海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件

1、青島膠州灣隧道最小巖石覆蓋厚度研究 李術(shù)才 山東大學(xué) 2007年10月16日 重慶青島膠州灣隧道最小巖石覆蓋厚度研究 1、研究意義最小巖石覆蓋厚度是影響海底隧道造價和安全的最重要的設(shè)計參數(shù)之一。有必要針對本工程條件下以鉆爆法施工的海底隧道最小巖石覆蓋厚度進行研究，確定合理的隧道埋置深度，為隧道的設(shè)計、施工提供參考。1、研究意義最小巖石覆蓋厚度是影響海底隧道造價和安全的最重要2、技術(shù)路線工程類比法數(shù)值計算法初步選定范圍依據(jù)重要性建立權(quán)函數(shù)給出建議值國內(nèi)外海底隧道調(diào)研，室內(nèi)力學(xué)實驗2、技術(shù)路線工程類比法數(shù)值計算法初步選定范圍依據(jù)重要性建立權(quán)技術(shù)路線與研究手段技術(shù)路線與研究手段3、研究內(nèi)容國內(nèi)外海底

2、隧道調(diào)研室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)實驗 工程類比法確定最小巖石覆蓋厚度數(shù)值方法確定最小巖石覆蓋厚度其它因素對巖石覆蓋厚度的影響分析斷裂損傷對最小巖石覆蓋厚度的影響分析爆破對最小巖石覆蓋厚度影響的動力分析 地震對最小巖石覆蓋厚度影響動力分析滲流和注漿對最小巖石覆蓋厚度的影響分析施工方法優(yōu)化及最小巖石覆蓋厚度的影響分析3、研究內(nèi)容國內(nèi)外海底隧道調(diào)研4、工程概況青島膠州灣南接薛家島，北連團島，下穿膠州灣灣口海域，平面線路如下圖： 青島膠州灣隧道工程全長約7800m，其中：膠州灣隧道約6170m，海底段約3950m；接線隧道長約1700m4、工程概況青島膠州灣南接薛家島，北連團島，下穿膠州灣灣口海地質(zhì)情況工程所

3、處膠州灣，平均水深7m左右，最大水深65m，灣口最大水深42m。海底大部分無覆蓋層，地形起伏較大，基巖為中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖與火山巖。中風(fēng)化層很薄，巖石完整性好。隧址處無大斷裂構(gòu)造，所發(fā)現(xiàn)斷裂大部分高角度、中新代脆性斷裂構(gòu)造，寬度在數(shù)米至數(shù)十米不等。基巖弱風(fēng)化帶多為中等透水性、少數(shù)弱透水性。地質(zhì)情況工程所處膠州灣，平均水深7m左右，最大水深65m，灣設(shè)計概況按雙向六車道城市快速路設(shè)計。設(shè)計車速80km/h，按地震烈度度設(shè)防。行車隧道為左右線設(shè)置，隧道中線線間距為55m，海域段設(shè)置服務(wù)隧道。隧道斷面位置關(guān)系圖設(shè)計概況按雙向六車道城市快速路設(shè)計。設(shè)計車速80km/h鉆爆法施工，復(fù)合式襯砌。海域段斷

4、面采用三心圓拱形斷面，設(shè)置仰拱，凈寬14.26m，凈高10.4m。鉆爆法施工，復(fù)合式襯砌。海域段斷面采用三心圓拱形斷面，設(shè)5、研究方案根據(jù)工程地質(zhì)分析認(rèn)為，左線隧道斷層f2-3、f3-1、f4-1、f4-3，右線隧道斷層f2-3、f3-2、f4-1、f4-3基巖風(fēng)化層較厚，類似于風(fēng)化深囊。為此，選取上述斷層位置作為研究對象，如下圖：此外，鑒于類巖只占垂直線路的6.2%，綜合考慮左線選取6個完整巖石位置，右線選取5個完整巖石位置。5、研究方案根據(jù)工程地質(zhì)分析認(rèn)為，左線隧道斷層f2-3、f3左線隧道分析剖面示意圖 右線隧道分析剖面示意圖 注：紅色表示斷層位置；綠色表示完整巖石位置。左線隧道分析剖面

