CN108842821B - 一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值。

Description

一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法

技术领域

本发明涉及一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法。

背景技术

我国海岸线绵长，海峡与海湾的存在将大陆与大陆之间隔开，造成了很大的交通障碍，给人们的出行带来诸多不便，也形成了一定的文化差异。随着人类工程修建水平的提高，逐渐出现了很多跨越海峡与海湾的方式，如轮渡、桥梁以及修建海底隧道，而海底隧道以其受气象条件影响小、抗震性能好等独特的优势在诸多跨越方案中成为首选方式。随着国家经济的不断发展，我国有多条海底隧道处于运行或规划建设阶段，例如：厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾隧道、琼州海峡海底铁路隧道、大连市区海湾海底隧道、渤海湾大连至烟台海底铁路隧道、台湾海峡海底隧道等。海底隧道的开挖方法多种多样，因地而异，主要有钻爆法、沉管法、掘进机法(盾构法、TBM法)等。国外已修建的海底隧道的施工方案中，钻爆法被广泛采用，例如日本的青函隧道、关门铁路隧道，我国已建成通车的厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾隧道均采用钻爆法施工。

海底隧道采用钻爆法施工时，海床平面与隧道拱顶之间合理的岩土层厚度十分重要，它不但是纵断面设计中的关键因素和稳定性支撑结构，更是海水的渗流途径和防止突水的自然屏障。隧道埋深过小将会增加隧道失稳的可能，也会造成隧道涌水量增加，直接影响施工安全；反之，如果隧道埋深过大，作用于隧道衬砌结构上的水压力也相应增加，这便意味着隧道长度的增加，后果便是隧道造价及运营成本的升高。因此，确定合理的隧道埋置深度直接影响海底隧道的施工安全和隧道整体造价，是海底隧道设计规划的核心参数与关键指标。

世界范围内，自二十世纪三十年代修建海底隧道开始，在确定钻爆法修建海底隧道合理埋置深度时，一直缺少一套完整的、成熟的、系统的计算方法来计算估计海底隧道的合理埋置深度，由于影响钻爆法修建海底隧道合理埋深的因素众多，包括水土压力、围岩稳定性、隧道涌水量、断裂损伤、流固耦合、海水渗流、地震荷载、爆破荷载、地质条件、注浆加固条件、海水侵蚀、工程经验、地基沉降等等，难以将这些影响因素综合考虑。现阶段，在确定钻爆法修建海底隧道合理埋深时大多采用工程类比法，此方法存在的问题是：一方面，由于工程类比的特殊性，难以确定出一套统一的类比推算操作步骤，使得此方法步骤繁琐、使用不便，增加估算难度；另一方面，任何一条海底隧道修建的场地条件、施工方法、设计概况等影响其合理埋深的因素不可能完全与已修建隧道的条件相仿，影响隧道合理埋深的主要因素存在差异性，即影响隧道合理埋深的因素所占的权重不同，而工程类比法难以将各影响因素的权重考虑在内，因此工程类比法直接暴露出其计算结果有误差的弊端；此外，挪威建设海底隧道经验方法、日本最小涌水量经验法等工程类比法确定的隧道埋深值往往会产生一定误差或取值偏于保守。因此亟需一种完整的、系统的钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，本发明综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算根据工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全等单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值，为海底隧道的钻爆法施工提供参考。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值。

进一步的，进行岩土工程勘察，收集隧道选线区域的地质文献资料，进行详细的工程地质测绘、工程地质物探和工程地质钻探，调查隧道选线地域的地形地貌、地质构造、气象条件、岩层性质、不良地质分布与水文条件要素，并进行原位实验及室内实验等，获取相应的土力学、水力学参数。

岩土力学实验包括抽水和压水实验、孔内波速实验、单轴抗压试验和三轴剪切试验，以获取岩层物理力学参数及渗透性参数。

海底隧道的岩土工程勘察应结合海底隧道超前预报技术，根据海底隧道具体的地质条件，确定超前预报方法。

进一步的，利用工程类比法进行土力学、水力学参数综合比选，得到确定出的隧道初始埋深值作为参照。

进一步的，工程类比法包括顶水采煤值法、挪威修建海底隧道经验值法或日本最小涌水量法。

进一步的，分别考虑围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破振动荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全及其他影响因素，确定出各单一因素主导影响下的隧道合理埋深值。

对围岩的应力分布进行计算与分析，利用数值分析软件模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深产生的不同时效变形、应力状态的变形特性和力学响应，分别确定不同隧道埋深值下的隧道塑性区的范围，由此得到由围岩稳定性确定的隧道埋深值。

