2023學(xué)年完整公開課版海底隧道061027

隧道整體安全系數(shù)與

海底隧道計(jì)算

鄭穎人王在泉王建新后勤工程學(xué)院青島理工大學(xué)一、隧道安全系數(shù)的定義

安全系數(shù)—巖土體整體不能承載，巖土體分離；力學(xué)上表現(xiàn)為某一面上或某一區(qū)域應(yīng)力都達(dá)到抗剪強(qiáng)度，應(yīng)變與位移發(fā)生突變。

超載安全系數(shù)強(qiáng)度貯備安全系數(shù)一、隧道安全系數(shù)的定義

隧道整體安全系數(shù)——把裂隙巖體視作均質(zhì)巖體隧道局部安全系數(shù)——結(jié)構(gòu)面與臨空面組合發(fā)生局部塌落隧道抗拉安全系數(shù)——主要是拱頂拉破壞二、有限元極限分析法——有限元強(qiáng)度折減法不斷降低強(qiáng)度，直至達(dá)到破壞狀態(tài)——計(jì)算機(jī)不收斂滑移面塑性區(qū)貫通，應(yīng)變與位移突變，巖土體不能承載計(jì)算中降低強(qiáng)度的倍數(shù)就是強(qiáng)度貯備安全系數(shù)自動獲得破壞面與安全系數(shù)

圖3-4有限元單元網(wǎng)格劃分右邊界寬度－２.5倍坡高左邊界寬度－１.5倍坡高底部邊界高度－１倍坡高

表3-2采用非關(guān)聯(lián)流動法則時不同準(zhǔn)則條件下的安全系數(shù)地基極限承載力主要求解方法滑移線場法增量加載有限元法圖3.3Prandtl破壞機(jī)構(gòu)圖圖3.1計(jì)算簡圖及有限元剖分

表3.1非關(guān)聯(lián)流動法則下極限承載力計(jì)算結(jié)果(ψ＝0)Φ（°）0510152025DP160.2382.28118.26182.16296.11497.20DP260.2376.2997.43125.40162.69206.19DP352.1965.8084.13108.00141.32187.78DP454.8170.5191.65122.90169.67238.88DP552.1965.8984.96110.04150.21201.69Prandtl解51.4264.8983.45109.77148.35207.21(DP1－P)/P0.17130.26800.41710.65950.99601.3995(DP2－P)/P0.17130.17570.16750.14240.0967-0.0049(DP3－P)/P0.01500.01400.0081-0.0161-0.0474-0.0918(DP4－P)/P0.06590.08660.09830.11960.14370.1528(DP5－P)/P0.01500.01540.01810.00250.0125-0.0266

1.高邊墻地下洞室的整體安全系數(shù)洞高70m，屬于Ⅳ類圍巖。鋼纖維噴射混凝土單層永久襯砌，砂漿錨桿φ32，L=8m@1.5m×1.5m，全粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索，L=30m@3.0m×3.0m設(shè)計(jì)噸位拱頂160t，邊墻200t，

三、高邊墻地下洞室的安全系數(shù)

表1有限元計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)

圍巖類別變形模量E/GPa泊松比v容重內(nèi)摩擦角粘聚力/MPaⅣ3.00.3220300.4CF30-36.40.225

錨索、錨桿210.00.2778

圖1極限平衡狀態(tài)下圍巖的塑性區(qū)分布圖圖2P1路徑上的塑性應(yīng)變分布安全系數(shù)1.67由塑性應(yīng)變突變點(diǎn)求滑移面

圖3P2路徑上的塑性應(yīng)變分布圖4P3路徑上的塑性應(yīng)變分布

圖5P4路徑上的塑性應(yīng)變分布圖6PP路徑上的塑性應(yīng)變分布

圖8Ⅳ類圍巖極限平衡狀態(tài)下圍巖的塑性應(yīng)變云圖圖7滑移面

2．高邊墻地下洞室的局部安全系數(shù)Ⅲ類圍巖，巖脈發(fā)育，節(jié)理密集。碎塊狀—裂隙狀結(jié)構(gòu)。節(jié)理傾角75°洞高25m,錨桿Ф25，L=6/8m，邊墻錨索每側(cè)3條，預(yù)應(yīng)力為1000kN，間距@4.5m×6.0m，襯砌C20混凝土厚度20cm。吊車噸位250噸。