5、示意圖 右線隧道分析剖面示意圖 注：紅色表示左線隧道分析剖面地質(zhì)參數(shù) 左線隧道分析剖面地質(zhì)參數(shù) 右線隧道分析剖面地質(zhì)參數(shù) 右線隧道分析剖面地質(zhì)參數(shù) 6、最小巖石覆蓋厚度研究現(xiàn)狀日本關(guān)門海底鐵路隧道是世界上最早的海峽隧道之一。該隧道是一雙孔上、下行鐵路隧道，全長3.6km，海底地段長度1.14km，隧道高度5.75m，最大坡度2.02.5%。海水深14m，隧道覆蓋的平均厚度約11m。6、最小巖石覆蓋厚度研究現(xiàn)狀日本關(guān)門海底鐵路隧道是世界上最早日本青函公路隧道全長53.85km，海底部分長23.0km，位于火山巖、堆積巖中，有多處裂縫、斷層。隧道最小覆蓋層厚度100m，水深140m，當(dāng)時主要是根據(jù)

6、海底煤礦的經(jīng)驗，把理想的隧道深度確定為低于海底100m。 日本青函公路隧道全長53.85km，海底部分長23.0km，挪威是世界上采用鉆爆法修建海峽海底隧道最多的國家。挪威的交通（鐵路、公路）海底隧道大部分位于比較堅硬的巖石層內(nèi)，即古老的火成巖和變質(zhì)巖。 1993年Nilsen B對挪威已竣工海底隧道的最小巖石覆蓋厚度進行了統(tǒng)計分析，給出了兩條統(tǒng)計經(jīng)驗曲線 :挪威是世界上采用鉆爆法修建海峽海底隧道最多的國家。挪威的交通正在建設(shè)中的廈門翔安隧道工程全長8.695Km，其中海底隧道段長約5.95Km。隧道巖石覆蓋厚度設(shè)計值與挪威經(jīng)驗曲線比較：廈門海底隧道巖石覆蓋厚度設(shè)計值與挪威基巖埋深經(jīng)驗曲線比較

7、 正在建設(shè)中的廈門翔安隧道工程全長8.695Km，其中海底隧道7、工程類比確定最小巖石覆蓋厚度挪威建設(shè)經(jīng)驗法日本最小涌水量法國內(nèi)頂水采煤法7、工程類比確定最小巖石覆蓋厚度挪威建設(shè)經(jīng)驗法7.1、挪威建設(shè)經(jīng)驗法挪威學(xué)者根據(jù)挪威已建的海海底隧道經(jīng)驗，統(tǒng)計出下圖表示的經(jīng)驗曲線，即分別對比較好的巖石和比較差的巖石，確定了海底隧道最小巖石覆蓋與海水水深的關(guān)系曲線。 7.1、挪威建設(shè)經(jīng)驗法挪威學(xué)者根據(jù)挪威已建的海海底隧道經(jīng)驗，比較膠州灣隧道所選剖面基巖的縱波波速和挪威海底隧道較好巖石和較差巖石的縱波波速的平均值。對挪威較差巖石曲線值與挪威較好巖石曲線值，按照線性插值的方法得到膠州灣海底隧道所選斷面的巖石覆蓋

8、厚度建議值。比較膠州灣隧道所選剖面基巖的縱波波速和挪威海底隧道較好巖石和海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件左線隧道，挪威經(jīng)驗建議值左線隧道，挪威經(jīng)驗建議值海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件右線隧道，挪威經(jīng)驗建議值右線隧道，挪威經(jīng)驗建議值海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件7.2、日本最小涌水量法日本用鉆爆法施工的隧道，確定埋深的主要依據(jù)是涌水量。通過選取不同的巖石覆蓋層厚度計算出對應(yīng)的涌水量得到涌水量和覆蓋厚度的曲線，對應(yīng)曲線上最小涌水量的巖石覆蓋厚度為最小巖石覆蓋厚度。例如關(guān)門隧道、青函隧道、早崎瀨戶隧道及長島海峽隧道。 7.2、日本最小涌水量法日本用鉆爆法施工的隧道，確定埋深的主早崎瀨