由岩石断裂损伤确定海底隧道埋深值时，运用断裂力学及损伤力学理论，运用断裂损伤三维有限元计算机软件，模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深引起的隧道塑性区和节理损伤演化区的响应，由此得到由岩石断裂损伤确定的隧道埋深值。

由爆破振动荷载和地震荷载确定海底隧道埋深值时，在围岩稳定性分析、岩石断裂损伤分析的基础上，运用计算机软件模拟分析拟建海底隧道的震动造成的动力响应及应力状态的变形特性，进行循环计算，得到由爆破振动荷载确定的隧道埋深值。

由排水设计与成本确定海底隧道埋深值时，考虑隧道涌水量对排水设计与成本的影响，最小涌水量对应最小排水设计成本，综合运用日本最小涌水量数值计算与海底隧道流固耦合实验，确定最小涌水量对应的隧道埋深值。

由隧道施工安全确定海底隧道埋深值时，进行海底隧道流固耦合模型试验，得到模型在不同隧道埋深下的位移、应力和渗透性参数，并进行隧道涌水量的模拟预测，以此获得由隧道施工安全确定的海底隧道埋深值。

进一步的，根据钻爆法海底隧道的施工场地条件，进行多层次因素综合分析，分析各影响因素对拟建海底隧道埋深的重要性关系，根据层次分析法计算出各影响因素的权重值。

具体包括：建立递阶层次结构，用影响钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素两两重要性程度之比的形式表示出任意两个影响因素的相对重要性程度的等级，按钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素的两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵，进而进行一致性检验，利用几何平均法计算各影响因素的权重值。

进一步的，影响因素还可包括环境保护要求、海水侵蚀、工程造价、工程项目管理、海水潮汐和施工技术水平中的任一或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算根据工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全等单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值，为海底隧道的钻爆法施工提供参考，形成了完整、系统的计算方法。

本发明克服了钻爆法修建海底隧道时影响因素众多造成的合理埋深值估算不准确的难题，可以准确地计算出钻爆法修建海底隧道时的合理埋深值，计算程序简便易行，步骤明确有序，提供的计算结果较为安全可靠。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的计算总流程图；

图2是本发明的递阶层次结构图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，钻爆法海底隧道合理埋深的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：进行岩土工程勘察，收集隧道选线区域的地质文献资料，进行详细的工程地质测绘、工程地质物探、工程地质钻探等探查工作，调查隧道选线地域的地形地貌、地质构造、气象条件、岩层性质、不良地质分布、水文条件等要素，并进行原位实验及室内实验等，获取相应的土力学、水力学参数；

步骤二：在上一步骤的基础上，由挪威经验值法、日本最小涌水量经验法等工程类比法综合比选，得到由工程类比法确定出的隧道初始埋深值作为参照；

步骤三：分别考虑围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破振动荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全及其他影响因素，确定出各单一因素主导影响下的隧道合理埋深值；

步骤四：根据钻爆法海底隧道的施工场地条件，进行多层次因素综合分析，分析各影响因素对拟建海底隧道埋深的重要性关系，根据层次分析法计算出各影响因素的权重值；

步骤五：由权重分析法得到的各影响因素的的权重值计算得到最终的钻爆法修建海底隧道的合理埋深值，为海底隧道的钻爆法施工提供参考。

总流程如图1所示。

步骤一中，钻爆法修建海底隧道的岩土工程勘察应重点查明海底地形地貌、地质构造情况、地层岩性、地震带分布等工程地质条件及水文地质条件；

步骤一中，岩土力学实验包括抽水和压水实验、孔内波速实验、单轴抗压试验、三轴剪切试验等，以获取岩层物理力学参数及渗透性参数等；

步骤一中，海底隧道的岩土工程勘察应结合海底隧道超前预报技术，根据海底隧道具体的地质条件，合理选用TSP、地质雷达、瞬变电磁仪等多种超前预报方法，并相互弥补；

步骤二中，工程类比法主要包括顶水采煤值法、挪威修建海底隧道经验值法、日本最小涌水量法，将国内外钻爆法修建海底隧道的案例列入类比数据库，并提取每个案例的工程地质与水文地质条件等类比项目；

步骤二中，三种工程类比法各有优缺点，应根据拟修建隧道与类比隧道数据库的相似度选用一种或多种方法：顶水采煤确定安全采煤层时，煤层位置岩层软弱，因此钻爆法修建海底隧道穿越软岩区域时可以选用顶水采煤值法；由于挪威修建海底隧道时，大多避免穿越软弱地质带，因此此法对隧道合理埋深取值较为保守；日本最小涌水量法的假定地质条件较为理想化，可将此法预测的海底隧道的合理埋深值作为参考或补充。由此获得隧道初始埋深值D₁；

