线半径不能太小 机件复杂 ,设备昂贵 ,建设成本中设备费用占比较高 对地层地质和水文情况敏感度极高 掘进中途须更换刀具和整修刀盘 ，工艺复杂 ,操作困难 隧道洞口附近需要有较大的施工整备场地 , 代价较高
现代化的生产手段速度快 ,效率高 施工通风易于解决 , 可以实现长距离独头掘进 进洞工作人员作业环境较好,安全保证程度高 隧道管片及防水系统工厂化预制,机械化拼装 ,质量稳定 比较钻爆法施工隧道埋深要求较低 ,因此线路长度可缩短
52m
22m
第 15 页
案例分析
翔安隧道工程特点
施工风险大
水下地质条件具有较强的多变性和不可确定性，施工 中可能发生涌水、突水，隧道持续坍塌或严重进水，
地质条件复杂
陆域和浅滩地带：基岩全风化带厚度较大； 海域：累计穿越风化槽总长度为1118.5m。
施工排水量大
纵剖面呈V形，下坡施工，水不能自流 排出，施工中须制订完善的排水方案， 施工供电也必须安全、可靠、不间断。
第4 页
工程难点
地质勘测困难、造价 高，准确性低，工程风险 大。须进行超前地质预报。
地质 勘测
必须加强施工期间对不 良地质段和涌水点的预 测和预报。
涌水
单日掘进长度很大， 对施工期间的后勤和 通风有更高的要求。
后勤 通风
工程 难点
水压 力
很高的孔隙水压力会降低隧 道围岩的有效应力，造成较低的 成拱作用和地层的稳定性，衬砌 也长期受较大的水压作用。
04
03
管段沉放
受气象、洋流、自然条件的直接 影响，还受航道条件的限制。
第 11 页
施工方法
盾构法和TBM法
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———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。
———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。
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。
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
———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。
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。
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。
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。
———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
提出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。
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。
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”
Pቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
析
“围岩-支护”特性曲线
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。