9、戶海底隧道最小涌水量與巖石覆蓋厚度關(guān)系曲線 早崎瀨戶海底隧道最小涌水量與巖石覆蓋厚度關(guān)系曲線 長島海峽海底隧道最小涌水量與巖石覆蓋厚度關(guān)系曲線 長島海峽海底隧道最小涌水量與巖石覆蓋厚度關(guān)系曲線 日本最小涌水量法確定的左線隧道最小巖石覆蓋厚度 日本最小涌水量法確定的左線隧道最小巖石覆蓋厚度 左線隧道，日本最小涌水量方法最小巖石厚度值與海水深度關(guān)系 左線隧道，日本最小涌水量方法最小巖石厚度值與海水深度關(guān)系 日本最小涌水量法確定的右線隧道最小巖石覆蓋厚度 日本最小涌水量法確定的右線隧道最小巖石覆蓋厚度 右線隧道，日本最小涌水量值與海水深度關(guān)系 右線隧道，日本最小涌水量值與海水深度關(guān)系 7.3、國內(nèi)頂

10、水采煤經(jīng)驗法海底隧道的最小巖石覆蓋厚度的確定和頂水采煤安全開采上限的確定類似之處?？紤]海底隧道的特點，海底隧道最小巖石覆蓋厚度的選擇，可結(jié)合隧道的地質(zhì)條件，借鑒頂水采煤安全防水煤巖柱高度的確定方法。7.3、國內(nèi)頂水采煤經(jīng)驗法海底隧道的最小巖石覆蓋厚度的確定和式中，H為防水巖柱高度(m)；h為隧道破裂帶高度(導(dǎo)水裂隙帶高度) (m)；s為保護層厚度(m)；a為表面裂隙深度(m) 。 式中，H為防水巖柱高度(m)；h為隧道破裂帶高度(導(dǎo)水裂隙帶頂水采煤法確定的左線隧道最小巖石覆蓋厚度 頂水采煤法確定的左線隧道最小巖石覆蓋厚度 頂水采煤法確定的右線隧道最小巖石覆蓋厚度 頂水采煤法確定的右線隧道最小巖

11、石覆蓋厚度 7.4、工程類比小結(jié)挪威經(jīng)驗法、最小涌水量法考慮覆巖厚度與海水深度的關(guān)系，確定的最小巖石覆蓋厚度趨勢一致，與海底走勢也是一致的。頂水采煤綜合考慮了地質(zhì)條件，與海水深度沒有確定的關(guān)系。由于受斷層位置控制，與海底走勢差異較大。最小涌水量法確定的最小巖石覆蓋厚度介于挪威完整巖石值與挪威破碎巖石值之間。7.4、工程類比小結(jié)挪威經(jīng)驗法、最小涌水量法考慮覆巖厚度與海工程類比確定的左線隧道最小巖石覆蓋厚度 工程類比確定的左線隧道最小巖石覆蓋厚度 工程類比法確定的左線隧道關(guān)鍵剖面拱頂線高程 工程類比法確定的左線隧道關(guān)鍵剖面拱頂線高程 工程類比確定的右線隧道最小巖石覆蓋厚度 工程類比確定的右線隧道最