表8.4有限元計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)(1)變形模量E(GPa)泊松比容重kN/m3粘聚力c(MPa)內(nèi)摩擦角°Ⅲ類圍巖100.28241.045節(jié)理100.3230.1535拱頂及吊車梁300.2252.3555邊梁25.50.225錨索2100.2778

圖8.22圍巖塑性區(qū)分布圖(k=1.2)圖8.23圍巖塑性區(qū)分布圖(k=2.1)(最大塑性應(yīng)變0.00418)最大塑性應(yīng)變0.00313安全系數(shù)為k=1.2加強(qiáng)后

表8.6圍巖支護(hù)加強(qiáng)措施及計(jì)算結(jié)果匯總表節(jié)理2c=0.15MPa節(jié)理情況加強(qiáng)支護(hù)措施安全系數(shù)K

=350⑴只增加錨桿的數(shù)量，使錨桿間距為1.5m×1.5m，1.8⑵只增加預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力為1000kN，數(shù)量增加一倍，間距變?yōu)?.5m×3.0m(高×寬)，長度為20m1.6⑶增加錨桿的數(shù)量，使錨桿間距為1.5m×1.5m同時增加預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)為1000kN，數(shù)量增加一倍，間距變?yōu)?.5m×3.0m(高×寬)，長度為20m2.1⑷加強(qiáng)措施同上⑶，但是錨桿加密范圍為拱腳至邊墻中下部2.0

四、公路隧道安全系數(shù)某半圓拱形公路隧道尺寸為9.4m8.5m（寬高），埋深50m。根據(jù)國標(biāo)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》GB5021894,分別屬于Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ類圍巖。計(jì)算準(zhǔn)則采用摩爾庫侖等面積圓屈服準(zhǔn)則DP3。1.工程概況

圍巖類別E/GPa/kNm3/()c/MPaⅡ上300.222700602.0Ⅱ下200.252700501.5Ⅲ下100.302500390.7Ⅳ下50.352400270.35表25巖體物理力學(xué)參數(shù)

不同圍巖類別條件下的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果與分析圍巖類別埋深/m泊松比安全系數(shù)Ⅱ下500.254.23Ⅲ下500.302.61Ⅳ下500.351.85Ⅲ下500.252.63Ⅳ下500.251.87Ⅱ下1500.252.05Ⅲ下1500.301.52Ⅳ下1500.351.19

圖48

Ⅱ下圍巖的等效塑性應(yīng)變和潛在破壞面(

=0.25)

圖49Ⅱ下圍巖的塑性區(qū)(

=0.25)

1、巖石越好，安全系數(shù)越高，破壞區(qū)越??；2、泊松比不同，安全系數(shù)不變；3、埋深越大，安全系數(shù)越?。?、泊松比越小，塑性區(qū)越大。

Ⅲ下圍巖等效塑性應(yīng)變和潛在破壞面

(

=0.30)

Ⅲ下圍巖塑性區(qū)（

=0.30）

圖52Ⅳ下圍巖的等效塑性應(yīng)變和潛在破壞面(

=0.35)

圖53Ⅳ下類圍巖的塑性區(qū)(

=0.35)

五、海底隧道整體安全系數(shù)1．建設(shè)情況已建海底隧道：日本關(guān)門隧道（1944），日本青函隧道，英法海峽隧道，丹麥大海峽隧道，東京灣渡海公路隧道。擬建、在建海底隧道：日本日韓海底隧道，直布羅陀海峽隧道，意大利墨西拿海峽隧道，我國廈門隧道，青黃隧道。

2．海底隧道設(shè)計(jì)方案荷載=巖石壓力+水壓考慮襯砌上海水壓力不同全水頭情況：①土質(zhì)隧道、滲透性強(qiáng)破碎巖層隧道②盾構(gòu)法施工隧道

