CN109779641A - 一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构及施工方法，属于土木工程领域。针对传统隧道结构和施工方法难以满足复杂地质条件下长距离水下隧道的施工建设要求、抗震性能差、易发生突水事故等问题，本发明提供一种，先盾构后顶管的组合式长距离海底隧道结构及施工方法，在盾构界面与二次顶管空隙填充柔性防水、抗震材料，并将水引入围岩内侧，利用海水连通式自平衡特性加强围岩承载能力。给出了利用水压自平衡提升围岩支护效果的算法，并提出了刚性壳‑弹簧阻尼‑接触面的抗震结构模型。与现有隧道结构及施工方法相比，解决了传统长距离海底隧道易透水、难施工、抗震能力差的问题。是一种适合复杂海况、地质条件的新型海底隧道结构形式及施工方法。

Description

一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构及施工方法

技术领域

本专利属于土木工程领域，涉及一种长距离复杂地质条件下海底隧道的施工结构及方法，尤其涉及一种利用水压自平衡能力及柔性充填材料进行隧道支护、抗震及防水的组合式隧道结构及施工方法。

背景技术

21世纪被称为“海洋的世纪”，在陆地交通高速发展的背景下，海洋交通运输领域将成为未来巨大的发展空间。水下隧道作为新兴的交通方式，横跨江海、沟通两岸，近年来在我国得到了广泛的应用。相较于传统的水上桥梁类工程，隧道结构抵抗风浪的能力强，对水上交通、航运的影响小，使得空间运输效率更加合理高效。

但海底复杂的地质条件以及不稳定的海况条件给海底隧道尤其是长距离海底隧道的设计施工提出了巨大挑战，海域内分布的侵蚀陡坎、潮流沙脊、海底滑坡等不良地质条件等会进一步的增加海底隧道的设计施工难度。目前世界上最长的成功修建并运营的水下隧道为日本的青函海底铁路隧道，全长53.85公里。而我国目前处于规划设计中的烟大海底隧道施工里程预计可达123公里，横跨渤海海峡，海域海底地质条件复杂多变，部分地段淤泥沉积承载力差，超长的施工里程也使得施工技术难度加大，施工的安全性难以得到保证。

传统的隧道施工方法对应不同的地质条件有不各自的优缺点，矿山法施工断面利用率高、施工手段灵活，但地质勘探的难度大，对复杂地层适应性较差；盾构法较多在软弱地层中挖掘隧道时使用，其优势在于在盾构机内进行开挖和衬砌，作业安全，操作机械化节省人力，但在软硬不均地层以及纵坡转换时掘进困难、管片抗浮与防水要求高，应对事故能力差、海底检修和盾构对接难度大。沉埋顶管法作业，构建大多在工厂中预制完成，安全性高整体防水性好，但对基础的稳定性要求高，且施工中下沉定位及水下连接的难度很大。

在长距离海底隧道的施工过程中，海底地质条件复杂多变极易发生透水事故，传统的施工方法难以满足技术需要。本发明提供的一种连通式自平衡海底隧道结构及施工方法，利用水压自平衡特性减少水下隧道围岩受力，利用柔性充填材料进行隧道支护、抗震及防水，将传统施工方法进行创新组合，具有施工安全性高、可监测性强、适应复杂不良的海底地质条件等优点，对于解决长距离、复杂地质条件海底隧道的施工建设有重要的参考意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种连通式自平衡海底隧道结构及施工方法，以实现复杂海底地质条件下长里程海底隧道的设计施工。该方法基于水压自平衡特性和组合施工理念，利用柔性充填材料进行隧道支护、抗震及防水，结合了盾构法和顶管法施工的优点，很好的避免了突水事故造成的损失，使在不良地质条件下的施工更加安全稳定。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构，该复合型海底隧道结构包括一次盾构掌子面1、围岩锚喷支护层2、顶管固定弹性支座3、半刚性顶管4、抗震层5、引水孔6、中空注浆锚杆7、钢缆8和剪力键9；