12、小巖石覆蓋厚度 海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件8、數(shù)值計算確定最小巖石覆蓋厚度根據(jù)工可階段的巖石力學(xué)參數(shù)和室內(nèi)試驗所得參數(shù)，應(yīng)用斷裂損傷分析和FLAC3D進行了數(shù)值分析。對于每個分析剖面，根據(jù)工程類比成果初步選定隧道巖石覆蓋厚度范圍，比如20m30m。每間隔1m作為一個計算工況，初始地應(yīng)力場為自重場、側(cè)壓力系數(shù)0.8兩種情況。取隧道軸線長度100m，以選定的分析剖面為中心，左右各50m；以海底面為上邊界；下邊界取隧道底板以下50m?？偣餐瓿闪?20個彈塑性和斷裂損傷分析計算。8、數(shù)值計算確定最小巖石覆蓋厚度根據(jù)工可階段的巖石力學(xué)參數(shù)和數(shù)值方法研究思路數(shù)值方法研究思路初步選擇最小頂板安全厚

13、度進一步選擇典型剖面準(zhǔn)三維分析重點選擇斷裂損傷分析流固耦合分析分析比較確定合理值數(shù)值計算確定最小安全頂板厚度初步選擇最小進一步選擇典型剖面準(zhǔn)重點選擇斷裂損傷分析流固耦合隧道周邊關(guān)鍵點 對不同巖石覆蓋厚度的隧道開挖引起的周邊位移、塑性區(qū)和應(yīng)力變化進行分析。有限元模型、隧道周邊的關(guān)鍵點如下圖：計算區(qū)域網(wǎng)格圖 隧道周邊關(guān)鍵點 對不同巖石覆蓋厚度的隧道開挖引最小位移法判據(jù) 對于海底隧道某剖面，拱頂位移隨著巖石覆蓋厚度的增加，是先減小，后增加，存在最小值。最小位移所確定的巖石覆蓋厚度，對這個巖石覆蓋厚度下的隧道圍巖，通過變形、應(yīng)力、塑性區(qū)進行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)這時隧道圍巖也是最為穩(wěn)定的。可以認(rèn)為最小位移確

14、定的最小覆蓋厚度較為合理。 最小位移法判據(jù) 對于海底隧道某剖面，拱頂位移隨著巖石覆蓋厚度LK4+088m巖石覆蓋厚度與拱頂位移關(guān)系曲線LK4+088m巖石覆蓋厚度與拱頂位移關(guān)系曲線 數(shù)值方法確定的左線隧道關(guān)鍵剖面拱頂線高程 數(shù)值方法確定的左線隧道關(guān)鍵剖面拱頂線高程 數(shù)值方法確定的右線隧道關(guān)鍵剖面拱頂線高程 數(shù)值方法確定的右線隧道關(guān)鍵剖面拱頂線高程 海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件9、建議的最小巖石覆蓋厚度由上述分析，制定膠州灣隧道最小巖石覆蓋厚度的確定原則：首先，由于海底隧道特殊性，圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要；其次，從海底隧道施工安全來說，防突水也是十分重要；最

15、后，隧道涌水量影響排水設(shè)計和成本。數(shù)值計算根據(jù)圍巖穩(wěn)定性確定的；頂水采煤根據(jù)預(yù)留安全巖柱，防止施工突水確定的；最小涌水量依據(jù)排水成本較小確定的。因此依據(jù)重要性，根據(jù)經(jīng)驗分別給出數(shù)值計算0.5權(quán)重、頂水采煤0.3權(quán)重、和最小涌水量0.2權(quán)重，最終確定最小巖石覆蓋厚度，也就是： 9、建議的最小巖石覆蓋厚度由上述分析，制定膠州灣隧道最小巖石左線隧道，最小巖石覆蓋厚度建議值給出的拱頂線高程 左線隧道，最小巖石覆蓋厚度建議值給出的拱頂線高程 右線隧道，最小巖石覆蓋厚度建議值給出的拱頂線高程 右線隧道，最小巖石覆蓋厚度建議值給出的拱頂線高程 10、按圍巖分類給出的最小巖石覆蓋厚度建議值10、按圍巖分類給出

