CN110489926B - 一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统。所述方法考虑了不同地层条件和不同施工方法下隧道围岩力学响应的差异性，建立了海底隧道海床裂缝、海床变形与隧道拱顶变形的量化关系，根据海底隧道不同的地层模式和施工工法制定相应的围岩变形控制标准和方案，通过实测隧道拱顶沉降对海底隧道施工安全进行控制，从而降低了海底隧道围岩稳定性控制的主观性，保证施工安全；同时可避免支护和加固费用的浪费，提高海底隧道施工方案的科学性和可靠性。此外本发明方法根据不良地质体地层模式的力学响应特点，进一步将海底隧道划分为不同阶段进行分阶段控制，可以提高围岩稳定性的控制效率。

Description

一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统

技术领域

本发明涉及海底隧道施工安全技术领域，特别是涉及一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统。

背景技术

海底隧道作为高风险工程，具有承受持续高水压且水量补给无限的特点，施工扰动下易诱发突水灾害，且在不良地质段该问题尤为突出，可见不良地质段的安全施工是海底隧道建设的关键。而作为大型高风险工程，海底隧道突水一旦发生则极易造成安全事故，甚至将诱发整个工程项目失败。因此，突涌水的防治无疑是海底隧道建造安全的关键问题，这也是海底隧道穿越不良地质段施工安全面临的主要挑战。

在隧道突水演化过程中伴随着围岩变形的不断发展，围岩变形量和变形速率常作为隧道设计和施工的重要依据。而在海底隧道进入海域段施工中，隧道上覆地层实际变形缺乏监测条件，海床安全状态也无法直接观察到，且目前对海底隧道围岩变形的预测和传递规律尚无系统完整的认识，这使得海底隧道建造安全的控制也极为困难。事实上，在已建海底隧道施工过程中已发生多起突水事故，造成重大人员伤亡和经济损失。

而目前现有的海底隧道安全性控制方法多基于工程经验，缺乏科学依据，未结合海底隧道突水机理及演化规律进行实施，一方面因强调工程安全而盲目增大支护和加固费用，另一方面则因控制措施不可靠而容易诱发突水事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统，以解决现有的海底隧道安全性控制方法一方面因强调工程安全而盲目增大支护和加固费用，另一方面则因控制措施不可靠而容易诱发突水事故的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法，所述方法包括：

获取海底隧道的海域段不良地质体的地层模式和施工工法；所述地层模式为裂隙发育岩体、软弱破碎岩体或断层破碎带；所述施工工法为交叉中隔壁CRD法或双侧壁导坑法等；

在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面进行监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线；

确定所述变形传递系数与时间的关系曲线稳定时的稳定变形传递系数；

在确定地层加固方案的基础上，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型；所述隧道围岩流固耦合数值模型为损伤围岩模型、应变软化模型或接触面模型；

获取地表/海床开始产生裂缝的点对应的隧道拱顶变形作为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁；

根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数；

根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数；

根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线；

根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u；

将所述隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n；n为施工总步序；

根据所述海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线和施工过程中实时测量的隧道拱顶变形确定各施工步序位移；

根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施。

可选的，所述在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面进行监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线，具体包括：

在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面；

对所述隧道断面在施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，得到隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线；

计算所述地表变形与所述隧道拱顶变形的比值作为变形传递系数α；

根据所述变形传递系数α与对应的时间t绘制出变形传递系数与时间的关系曲线α-t曲线。

可选的，所述根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数，具体包括：

提取所述地表/海床开始产生裂缝的点在所述隧道围岩流固耦合数值模型中对应的隧道拱顶变形与海床变形；

计算海床变形与所述隧道拱顶变形的比值作为所述渗流作用下的变形传递系数α'。

可选的，所述根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数，具体包括：

根据所述渗流作用下的变形传递系数α'和稳定变形传递系数α₀，采用公式k＝α'/α₀确定修正系数k。

可选的，所述根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线，具体包括：

将所述α-t曲线整体乘以所述修正系数k，生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线α'-t曲线。

可选的，所述根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u，具体包括：

获取海底隧道初期支护结构施作时围岩已发生的位移Δu；

根据海底隧道初期支护结构受力特性确定隧道初期支护结构失效时的极限变形量u_s；

根据所述Δu和所述u_s，采用公式u₂＝u_s+Δu确定初期支护极限变形量u₂；

将所述隧道变形控制标准u₁和所述初期支护极限变形量u₂中的较小值作为隧道变形总体控制标准u。

可选的，述根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施，具体包括：

判断第i步施工步序位移是否超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为第i步施工步序位移超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，则对海底隧道的第i步施工步序采取地层加固措施。

一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制系统，所述系统包括：

不良地质体分类模块，用于获取海底隧道的海域段不良地质体的地层模式和施工工法；所述地层模式为裂隙发育岩体、软弱破碎岩体或断层破碎带；所述施工工法为交叉中隔壁CRD法或双侧壁导坑法等；

隧道断面监测模块，用于在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面进行监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线；

稳定变形传递系数确定模块，用于确定所述变形传递系数与时间的关系曲线稳定时的稳定变形传递系数；

数值模型建立模块，用于在确定地层加固方案的基础上，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型；所述隧道围岩流固耦合数值模型为损伤围岩模型、应变软化模型或接触面模型；

