海底隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性分析

海底隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性分析

1海底隧道設(shè)計(jì)中國擁有兩條長約2.14公里的海岸線、島嶼和海灣。海南島、臺(tái)灣島、香港、澳門、廈門、青島、煙臺(tái)和大連等區(qū)域都是人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。今后隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)跨海峽交通的需求將與日俱增。目前，我國的跨海峽交通靠輪船和飛機(jī)的狀況必將迅速改變，橋梁和隧道并舉是未來跨海峽交通發(fā)展的重點(diǎn)，特別是海峽海底隧道，因其既不受臺(tái)風(fēng)、濃霧天氣條件的影響可以全天候使用，也不象橋梁那樣容易阻塞海上航運(yùn)，而且有利于備戰(zhàn)安全，因此海底隧道成為跨海峽交通的首選方式。世界發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)30年代起，就不斷修建海底隧道。迄今有海底隧道的國家主要包括日本、英國、法國、美國、挪威、澳大利亞、丹麥、冰島等。我國海峽隧道修建起步較晚，但發(fā)展勢頭很快。正在修建的我國第1條海底隧道——廈門東通道工程預(yù)計(jì)2010年建成。項(xiàng)目全長9km，跨海主體工程長約6km，隧道最深在海平面下約70m。第2條海底隧道——青島到黃島將于明年動(dòng)工，全長5.5km。在中俄工程科技研討會(huì)上，錢七虎院士在作“中國巖石(地下)工程的成就、進(jìn)展和挑戰(zhàn)”報(bào)告時(shí)介紹，最近的20～30a內(nèi)，我國正考慮建造5條跨海隧道。海底隧道不同于陸地上的一般山嶺隧道，有其自身的特殊性。主要在于海底隧道位于相對(duì)穩(wěn)定的海平面下，隧道兩端高，中間低，不能采用自然方式排水；海下地質(zhì)勘探更困難，造價(jià)更高。針對(duì)海底隧道的特殊情況，本文調(diào)查大量已建海底隧道的襯砌結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)參數(shù)，論述了海底隧道設(shè)計(jì)理念與計(jì)算方法。針對(duì)某公路海底隧道特定地質(zhì)條件和工程設(shè)計(jì)要求，分別采用馬蹄形、橢圓形、圓形3種結(jié)構(gòu)型式，并用有限元軟件對(duì)這3種型式的二次襯砌在不同荷載作用下進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化比選，選出一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的襯砌結(jié)構(gòu)型式，得出一些建設(shè)性的結(jié)論。2海床上走廊坍塌設(shè)計(jì)總結(jié)修建海底隧道不同于陸上隧道，也不同于跨江河的水下隧道，有其特殊性。針對(duì)其特殊性，論述了海底隧道的設(shè)計(jì)理念、原則和方法。2.1海底循環(huán)排水系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)(1)通過深水進(jìn)行海底地質(zhì)勘測比在地面的地質(zhì)勘測更困難、造價(jià)更高、而且準(zhǔn)確性相對(duì)較低，所以遇到未預(yù)測到的不良地質(zhì)情況風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，必須對(duì)隧道工作面前方很長范圍內(nèi)進(jìn)行超前水平鉆探。(2)海底隧道施工的主要困難是突然涌水，特別是斷層破碎帶的涌水。因此，必須加強(qiáng)施工期間對(duì)不良地質(zhì)和涌水點(diǎn)的預(yù)測和預(yù)報(bào)。(3)沿海底隧道線路布置施工豎井費(fèi)用大，導(dǎo)致連續(xù)的單口掘進(jìn)長度很大，從而對(duì)施工期間的后勤和通風(fēng)有更高的要求。(4)很高的孔隙水壓力會(huì)降低隧道圍巖的有效應(yīng)力，造成較低的成拱作用和地層的穩(wěn)定性。很高的滲水壓力可能導(dǎo)致水在有高滲透性或有擾動(dòng)區(qū)域與開闊水面有渠道相連的地層中大量流入。海底隧道不能自然排水，堵水技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。先注漿加固圍巖，堵注出水點(diǎn)，然后開挖。在堵水的同時(shí)加強(qiáng)機(jī)械排水，以堵為主，堵抽結(jié)合。(5)在高水壓下開挖橫通道是一大技術(shù)難題。采用特殊的施工方法，如超前探孔、注漿防滲加固，可保證施工順利進(jìn)行。