16、的最小巖石覆蓋厚度建議值11、其它因素對覆蓋厚度影響巖石材料斷裂損傷爆破振動影響地震動力影響滲流影響施工方法影響11、其它因素對覆蓋厚度影響巖石材料斷裂損傷巖石材料斷裂損傷通過對已選擇的底板線位置，結(jié)合地質(zhì)報告給定的節(jié)理的密度，用自主開發(fā)的斷裂損傷程序?qū)θ齻€典型剖面、兩種應(yīng)力狀態(tài)的進行損傷分析。巖體和土層的計算參數(shù)分別與前面彈塑性分析的計算模型和邊界條件相同。巖石材料斷裂損傷通過對已選擇的底板線位置，結(jié)合地質(zhì)報告給定的地質(zhì)資料給出膠州灣隧道左線海域基巖有四組斷層，斷層附近節(jié)理裂隙發(fā)育。所取的三個剖面分別位于f3-1斷層、f4-1斷層和f4-3斷層附近。計算中給定4組節(jié)理，節(jié)理長度分別取為0.4

17、m，0.6m，0.5m，0.3m，節(jié)理間距取0.3m，0.5m，0.3m，0.1m，結(jié)構(gòu)面強度指標(biāo)如下表。 地質(zhì)資料給出膠州灣隧道左線海域基巖有四組斷層，斷層附近節(jié)理裂節(jié)理巖體斷裂損傷有限元方法 巖體工程中普遍存在節(jié)理，就巖體工程穩(wěn)定而言，原生節(jié)理及其擴展演化效應(yīng)是應(yīng)予以高度重視的。含節(jié)理巖體無節(jié)理巖體開挖應(yīng)力裂隙擴展新?lián)p傷巖體無損傷巖體裂隙擴展穩(wěn)定性分析節(jié)理巖體斷裂損傷有限元方法 巖體工程中普遍存在節(jié)理經(jīng)計算得到洞室周邊的應(yīng)力和損傷分布情況經(jīng)計算得到洞室周邊的應(yīng)力和損傷分布情況海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件通過分析可知，考慮巖體的斷裂損傷時，最大拉、壓應(yīng)力的量值較彈塑性有限元計算時有所

18、增大，頂、底拱的變形量增大較顯著，但隧洞最大位移值均沒有超過2.0mm。在流紋巖和流紋斑巖內(nèi)的隧道周邊最大位移值僅為1.6mm和1.2mm左右。在隧道施工時，應(yīng)注意及時采取噴射混凝土等措施，防止洞室表面裂隙進一步擴展，從而減小損傷演化區(qū)范圍。損傷演化區(qū)和塑性區(qū)的影響只是在圍巖的局部范圍內(nèi)發(fā)生的，對整個海底隧道的埋深選擇影響較小。通過分析可知，考慮巖體的斷裂損傷時，最大拉、壓應(yīng)力的量值較彈爆破振動影響周邊眼爆破時對隧道周邊圍巖穩(wěn)定性影響最大。采用國際上常用的爆破荷載的計算模式，計算隧道上臺階周邊眼起爆時的爆炸荷載。應(yīng)用有限元軟件ABAQUS計算隧道圍巖在周邊眼爆破過程中的穩(wěn)定性，監(jiān)測隧道上覆巖石

19、震動速度、加速度，驗證隧道頂板厚度的合理性。爆破振動影響周邊眼爆破時對隧道周邊圍巖穩(wěn)定性影響最大。采用國爆破荷載計算公式：爆破荷載計算公式：海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件LK3+218剖面考察點布置圖 LK3+218剖面考察點布置圖 LK3+218剖面考察點水平震動速度時程曲線 LK3+218剖面考察點水平震動速度時程曲線 LK3+218剖面考察點豎向震動速度時程曲線 LK3+218剖面考察點豎向震動速度時程曲線 速度峰值隨爆心距衰減曲線（LK3+218剖面隧道拱頂監(jiān)測點） 速度峰值隨爆心距衰減曲線（LK3+218剖面隧道拱頂監(jiān)測點）根據(jù)Langefors提出的隧道圍巖的破壞標(biāo)準(zhǔn)，將25