無水頭情況：

①巖體完整、滲透性小、排水卸壓隧道完全避免滲水是不可能的也是不必要的主要的工作是降低滲水,達(dá)到可接受的水平，挪威海底隧道規(guī)范規(guī)定允許的滲流量為300升/公里/分鐘。海底隧道襯砌按排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不承受水壓力②斷層、破碎帶、注漿堵水，局部加固對探測孔的滲水進(jìn)行量測，如果滲水量大于5~6升/分鐘，則需要灌漿。

灌漿堵水

3．隧道計(jì)算模型巖體完整、堅(jiān)硬、局部有破碎帶上覆巖層25m

海水高度45m

雙洞間距1.5d

破碎帶傾角45°與90°，寬1m與2m，

圖1傾角45破碎帶注漿封堵后計(jì)算示意圖

表1巖體力學(xué)參數(shù)巖體彈性模量EGPa泊松比粘聚力cMPa內(nèi)摩擦角重度KN/m3圍巖250.253.54526破碎帶20.350.32522注漿段水圈40.30.63024第一方案

表2巖體力學(xué)參數(shù)第二方案。彈性模量EGPa泊松比粘聚力cMPa內(nèi)摩擦角重度KN/m3圍巖250.253.04026破碎帶10.350.152522注漿堵水圈40.30.63024

4．計(jì)算結(jié)果①安全系數(shù)（第一方案）

表3計(jì)算模型及安全系數(shù)模型圍巖狀況安全系數(shù)模型一完整圍巖隧道6.53模型二圍巖含2m寬45破碎帶，無堵水情況3.63模型三圍巖含2m寬90破碎帶，無堵水情況4.74

模型四圍巖含1m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為3m4.24模型五圍巖含1m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為5m4.69模型六圍巖含2m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為3m3.79模型七圍巖含2m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為5m3.99模型八圍巖含1m寬90破碎帶，注漿封堵厚度為3m5.84模型九圍巖含1m寬90破碎帶，注漿封堵厚度為5m5.97模型十圍巖含2m寬90破碎帶，堵3m5.39模型十一圍巖含2m寬90破碎帶，堵5m5.70

4．計(jì)算結(jié)果①安全系數(shù)（第二方案）表4計(jì)算模型及安全系數(shù)模型圍巖狀況安全系數(shù)模型一完整圍巖隧道5.21模型二圍巖含2m寬45破碎帶，無堵水情況1.94模型三圍巖含2m寬90破碎帶，無堵水情況2.20模型四圍巖含1m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為3m2.54模型五圍巖含1m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為5m2.90模型六圍巖含2m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為3m2.25模型七圍巖含2m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為5m2.57模型八圍巖含1m寬90破碎帶，注漿封堵厚度為3m2.53模型九圍巖含1m寬90破碎帶，注漿封堵厚度為5m2.61模型十圍巖含2m寬90破碎帶，注漿封堵厚度為3m2.48模型十一圍巖含2m寬90破碎帶，注漿封堵厚度為5m2.55

結(jié)論：完整隧道安全系數(shù)最大；45°破碎帶寬2m，無堵水情況，安全系數(shù)最??；破碎帶愈寬，安全系數(shù)愈??；堵水圈厚度愈大，安全系數(shù)愈大。

②塑性區(qū)與破壞區(qū)

圖2極限狀態(tài)下完整塑性應(yīng)變圖和塑性區(qū)圖破壞區(qū)在洞間底角

圖3模型2的塑性應(yīng)變和塑性區(qū)

破壞區(qū)在破碎帶底端圍巖含2m寬45破碎帶，無堵水情況

圖4模型3的塑性應(yīng)變和塑性區(qū)

圍巖含2m寬90破碎帶，無堵水情況

破壞區(qū)在洞間底角

圖5模型4的塑性應(yīng)變和塑性區(qū)圍巖含1m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為3m

圖6模型5的塑性應(yīng)變和塑性區(qū)

圍巖含1m寬45破碎帶，注漿封堵厚度為5m

圖5、圖6表明，堵水處塑性應(yīng)變最大，需作局部驗(yàn)算