步骤三中，由围岩稳定性确定海底隧道埋深值时，应在步骤一的基础上对围岩的应力分布进行计算与分析，利用FLAC-3D等有限差分计算机软件模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深产生的不同时效变形、应力状态的变形特性和力学响应，分别确定不同隧道埋深值下的隧道塑性区的范围，由此得到由围岩稳定性确定的隧道埋深值D₂；

步骤三中，由岩石断裂损伤确定海底隧道埋深值时，应在步骤一的基础上，运用断裂力学及损伤力学理论，在MATLAB等数学软件的帮助下，运用断裂损伤三维有限元计算机软件，模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深引起的隧道塑性区和节理损伤演化区的响应，由此得到由岩石断裂损伤确定的隧道埋深值D₃；

步骤三中，钻爆法施工必然会对开挖范围内的岩石力学性能产生不利影响，削弱围岩的稳定性及弹性模量。分析由地震荷载确定的海底隧道埋深时，应根据拟建海底隧道地域的地震带分布确定是否考虑地震荷载对隧道围岩稳定性的影响。由爆破振动荷载和地震荷载确定海底隧道埋深值时，应在步骤一、围岩稳定性分析、岩石断裂损伤分析的基础上，运用FLAC-3D、ABAQUS等计算机软件模拟分析拟建海底隧道的震动造成的动力响应及应力状态的变形特性，编写计算代码并循环计算，得到由爆破振动荷载确定的隧道埋深值D₄及由地震荷载确定的隧道埋深值D₅；

步骤三中，由排水设计与成本确定海底隧道埋深值时，主要考虑隧道涌水量对排水设计与成本的影响，最小涌水量对应最小排水设计成本，应综合运用日本最小涌水量数值计算与海底隧道流固耦合实验，确定最小涌水量对应的隧道埋深值D₆；

步骤三中，隧道施工安全主要指考虑海水的渗流影响，预防隧道的突水，钻爆法施工海底隧道时，隧道的开挖影响了围岩的原始应力状态，直接改变了海水的渗流状态，改变了岩土的力学性质，一旦发生突水事故将会对施工安全造成不可估量的影响；

步骤三中，由隧道施工安全确定海底隧道埋深值时，应进行海底隧道流固耦合模型试验，得到模型在不同隧道埋深下的位移、应力、渗透性参数，并进行隧道涌水量的模拟预测，以此获得由隧道施工安全确定的海底隧道埋深值D₇；

步骤三中，影响因素应不局限于以上几种，应根据拟建海底隧道的具体情况增设影响因素，其他因素包括环境保护要求、海水侵蚀、工程造价、工程项目管理、海水潮汐、施工技术水平等因素；

步骤四中，权重计算应在专家经验法的基础上，结合《隧道钻爆法施工规范》、《公路水下隧道设计规范》等确定各影响因素的重要性关系，应用层次分析法计算钻爆法修建海底隧道各影响因素的权重。

其计算步骤为：

1、建立递阶层次结构如图2所示；

2、构造判断矩阵A：用影响钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素两两重要性程度之比的形式表示出任意两个影响因素的相对重要性程度的等级。用向量a_ij表示影响因素i与影响因素j的重要性相比较的结果，a_ij有九种取值，分别为

分别表示影响因素i对于影响因素j重要程度等级从轻微重要到极端重要。按钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素的两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵，且判断矩阵具有如下性质：

判断矩阵

3、一致性检验：使用层次分析法进行权重计算时，为保证计算结果的准确性，需要进行一致性检验，设判断矩阵A的最大特征值为λ_max。

设有一同阶正定矩阵X,使得AX＝λ_maxX，以此求得判断矩阵A的最大特征值为λ_max，且有一致性检验公式为：

式中：C.I为一致性指标，λ_max为最大特征根，n为矩阵阶数，R.I为平均随机一致性指标(当n＝1,2，…，9时，R.I分别取0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、

1.41、1.45)，C.R为随机一致性比率。

4、计算权重向量值：设钻爆法施工海底隧道合理埋深值的各影响因素的权重值为ω_i(i＝1,2,…，n)。利用几何平均法计算各影响因素的权重值，计算矩阵A各行各个元素的乘积，得到一个n行1列的矩阵B，计算矩阵B中每个元素的n次方根得到矩阵C；对矩阵C进行归一化处理得到矩阵D；该矩阵D即为所求权重向量，即可得钻爆法施工海底隧道合理埋深值的各影响因素的权重值为ω_i(i＝1,2,…，n)。