所述的一次盾构掌子面1是由盾构机作用于注浆加固后的海底岩层形成的，其表面光滑、平整，具有防水能力；所述的围岩锚喷支护层2靠近一次盾构掌子面1，用于加固支撑隧道围岩；所述的顶管固定弹性支座3内连围岩锚喷支护层2，外连半刚性顶管4，用于固定半刚性顶管4；所述的抗震层5为柔性防水材料，用于填充围岩锚喷支护层2与半刚性顶管4之间的空隙；所述的引水孔6 设置于围岩锚喷支护层2外围，且与围岩锚喷支护层2内侧相通，用于引水，在围岩锚喷支护层2与抗震层5之间形成水密承压层；所述的中空注浆锚杆7设置于围岩锚喷支护层2外围，用于锚固和支护围岩锚喷支护层2；所述的钢缆 8，用于连接、加固半刚性顶管4；所述的剪力键设置于9半刚性顶管4上，用于提高半刚性顶管4的抗剪性能。

所述一次盾构掌子面1应光滑、平整，具有一定的防水能力，在一次盾构掌子面1处进行超前探水预报工作，确认安全后进行下一步的盾构施工。所述围岩锚喷支护层2采用注浆锚杆、挂网喷射的形式，利用新奥法，加强围岩的承载能力。所述半刚性顶管4安装于顶管固定弹性支座3上，在半刚性顶管4 与围岩锚喷支护层2间充填抗震层5。待上述施工结束后开凿引水孔6。

一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构的施工方法，步骤如下：

步骤一，探水、堵水、注浆加固。即在隧道开挖之前，在工作面四周钻孔，探明地下水以及石质情况，然后用注浆泵把不透水的水泥-水玻璃凝结物从钻孔中压入岩层裂隙，截断地下水流，固结破碎围岩。

步骤二，采用大直径掘进机进行一次盾构，再利用中空注浆锚杆7进行围岩的锚固和支护，形成一次盾构掌子面1；盾构的过程中，需要探水注浆一段、盾构一段，段段稳步推进，且每一次盾构的长度应小于注浆加固的长度，留一段不盾构作为下一次探水注浆的止水岩盘，防止未注浆段地下水涌入作业面或下一次注浆时跑浆。

步骤三，利用新奥法原理进行支护衬砌，即通过在一次盾构掌子面1上打入中空注浆锚杆7，依次注浆、挂网、喷射混凝土保护层，形成围岩锚喷支护层 2。

步骤四，在围岩锚喷支护层2内壁上安装顶管固定弹性支座3，并分段顶进半刚性顶管4，在半刚性顶管4之间设置剪力键4，剪力键4之间通过钢缆8连接。

步骤五，在围岩锚喷支护层2内侧和半刚性顶管4外侧空隙处充填柔性防水材料，形成抗震层5，起到防水、抗震的作用。

步骤六，在海面进行船上作业，在围岩锚喷支护层2的外层钻引水孔6，引水进入围岩锚喷支护层2内侧，形成水密承压层，既减少围岩所受外力，又压密柔性防水材料。

所述步骤四中，顶管固定弹性支座3每隔20m布置一组。

本发明方法的原理：

本发明中涉及的“水压自平衡”方法将水引进围岩锚喷支护层与半刚性顶管之间的空隙，提高了围岩的承载能力，压密了柔性防水抗震材料。同时本发明采取的符合施工方法突出了盾构施工及顶管施工的优点，且互相克服了之间的不足。

1、水压自平衡对围岩内外受力分析见图2：

隧道应力计算建立在以下三个假设：(1)在不计天然应力场沿隧道截面高度方向的变化。(2)洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑。(3)围岩视为各向同性、连续、均质的线弹性体。基于以上假设，可将本问题看作两个柯西课题的叠加，如图1所示模型：