(6)海底隧道襯砌上的作用荷載，與陸地隧道有很大的不同。水下隧道除了實(shí)際的覆蓋巖層的壓力外，還有很高的靜水壓力荷載。有效覆蓋巖層荷載可以被地層拱現(xiàn)象降低，而靜水壓力荷載仍保持全值，不能用任何成拱作用來降低。為了建成不透水的隧道，并且使襯砌上的靜水壓力荷載降低到可以承受的程度，有必要在襯砌周圍地層中利用注漿形成一個(gè)注漿密封環(huán)，這樣，靜水壓力就會(huì)首先作用在注漿環(huán)上，避免了直接作用在襯砌上。(7)由于單口連續(xù)掘進(jìn)的距離很長而導(dǎo)致工期很長，財(cái)政投資很高，因此，必須采用能快速掘進(jìn)的設(shè)備。目前修建海底隧道的基本方法有：鉆爆法、沉管法、盾構(gòu)法和掘進(jìn)機(jī)法。除了這幾種施工方法外，還有一種正在試驗(yàn)的跨海水深域的較為經(jīng)濟(jì)的隧道修建方法——水中懸浮隧道，這種方法已有很多研究成果，許多國家準(zhǔn)備將這種設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。2.2基于隧道開挖的控制變形原理海底隧道區(qū)別與陸上隧道，有其特殊性，更多具有一般陸地隧道的共性。鉆爆法隧道設(shè)計(jì)與施工常采用新奧法。新奧法(thenewAustriatunnellingmethod,NATM)基于3個(gè)主要原理的設(shè)計(jì)理念，而不是一種硬性方法。第一，巖土作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，具有支護(hù)由于開挖引起的部分釋放荷載。如有必要，可以通過注漿、錨噴或其他技術(shù)改善巖土條件。應(yīng)該優(yōu)化隧道斷面型狀以減少應(yīng)力集中。通常可以采用分塊開挖減少總體變形量。第二，支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。用優(yōu)化方式，例如補(bǔ)充塊體支護(hù)能力，控制過大變形。隧道襯砌宜采用薄墻圓拱，呈現(xiàn)足夠靈活性，允許適當(dāng)巖土變形量，且提供足夠的強(qiáng)度以吸收剪應(yīng)力和彎矩。噴射噴凝土襯砌非常符合這種要求。第三，加強(qiáng)監(jiān)測?；驹O(shè)計(jì)是根據(jù)工程實(shí)際，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在施工過程中不斷修改開挖方法和支護(hù)形式。優(yōu)化的基本原則為：技術(shù)安全，經(jīng)濟(jì)合理。2.3襯砌結(jié)構(gòu)型式影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)型式選擇和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的主要因素有：隧道使用類型、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、施工方法等。埋深大的海底隧道外水壓力也大，全封堵隧道宜采用圓形襯砌結(jié)構(gòu)型式；TBM掘進(jìn)機(jī)適合圓形襯砌結(jié)構(gòu)型式；鉆爆法適合各種襯砌結(jié)構(gòu)型式。公路和鐵路海底隧道常采用的襯砌結(jié)構(gòu)型式有：馬蹄形、橢圓形和圓形。常用的支護(hù)方法有注漿、錨桿、噴射混凝、鋼拱架、二次襯砌等單一支護(hù)或各種方法聯(lián)合支護(hù)。由于隧道地質(zhì)復(fù)雜性，目前還沒有一種非常精確的計(jì)算理論和方法。海底隧道設(shè)計(jì)中常采用工程類比法初步設(shè)計(jì)，再用荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行驗(yàn)算和優(yōu)化。解析法只適用于較簡單的邊界條件和幾何形狀，所以用得較少。2.3.1冰流速、海底公路、英專路、投運(yùn)風(fēng)道世界上已修建了許多海峽隧道，未建的地方也正在積極研究籌劃中。日本于20世紀(jì)40年代在關(guān)門海峽修建的海底隧道，是世界上最早的海底隧道。日本于1988年在津輕海峽建成了迄今世界上最長的海底隧道——青函隧道，本州和北海道之間實(shí)現(xiàn)了鐵路運(yùn)輸。青函隧道采用馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)型式。冰島1998年完工的華爾峽灣海底公路隧道，隧道由5.8km的單孔道組成。北坡道有3條車道，坡度為8%。中間和南段為兩車道，坡度分別為4.5%和7%。三車道和二車道斷面均采用曲墻拱平底襯砌結(jié)構(gòu)型式。英法海峽隧道從拿破侖時(shí)代(1800年)以來就曾2次開挖，但都停了下來，直到1993年隧道全部貫通，投入運(yùn)營。