浏阳河水下隧道合理覆盖层厚度探讨

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1、浏阳河水下隧道合理覆盖层厚度探讨吴梦军1’2谢锋1(1招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067；2重庆中字工程咨询监理有限责任公司重庆400067)摘要合理确定水下隧道覆盖层厚度是建设水下隧道关键技术之一。一方面，覆盖层厚度是水下隧道建设的一个重要经济指标，在水下隧道线路方案确定以后，覆盖层厚度的大小在一定程度上决定着水下隧道的长度，从而影响水下隧道的建设费用；另一方面，覆盖层厚度还是控制水下隧道施工和运营安全的一个重要因素。文章通过有限元流固耦合分析和工程类比，提出了长沙市湘江大道浏阳河隧道合理覆盖层厚度，直接指导

2、了该隧道设计，同时对其他水下隧道设计也具有借鉴作用。关键词水下隧道覆盖层厚度工程类比数值分析合理确定水下隧道覆盖层厚度是建设水下隧道关键技术之一。一方面，覆盖层厚度是水下隧道建设的一个重要经济指标¨J，水下隧道线路方案确定以后，覆盖层厚度的大小在一定程度上决定着水下隧道的长度，从而影响水下隧道的建设费用；另一方面，覆盖层厚度还是控制水下隧道施工和运营安全的一个重要因素。如覆盖层厚度过小，施工过程中围岩的稳定性就不能得到保证，甚至运营过程中也有可能会发生渗水事故。因此，水下隧道合理覆盖层厚度必须通过计算、类比等多种方法综合分析

3、后确定。本文以长沙市湘江大道浏阳河隧道为对象，通过有限元流固耦合分析和日本、挪威经验法等工程类比，提出了长沙市湘江大道浏阳河隧道合理覆盖层厚度，直接指导了该隧道的设计，同时对其他水下隧道设计也具有借鉴作用。1工程概况长沙市湘江大道浏阳河隧道工程位于长沙市主城区北部新河三角洲浏阳河入湘江口，南接湘江大道，下穿浏阳河，北接规划路的湘江北路。该隧道为双向4车道，采用复合式衬砌和矿山法施工。围岩主要为强风化一中等风化砾岩，软弱结构面主要为节理及裂隙，节理裂隙较发育，岩石质量指标较差，为极软岩～软岩，岩石胶结成分为泥质，遇水易崩解、软

4、化。岩体基本质量等级为V级。2工程类比法研究2．1日本经验法利用钻爆法施工时，水下隧道最小岩石覆盖厚度确定的主要依据是涌水量，涌水量的计算采用如下公式‘21：Q-2蒯描⋯论文羹㈣4±目0镕■m￥$☆《式中^——透水系数，n∥s：L——隧道长，m；^——岩石厚度，m：圩——水深，“；一隧道半径，m。对于准备修建的水下隧道，上式中水深圩、隧道半径，和隧道长L都是定值。因此．可得到最小岩石覆盖厚度和水深、隧道半径之间的关系式如下：^=要e}由于日本在海底隧道设计中积累了较多的经验，对于隧道埋深问题．一般常用日本经验公式'“为：”=

5、(号～扣式中H——隧道埋深；^——最大水深。洲阳河隧道的最大水深^约20m，代人计算可得：Ⅳ=13．3～15Om。即浏阳河隧道采用日本经验法时，其合理岩石覆盖厚度为”3～15Om。22摔威经验法挪威是世界上采用钻爆法修建水下隧道最多的国家，其围岩条件多以硬岩为主，即古老的火成岩和变质岩，但由于经历了几次地壳构造运动，产生了}午多断层、软弱带。因此，挪威工程师在选择隧道最小岩石覆盖层厚度时，克分考虑了断层及软弱带对隧道施工的影响。挪威的海底隧道研究学者根据挪威已建的海底隧道资料，统计出如图1所示的经验曲线⋯，即分别对比较好的岩

6、石和比较差的岩石，确定丁海底隧道最小岩石覆盖与海水水探的关系曲线。图1挪戚经验曲线将浏阳河隧道的河水深度代人挪威经验曲线可得出该隧道合理覆盖厚度约23m。∞o痞*3数值模拟研究i#$Ⅻ*自目*$T4meⅢltⅢ_t*w10531计算参数根据浏阳河隧道地勘资料并参考《公路隧道设计规范》。1，取嗣岩与村砌结构计算力学参数见表l。表l主要物理力学参数表岩类街度∥(kg·m。’弹性模量∥MPa泊松比“粘聚力一kPa孽擦角∥(。)卵石、填上强风化砾岩喷射混凝土注絮K超前支护32计算模型根据岩石力学原理，本次有限元分析范围为：左右侧分别

7、取3倍洞径岩体，上部取至河床顶部，下部取3倍洞径的岩体。岩体采用平面应变单元，屈服准则采用奠尔库仑埘服准则。水头按照孔隙水压施加，且隧道开挖未支护时，隧道周边水压为0(只有位置水头)。当支护施作时，为不透水边界。模型的左右边界分别施加水平位移约柬，底部施加竖向位移约束，顶面自由。施工方案按3台阶法来模拟。有限元计算模型如图2所示。图2数值计算模型33模拟结果与分析根据工程类比分析结果和相关工程经验，取覆盖层厚度范围17～26m(增幅为1m，共lo种工况)进行数值模拟。通过对隧道施工全过程的动态模拟，可得到匦岩与隧道结构在各施

8、工步的位移、应力、应变等。因覆盖层厚度的合理与否主要表现为围岩在施工过程中的稳定性，故主要对拱顶下沉和围岩应力进行分析。1)拱顶下沉各覆盖层厚度条件下的拱顶下沉位移如图3和图4所示。通过分析可知：，论文集2啷{§目**I∞}$e《b僵盏层厚度=26m囤3拱顶下沉位移云图／—＼．．／田4拱赝