式中：σ_θ为θ方向的正应力，σ_r为r方向的正应力，τ为所受的切应力，σ_y为竖直方向应力大小，K₀为静止侧压力系数，R₀为洞室半径，r为所求处到洞室中心的距离，θ为所求处与x轴夹角。

(1)当隧道未引入水时，对隧道的内壁围岩进行受力分析，即r＝R₀,σ_y＝ (γ_wh₁+γh₂),代入上式可得围岩应力分布。

式中：σ′_θ为未引水时围岩某点θ方向的正应力，σ′_r为未引水时围岩某点r 方向的正应力，τ′为未引水时围岩某点切应力大小，γ_w为海水的重度，h₁为海水深度，γ为海底岩土层的重度(γ>γ_w)，h₂为海底岩土层顶部到隧道围岩的高度。

(2)引水后，隧道内侧受力简化为静水压力状态应力场，则侧向压力系数为K₀＝1，进行受力分析可得：

式中：σ_θ水为静水作用下θ方向的应力，σ_r水为静水作用下r方向的应力，τ_水为静水作用下的切应力，σ_w为海水提供的应力，σ_w＝γ_w(h₁+h₂)。将水引入后，静水压力由洞室内指向外，考虑引入水后的洞室内部水压力，得到的应力计算式如下：

代入r＝R₀,σ_y＝(γ_wh₁+γh₂)，γ_w(h₁+h₂)，得到引水后的围岩应力大小。

式中：σ″_θ为引入水后θ方向的正应力，σ″_r为引入水后r方向的正应力，τ″为引入水后围岩所受的切应力。

通过上述计算可知，引入水后内外水压自平衡，围岩锚喷支护层所提供的支持力减小，围岩趋于稳定安全。如图所示6，以侧压系数K₀＝0.5、1.5为例，绘制围岩应力分布图，可见引水后的隧道结构的承载效果得到了显著提升。

(3)海水引入后，受海水压力作用柔性防水层被压密，围绕防水层形成一圈水压自平衡层，水压自平衡层的厚度ΔL可由下式计算：

ΔL＝εXL

式中：ε为柔性防水材料的应变，假设柔性防水材料为弹性材料，其变形模量为E。由此式得到的ε与柔性防水材料的厚度L的乘积可得到它的变形量。

2、隧道结构抗震机理分析：

由于抗震层5与水压自平衡层的联合作用，本发明提出的海底隧道结构的抗震性能得到了极大地提升，其中水压自平衡层与外界海水相连，在地震荷载作用时可起到阻尼的作用，柔性防水材料可等效为缓冲弹簧。由围岩锚喷支护层、水压自平衡层、柔性防水材料、半刚性顶管结构整体组成如图7所示的刚性壳-弹簧阻尼-接触面的抗震模型结构。

基于新奥法，第一次盾构形成的围岩锚喷支护层构成了结构的外部刚性壳，为结构整体抵抗荷载的第一道保护层。柔性防水材料除起到很好的防水效果外也是一种高效的让压材料，并与水压自平衡层构成了隧道的弹簧阻尼结构，在地震荷载作用下弹簧阻尼结构通过自身的形变耗能可很大程度上的减小地震荷载对内部半刚性顶管结构的破坏作用。内层的半刚性顶管结构为前期工场预制结构，管结之间通过钢缆连接并设置剪力键，提升了结构的完整性及抵抗变形的能力，外壁与柔性防水材料接触，并受水压作用形成了密实的抗震—防水接触结构。

地震荷载作用下，半刚性顶管的运动微分方程可写为：

mx″＝-cx′-kx

其中m为顶管质量，x为震动位移，c阻尼系数，k为劲度系数

通过刚性壳-弹簧阻尼—接触结构的共同作用，本发明提出的新型海底隧道施工结构具有优良的防水、抗震性能。

本发明的有益效果：与现有隧道结构及施工方法相比，解决了传统长距离海底隧道易透水、难施工、抗震能力差的问题。是一种适合复杂海况、地质条件的新型海底隧道结构形式及施工方法。