主要采用掘進(jìn)機(jī)法(TBM)修建。英法海底隧道由2條主隧道和一條服務(wù)隧道組成。3條隧道均采用圓形斷面。正在修建的廈門東通道海底隧道工程是我國第一個(gè)鉆爆法修建的海底隧道。隧道全長約5.9km，其中海域段長約4.2km，埋深為50～70m。廈門東通道海底隧道采用馬蹄形斷面。從目前國內(nèi)外已修建的海底隧道來看，TBM掘進(jìn)機(jī)施工的隧道采用圓形斷面；鉆爆法適合多種斷面型式；埋深較大，全封堵時(shí)常采用圓形斷面；如果采用排水方式，為減少開挖量，常采用馬蹄形或似馬蹄形斷面。2.3.2襯砌構(gòu)件抗拉力設(shè)計(jì)荷載結(jié)構(gòu)法的設(shè)計(jì)原理認(rèn)為，隧道開挖后地層的作用主要是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載(包括主動(dòng)的地層壓力和被動(dòng)的地層壓力)，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。計(jì)算時(shí)先按地層分類法或由實(shí)用公式確定地層壓力，然后按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法計(jì)算襯砌的內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70–2004)提供了作用在襯砌上的主要荷載類型及計(jì)算方法。還要求整體式襯砌的混凝土偏心受壓構(gòu)件，其軸向力的偏心距不宜大于截面厚度的0.45倍。為簡化計(jì)算，本文考慮的主要荷載有圍巖壓力、外水壓力、彈性抗力、地震荷載。2.3.3襯砌和地層的內(nèi)力地層結(jié)構(gòu)法的設(shè)計(jì)原理，是將襯砌和地層視為整體共同受力的統(tǒng)一體系，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算襯砌和地層的內(nèi)力，據(jù)以驗(yàn)算地層的穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。地層結(jié)構(gòu)法比荷載結(jié)構(gòu)法更接近襯砌實(shí)際受力變形過程，可以較好地考慮地層的原始應(yīng)力場、地質(zhì)特性、滲流等對(duì)襯砌變形的影響。綜合考慮地應(yīng)力、滲流等對(duì)襯砌受力的影響，相關(guān)學(xué)者做了大量研究。3常用的抗裂襯砌材料海底隧道常見的襯砌結(jié)構(gòu)型式分為不襯砌、錨噴襯砌、混凝土襯砌(包括鋼筋混凝土襯砌)、鋼板襯砌等幾種基本類型。在混凝土襯砌中按施工方法不同又分為裝配式和現(xiàn)澆式兩種；按應(yīng)力特點(diǎn)可分為普通混凝土襯砌和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌；按襯砌設(shè)計(jì)原則的不同又分為抗裂襯砌與開裂襯砌；在開裂襯砌中按是否限制裂縫寬度分為限裂襯砌與非限裂襯砌。海水含鹽高，二次襯砌采用抗腐蝕性混凝土。海底隧道與陸上隧道作用不同之處在于海底隧道除了實(shí)際覆蓋層以外，還有很高的靜水壓力。海底隧道所受的主要荷載有外水壓力、圍巖壓力、地層彈性抗力、地層摩擦力、襯砌自重、灌漿壓力、地震荷載。本文計(jì)算主要考慮外水壓力、圍巖壓力、地震荷載的影響，并給出這3種荷載的計(jì)算方法。3.1襯砌的滲流體積力外水壓力則為作用于襯砌外緣的面力。嚴(yán)格地說，僅當(dāng)襯砌不透水時(shí)，水對(duì)襯砌的作用力才是表面力。由于混凝土襯砌是透水的，因此水對(duì)襯砌的作用是滲流體積力。當(dāng)襯砌與圍巖接觸面形成間隙，作用于襯砌內(nèi)的滲流體積力可近似用襯砌內(nèi)外緣的水壓力代替，襯砌外緣的水壓力稱之為外水壓力。外水壓力有下述2種計(jì)算方法。3.1.1砌–圍巖滲流場表面應(yīng)力場計(jì)算當(dāng)襯砌不透水或滲透性極小，并與圍巖結(jié)合不緊密時(shí)，地下水從圍巖中滲出，而以全部接觸面積作用于襯砌–圍巖脫離外表面時(shí)，體積力轉(zhuǎn)化為邊界力：式中：P為外水壓力，β為外水壓力修正系數(shù)，γw為地下水重度，H為滲流場模擬出的水頭。目前有關(guān)外水壓力計(jì)算時(shí)所采用的外水壓力折減系數(shù)主要是根據(jù)水電部門《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SD134–84)的有關(guān)規(guī)定。文中總結(jié)了多種外水壓力折減系數(shù)取值方法。3.1.2圍巖滲流場與圍巖力學(xué)作用由于圍巖和襯砌都是透水介質(zhì)，當(dāng)隧洞襯砌和圍巖緊密結(jié)合時(shí)，可以認(rèn)為地下水的滲流運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，不僅存在于巖體中，同時(shí)也存在于襯砌中，其力學(xué)作用可以理解為一種體積力。