大型跨海隧道修建关键技术-张顶立

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1、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。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

2、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。可靠的超前地质预报和地质保障系统。确定合理的隧道埋置深度。可靠的注浆加固和围岩稳定性控制技术。隧道在施工和运营阶段可靠的防排水。隧道结构(正常条件)设计和抗震(非正常条件)设计。施工质量控制和安全风险管理。3海底隧道设计困惑初期支护荷载确定，变形量控制及设计原则；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？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；“限量排放”及其实现方式,全封堵条件下如何考虑排水?初

3、期支护与二次衬砌的荷载分配方式及其转化规律；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；水荷载作用下合理断面形式的确定。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）

4、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。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

5、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。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

6、方式方式、注浆效果、围岩、衬砌的渗透系数等有关。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（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

7、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。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

8、。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-支护”系统图9海底隧道的“围岩-支护”特点分析“围岩-支护”特性曲线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。10初期支护特性分