20、cm/s的振動速度作為保守的壁墻破壞標(biāo)準(zhǔn)。對類圍巖，上臺階周邊眼爆破單段藥量11.7kg，爆破振動對隧道巖石覆蓋厚度的影響范圍約在2.0m之內(nèi)。對于青島膠州灣隧道采用光面爆破技術(shù)開挖，爆破設(shè)計時采用低爆速炸藥、不耦合裝藥、分段起爆等技術(shù)，爆破對隧道覆蓋巖石的震動影響可以得到合理控制。根據(jù)Langefors提出的隧道圍巖的破壞標(biāo)準(zhǔn)，將25cm/地震動力影響選取最小巖石覆蓋建議線隧道位置，左線隧道里程樁號LK3218、右線隧道里程樁號RLK3270兩個剖面為研究對象進行計算。假定隧道為無線長，計算簡化為平面應(yīng)變問題。模型上邊界取至海底面，下邊界則取在隧道底部向下50m處的位置，水平方向計算范圍取1

21、60m。地震動力影響選取最小巖石覆蓋建議線隧道位置，左線隧道里程樁號青島膠州灣隧道地震設(shè)防烈度為級，地震周期 ，地震加速度幅值 。因青島膠州灣隧道工程區(qū)域缺少地震波記錄，則按Elcentro橫波加速度時程曲線波形輸入，振動幅值按線性比例換算。地震加速度時程曲線如下圖。青島膠州灣隧道地震設(shè)防烈度為級，地震周期 ，地震LK3+218剖面監(jiān)測點布置圖 LK3+218剖面監(jiān)測點布置圖 LK3+218剖面監(jiān)測點水平速度時程曲線 LK3+218剖面監(jiān)測點水平速度時程曲線 LK3+218剖面監(jiān)測點水平加速度時程曲線LK3+218剖面監(jiān)測點水平加速度時程曲線根據(jù)Langefors提出的隧道圍巖的破壞標(biāo)準(zhǔn)，將2

22、5cm/s的振動速度作為保守的壁墻破壞標(biāo)準(zhǔn)。在地震荷載作用下（剪切波），位移變化主要發(fā)生在水平方向上。對類圍巖隧道，按地震烈度級設(shè)防，隧道圍巖最大速度峰值為20cm/s，地震不會引起上覆圍巖的破壞。根據(jù)Langefors提出的隧道圍巖的破壞標(biāo)準(zhǔn)，將25cm/滲流影響選擇左右線海水最深的兩個剖面進行滲流計算，并同時考慮注漿加固后對所選剖面的巖石覆蓋厚度選擇的影響。取水頭位置為海水最大高潮位置（最大高潮水位為3.11m），側(cè)邊界和底邊為固定孔隙水壓力邊界(孔隙水壓力等于初始孔隙水壓力分布)，隧道開挖邊界為固定水壓力邊界(孔隙水壓力p=0)。 滲流影響選擇左右線海水最深的兩個剖面進行滲流計算，并同時

23、考慮計算工況分別包括注漿加固前左右線剖面的滲流場計算和注漿加固后左右線剖面的滲流場計算。每種工況分別根據(jù)上覆巖石厚度的不同分為10個模型進行計算，其中左線選取巖石覆蓋厚度分別為10m、12m、15m、17m、20m、26.7m、30m、40m、50m、60m；右線選取巖石覆蓋厚度分別為10m、12m、15m、17m、20m、33m、30m、40m、50m、60m。 計算工況分別包括注漿加固前左右線剖面的滲流場計算和注漿加固后海底隧道最小巖石覆蓋厚度的研究-課件右線RK2+270計算模型 右線RK2+270計算模型 LK2+910剖面注漿前后涌水量與巖石覆蓋層厚度關(guān)系曲線 LK2+910剖面注漿前后涌水量與巖石覆蓋層厚度關(guān)系曲線 RK2+270剖面注漿前后涌水量與巖石覆蓋層厚度關(guān)系曲線 RK2+270剖