隧洞開挖完成后，洞內(nèi)水壓力較小或水壓力為0，這時(shí)地下水將向洞內(nèi)滲透而形成滲流場h(x,y,z)。在地下水位以下的空間，每一點(diǎn)都作用有與水力梯度成正比的滲透體積力荷載：式中：x,y,z為笛卡兒坐標(biāo)，z以向上為正；γ為水的容重。3.2圍巖寬度影響系數(shù)圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平均布?jí)毫Φ淖饔脴?biāo)準(zhǔn)可按下式確定。垂直均布?jí)毫Γ菏街校簈y為圍巖垂直均布?jí)毫?kN/m3)；γ為圍巖重度(kN/m3)；s為圍巖類別；ω為寬度影響系數(shù)，且ω=1+i(B-)5,B為坑道寬度(m)，i為B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率，以B=5m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B<5m時(shí)，取i=02.，B=5～15m時(shí)，取i=0.1。水平均布?jí)毫Γ菏街校害聻樗綁毫ο禂?shù)，IV類圍巖時(shí)取β=.015～0.30。3.3被動(dòng)荷載抗力作用于隧洞襯砌上的荷載大多數(shù)是主動(dòng)性質(zhì)的荷載，例如山巖壓力、水壓力等；也有一種荷載是被動(dòng)性質(zhì)的荷載，即地層彈性抗力。根據(jù)文克爾法則，地層的彈性抗力P′和襯砌的變位δ成正比，即式中：k為地層的彈性抗力系數(shù)。3.4平、cn根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004–89)，隧道襯砌和明洞上任一計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的水平地震荷載，應(yīng)按下式計(jì)算：式中：iE為水平地震荷載(kN)；iC為重要性修正系數(shù)，對(duì)于抗震重點(diǎn)工程，取1.7，對(duì)于二級(jí)公路，取1.0，對(duì)于三、四級(jí)公路的抗震重點(diǎn)工程，取0.6;Cz為綜合影響系數(shù)，巖石地基的明洞采用0.2，其他采用0.25;Kh為水平地震系數(shù)，基本烈度為7度時(shí)，Kh取為0.1，基本烈度為8度時(shí)，Kh取為0.2，基本烈度為9度時(shí)，Kh取為0.4;Gis為構(gòu)造物計(jì)算點(diǎn)的重力或計(jì)算土柱的重力(kN)。4海床上走廊的二次加固優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1海底隧道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)我國擬建的某公路海底隧道預(yù)計(jì)長度為12.5～15.0km，海底埋深為-100～-150m。采用鉆爆暗挖法施工。隧道穿越海域水面寬度約4.3～6.1km，設(shè)計(jì)高潮位為4.64m(黃海高程)，設(shè)計(jì)低潮水位為-1.79m，隧址區(qū)海域深度為10～30m，局部發(fā)育深槽，深槽段最大水深為37.14m；兩岸基巖出露，海域大部分發(fā)育第四紀(jì)地層，自上而下依次為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、亞粘土、砂層、亞粘土、卵石夾中粗砂、含礫性粘土、全～強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、弱～微風(fēng)化凝灰?guī)r等，基巖埋深較大。在隧位兩岸實(shí)測地震動(dòng)峰值加速度概率計(jì)算為：P50=10%，0.0611～0.0685g。與動(dòng)峰值加速度相對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為VI度。因公路海底隧道為及其重要的構(gòu)造物，為此設(shè)防烈度為VII度。采用二車道隧道建設(shè)方案，按照二車道高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算行車100km/h，根據(jù)交通部《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ001–97)和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70–2004)設(shè)計(jì)。隧道建筑限界凈寬：隧道建筑限界凈高：5.0m隧道兩側(cè)不設(shè)檢修道。隧道建筑限界以外的空間安裝各種通風(fēng)、照明、監(jiān)控、通信等設(shè)備。