由此得到钻爆法施工海底隧道的合理埋深值

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值；

利用工程类比法进行土力学、水力学参数综合比选，得到确定出的隧道初始埋深值作为参照；

根据钻爆法海底隧道的施工场地条件，进行多层次因素综合分析，分析各影响因素对拟建海底隧道埋深的重要性关系，根据层次分析法计算出各影响因素的权重值；

具体为：建立递阶层次结构，用影响钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素两两重要性程度之比的形式表示出任意两个影响因素的相对重要性程度的等级，按钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素的两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵，进而进行一致性检验，利用几何平均法计算各影响因素的权重值；

对围岩的应力分布进行计算与分析，利用数值分析软件模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深产生的不同时效变形、应力状态的变形特性和力学响应，分别确定不同隧道埋深值下的隧道塑性区的范围，由此得到由围岩稳定性确定的隧道埋深值；

由岩石断裂损伤确定海底隧道埋深值时，运用断裂力学及损伤力学理论，运用断裂损伤三维有限元计算机软件，模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深引起的隧道塑性区和节理损伤演化区的响应，由此得到由岩石断裂损伤确定的隧道埋深值；

由爆破振动荷载和地震荷载确定海底隧道埋深值时，在围岩稳定性分析、岩石断裂损伤分析的基础上，运用计算机软件模拟分析拟建海底隧道的震动造成的动力响应及应力状态的变形特性，进行循环计算，得到由爆破振动荷载确定的隧道埋深值；

由排水设计与成本确定海底隧道埋深值时，考虑隧道涌水量对排水设计与成本的影响，最小涌水量对应最小排水设计成本，综合运用日本最小涌水量数值计算与海底隧道流固耦合实验，确定最小涌水量对应的隧道埋深值；

由隧道施工安全确定海底隧道埋深值时，进行海底隧道流固耦合模型试验，得到模型在不同隧道埋深下的位移、应力和渗透性参数，并进行隧道涌水量的模拟预测，以此获得由隧道施工安全确定的海底隧道埋深值；

应用层次分析法计算钻爆法修建海底隧道各影响因素的权重，具体为：

构造判断矩阵A：用影响钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素两两重要性程度之比的形式表示出任意两个影响因素的相对重要性程度的等级；用向量a_ij表示影响因素i与影响因素j的重要性相比较的结果，a_ij有九种取值，分别为

分别表示影响因素i对于影响因素j重要程度等级从轻微重要到极端重要；按钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素的两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵，且判断矩阵具有如下性质：

判断矩阵

使用层次分析法进行权重计算时，为保证计算结果的准确性，需要进行一致性检验，设判断矩阵A的最大特征值为λ_max；

设有一同阶正定矩阵X,使得AX＝λ_maxX，以此求得判断矩阵A的最大特征值为λ_max，且有一致性检验公式为：

式中：C.I为一致性指标，λ_max为最大特征根，n为矩阵阶数，R.I为平均随机一致性指标，当n＝1,2，…，9时，R.I分别取0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、

1.41、1.45，C.R为随机一致性比率；

计算权重向量值：设钻爆法施工海底隧道合理埋深值的各影响因素的权重值为ω_i，i＝1,2,…，n,利用几何平均法计算各影响因素的权重值，计算矩阵A各行各个元素的乘积，得到一个n行1列的矩阵B，计算矩阵B中每个元素的n次方根得到矩阵C；对矩阵C进行归一化处理得到矩阵D；该矩阵D即为所求权重向量，即可得钻爆法施工海底隧道合理埋深值的各影响因素的权重值为ω_i，i＝1,2,…，n；

由此得到钻爆法施工海底隧道的合理埋深值为：

2.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：进行岩土工程勘察，收集隧道选线区域的地质文献资料，进行详细的工程地质测绘、工程地质物探和工程地质钻探，调查隧道选线地域的地形地貌、地质构造、气象条件、岩层性质、不良地质分布与水文条件要素，并进行原位实验及室内实验，获取相应的土力学、水力学参数。

3.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：岩土力学实验包括抽水和压水实验、孔内波速实验、单轴抗压试验和三轴剪切试验，以获取岩层物理力学参数及渗透性参数。

4.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：分别考虑围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破振动荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全及其他影响因素，确定出各单一因素主导影响下的隧道合理埋深值。

Images