附图说明

图1是应力计算模型图。

图2是围岩受力分析图。其中，(a)为引水前；(b)为引水后。

图3是实例一的隧道结构横断面图。

图4是实例一的纵向示意图。

图5是施工流程示意图。

图6是引水和不引水时围岩应力分布图。

图7是刚性壳-弹簧阻尼-接触面的抗震模型结构示意图。

图中：1一次盾构掌子面；2围岩锚喷支护层；3顶管固定弹性支座；4半刚性顶管；5抗震层；6引水孔；7中空注浆锚杆；8钢缆；9剪力键。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，详述本发明的具体实施方式：

一种连通式自平衡海底隧道结构及施工方法，包括一次盾构掌子面1、围岩锚喷支护层2、顶管固定弹性支座3、半刚性顶管4、抗震层5、引水孔6、中空注浆锚杆7、钢缆8、剪力键9。

实例一：隧道施工方法

整体施工流程如图5所示，分为六个步骤

步骤一，在隧道开挖前，利用地质雷达超前探水、探力。然后用注浆泵将水泥-水玻璃凝结物从钻孔中压入岩层裂隙，截断水流，固结破碎、软弱围岩。

步骤二，利用盾构机进行施工，探水注浆一段、盾构一段，段段稳步推进，且每一次盾构的长度应小于注浆加固的长度，预留止水岩盘，防止未注浆段地下水涌入作业面或下一次注浆时跑浆。

步骤三，利用新奥法原理进行支护衬砌，即通过在一次盾构形成的隧道内壁表面喷射混凝土并嵌入中空注浆锚杆7初期支护方法，形成图3所示围岩锚喷支护层2，达到充分利用围岩自身承载能力的作用。

步骤四，如图3、图4所示，在一次盾构产生的隧道中置入顶管固定弹性支座3，顶进半刚性顶管4。

步骤五，在围岩内侧和半刚性顶管外侧空隙充填柔性防水材料，起到防水、抗震的作用。

步骤六，在海面进行船上作业，在外层围岩中钻多个小口径的引水孔6，引水进入围岩内侧形成围岩内外水压自成平衡，既可以有效减少围岩所受外力，又可压密柔性防水材料。

Claims (4)

1.一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构，其特征在于，该复合型海底隧道结构包括一次盾构掌子面(1)、围岩锚喷支护层(2)、顶管固定弹性支座(3)、半刚性顶管(4)、抗震层(5)、引水孔(6)、中空注浆锚杆(7)、钢缆(8)和剪力键(9)；

所述的一次盾构掌子面(1)是由盾构机作用于注浆加固后的海底岩层形成的，其表面光滑、平整，具有防水能力；所述的围岩锚喷支护层(2)靠近一次盾构掌子面(1)，用于加固支撑隧道围岩；所述的顶管固定弹性支座(3)内连围岩锚喷支护层(2)，外连半刚性顶管(4)，用于固定半刚性顶管(4)；所述的抗震层(5)为柔性防水材料，用于填充围岩锚喷支护层(2)与半刚性顶管(4)之间的空隙；所述的引水孔(6)设置于围岩锚喷支护层(2)外围，且与围岩锚喷支护层(2)内侧相通，用于引水，在围岩锚喷支护层(2)与抗震层(5)之间形成水密承压层；所述的中空注浆锚杆(7)设置于围岩锚喷支护层(2)外围，用于锚固和支护围岩锚喷支护层(2)；所述的钢缆(8)，用于连接、加固半刚性顶管(4)；所述的剪力键(9)设置于半刚性顶管(4)上，用于提高半刚性顶管(4)的抗剪性能。

2.一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构的施工方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，探水、堵水、注浆加固；即在隧道开挖之前，在工作面四周钻孔，探明地下水以及石质情况，然后用注浆泵把不透水的水泥-水玻璃凝结物从钻孔中压入岩层裂隙，截断地下水流，固结破碎围岩；