此外，由于海底隧道防水要求，全長設(shè)置仰拱，各種通訊管線及城市公用管溝將在隧道內(nèi)通過。為選出較優(yōu)的襯砌結(jié)構(gòu)型式，且在滿足上述使用功能的前提下，提出馬蹄形、橢圓形、圓形3種襯砌結(jié)構(gòu)型式。采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)這3種襯砌結(jié)構(gòu)型式的二次襯砌進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。4.2抗壓強(qiáng)度及抗拉極限強(qiáng)度該計(jì)算采用有限元軟件ANSYS7.0進(jìn)行。在計(jì)算中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)選取梁單元(beam3)，圍巖彈性抗力用非線性彈簧單元(combin39)模擬，其本構(gòu)關(guān)系見圖1。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70–2004)結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)定，當(dāng)軸向力偏心矩0e≤0.20h(此處h為襯砌厚度)時(shí)，由材料抗壓強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)承載能力，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：式中：Ra=28.1MP為混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；b為截面寬度(m)；h為截面厚度(m)；?為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，取為1；α為軸向力的偏心影響系數(shù)。當(dāng)軸向力偏心矩0e≥0.20h時(shí)，由材料的抗拉強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)承載力，應(yīng)按照下式進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算：式中：Rl=28.1MPa為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，K為安全系數(shù)，取為2.4;N為軸向力(kN)；0e為軸向力偏心矩。4.2.1次襯砌受力分析馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)頂部和側(cè)墻能承受較大的外荷載，但仰拱扁平，對(duì)較大靜水壓力承載能力有限。為此，墻腳處設(shè)置排水孔，左右對(duì)稱分布。二次襯砌和噴射混凝土初期支護(hù)間施加防水墊層。設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。有限元計(jì)算模型見圖3。假定防水墊層透水性強(qiáng)，按二次襯砌受到0.1MPa外水壓力+圍巖壓力+地震荷載驗(yàn)算，計(jì)算安全系數(shù)見表2。假定防水層透水性弱，在拱頂承載0.8MPa外水壓力，仰拱承載0.1MPa外水壓力，外水壓力從拱頂?shù)窖龉俺侍荻确植甲饔迷诙我r砌上，荷載見圖4。這時(shí)外水壓力遠(yuǎn)大于圍巖壓力和地震荷載，只按外水壓力驗(yàn)算。計(jì)算安全系數(shù)見表3。由圖5,6可知，在兩荷載假定下襯砌受力均勻，無較大應(yīng)力集中現(xiàn)象。由表2,3安全系數(shù)對(duì)比分析，在排水方式下，馬蹄形斷面二次襯砌能承受較大梯度外水壓力，0.6m厚度襯砌并能滿足強(qiáng)度要求。4.2.2襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算為使隧道二次襯砌能承受較大靜水壓力，減小開挖量，隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成似橢圓形，見圖7。初步設(shè)計(jì)9種襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。在0.5MPa靜水壓力作用下，取襯砌厚度0.6m，分別對(duì)9種襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算(見表5)，計(jì)算模型見圖8，計(jì)算襯砌受力見圖9。由圖9可知，最大正彎矩出現(xiàn)在拱腳位置，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在仰拱中間。除了編號(hào)9，只有編號(hào)1,2,8安全系數(shù)大于1。編號(hào)1和8安