步骤二，采用大直径掘进机进行一次盾构，再利用中空注浆锚杆(7)进行围岩的锚固和支护，形成一次盾构掌子面(1)；盾构的过程中，需要探水注浆一段、盾构一段，段段稳步推进，且每一次盾构的长度应小于注浆加固的长度，留一段不盾构作为下一次探水注浆的止水岩盘，防止未注浆段地下水涌入作业面或下一次注浆时跑浆；

步骤三，利用新奥法原理进行支护衬砌；即通过在一次盾构掌子面(1)上打入中空注浆锚杆(7)，依次注浆、挂网、喷射混凝土保护层，形成围岩锚喷支护层(2)；

步骤四，在围岩锚喷支护层(2)内壁上安装顶管固定弹性支座(3)，并分段顶进半刚性顶管(4)，在半刚性顶管(4)之间设置剪力键(9)，剪力键(9)之间通过钢缆(8)连接；

步骤五，在围岩锚喷支护层(2)内侧和半刚性顶管(4)外侧空隙处充填柔性防水材料，形成抗震层(5)，起到防水、抗震的作用；

步骤六，在海面进行船上作业，在围岩锚喷支护层(2)的外层钻引水孔(6)，引水进入围岩锚喷支护层(2)内侧，形成水密承压层，既减少围岩所受外力，又压密柔性防水材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构的施工方法，其特征在于，水密承压层厚度的确定方法为：

隧道应力计算建立在以下三个条件下：(1)不计天然应力场沿隧道截面高度方向的变化；(2)洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑；(3)围岩视为各向同性、连续、均质的线弹性体；将隧道应力计算看作两个柯西课题的叠加，隧道应力计算模型为：

式中：σ_θ为θ方向的正应力，σ_r为r方向的正应力，τ为所受的切应力，σ_y为竖直方向应力大小，K₀为静止侧压力系数，R₀为洞室半径，r为所求处到洞室中心的距离，θ为所求处与x轴夹角；

(1)当隧道未引入水时，对隧道的内壁围岩进行受力分析，即r＝R₀,σ_y＝(γ_wh₁+γh₂),代入上式获得围岩应力分布；

式中：σ′_θ为未引水时围岩某点θ方向的正应力，σ′_r为未引水时围岩某点r方向的正应力，τ′为未引水时围岩某点切应力大小，γ_w为海水的重度，h₁为海水深度，γ为海底岩土层的重度，γ>γ_w，h₂为海底岩土层顶部到隧道围岩的高度；

(2)引水后，隧道内侧受力简化为静水压力状态应力场，则侧向压力系数为K₀＝1，进行受力分析：

式中：σ_θ水为静水作用下θ方向的应力，σ_r水为静水作用下r方向的应力，τ_水为静水作用下的切应力，σ_w为海水提供的应力，σ_w＝γ_w(h₁+h₂)；将水引入后，静水压力由洞室内指向外，考虑引入水后的洞室内部水压力，得到的应力计算式如下：

代入r＝R₀,σ_y＝(γ_wh₁+γh₂)，γ_w(h₁+h₂)，得到引水后的围岩应力大小；

式中：σ″_θ为引入水后θ方向的正应力，σ″_r为引入水后r方向的正应力，τ″为引入水后围岩所受的切应力；通过上述计算得知，引入水后内外水压自平衡，围岩锚喷支护层所提供的支持力减小，围岩趋于稳定安全；

(3)海水引入后，受海水压力作用抗震层(5)被压密，围绕防水层形成一圈水密承压层，水密承压层的厚度ΔL由下式计算：

ΔL＝ε×L

式中：ε为柔性防水材料的应变，设柔性防水材料为弹性材料，其变形模量为E；由此式得到的ε与柔性防水材料的厚度L的相乘，得到柔性防水材料的变形量。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构的施工方法，其特征在于，所述步骤四中，顶管固定弹性支座(3)每隔20m布置一组。