隧道变形控制标准获取模块，用于获取地表/海床开始产生裂缝的点对应的隧道拱顶变形作为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁；

变形传递系数确定模块，用于根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数；

修正系数计算模块，用于根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数；

海域段关系曲线生成模块，用于根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线；

隧道变形总体控制标准确定模块，用于根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u；

分阶段控制标准确定模块，用于将所述隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n；n为施工总步序；

各施工步序位移确定模块，用于根据所述海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线和施工过程中实时测量的隧道拱顶变形确定各施工步序位移；

隧道施工控制模块，用于根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施。

可选的，所述隧道断面监测模块具体包括：

隧道断面选取单元，用于在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面；

隧道断面变化曲线监测单元，用于对所述隧道断面在施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，得到隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线；

变形传递系数计算单元，用于计算所述地表变形与所述隧道拱顶变形的比值作为变形传递系数α；

α-t曲线生成单元，用于根据所述变形传递系数α与对应的时间t绘制出变形传递系数与时间的关系曲线α-t曲线。

可选的，所述变形传递系数确定模块具体包括：

变形量提取单元，用于提取所述地表/海床开始产生裂缝的点在所述隧道围岩流固耦合数值模型中对应的隧道拱顶变形与海床变形；

变形传递系数确定单元，用于计算海床变形与所述隧道拱顶变形的比值作为所述渗流作用下的变形传递系数α'。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统，所述方法考虑了不同地层条件、施工方法下隧道围岩力学响应的差异性，根据海底隧道不同的地层模式和施工工法制定相应的控制标准和方案，从而降低了海底隧道围岩稳定性控制的主观性，保证施工安全；同时可避免支护和加固费用的浪费，提高海底隧道施工方案的科学性和可靠性。此外本发明方法根据不良地质体地层模式的力学响应特点，进一步将海底隧道划分为不同阶段进行分阶段控制，可以提高围岩稳定性的控制效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的变形传递系数与时间的关系曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的地层变形过程控制实施曲线示意图；其中图3(a)为本发明实施例提供的基于CRD法的地层变形过程控制实施曲线示意图；图3(b)为本发明实施例提供的基于双侧壁导坑法的地层变形的过程控制实施曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法及系统，以解决现有的海底隧道安全性控制方法一方面因强调工程安全而盲目增大支护和加固费用，另一方面则因控制措施不可靠而容易诱发突水事故的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法的流程图。参见图1，本发明提供的基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法具体包括：

步骤101：获取海底隧道的海域段不良地质体的地层模式和施工工法。

本发明针对海底隧道海域段穿越地层进行分析，根据施工扰动下隧道围岩力学响应特点和突水演化规律对不良地质体进行划分，提出几种典型的不良地层模式，并总结在突水过程中围岩变形演化特点。所述地层模式包括裂隙发育岩体、软弱破碎岩体和断层破碎带等三种地层模式，三者突水特点不同。其中裂隙发育岩体是由于水压作用导致既有裂隙发展贯通而形成导水通道造成突水，软弱破碎岩体则是由于围岩整体坍塌冒落至海床从而伴随突水发生，而断层破碎带则是由于构成断层的结构面两侧岩体发生不均匀变形而形成导水通道。

本发明首先根据施工扰动下海底隧道围岩力学响应特点，将不良地质体划分为裂隙发育岩体、软弱破碎岩体和断层破碎带等三种地层模式，然后确定不同地层模式采用的施工工法。所述施工工法包括交叉中隔壁(center cross diagram，CRD)法或双侧壁导坑法等方法。

步骤102：在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面进行监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线。

本发明在陆域段选择与海域段类似地层进行隧道上覆地层变形过程及传递规律的系统监测，并结合其它类似地层不同隧道尺度、不同施工工法以及不同地层处置措施条件下的监测结果，建立隧道围岩变形与地表/海床变形状态的动态关系。

首先在陆域段类似地层、施工工法和工程尺度条件下对施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，从而得到隧道拱顶变形(即隧道拱顶沉降)与地表变形(即地表沉降)随时间的变化曲线，具体为通过每天对隧道地层变形进行监测，得到每天的数据点，然后将每天的数据点相连即得到时程曲线(包括隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线)。

定义地表变形与隧道拱顶变形比值为变形传递系数α，则进一步可绘制出变形传递系数与时间的关系曲线(α-t曲线)。具体包括：

在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面；

对所述隧道断面在施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，得到隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线；

计算所述地表变形与所述隧道拱顶变形的比值作为变形传递系数α；

根据所述变形传递系数α与对应的时间t绘制出变形传递系数与时间的关系曲线α-t曲线。

步骤103：确定所述变形传递系数与时间的关系曲线稳定时的稳定变形传递系数。

所述α-t曲线的横坐标为时间t，单位为天(d)；纵坐标为变形传递系数α(即地表变形与所述隧道拱顶变形的比值)。如图2所示，所述α-t曲线经过一段时间的变形波动后趋于稳定，本发明选取最终变形稳定时的变形传递系数α作为稳定变形传递系数α₀。

步骤104：在确定地层加固方案的基础上，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型。

本发明根据既有工程经验初步拟定地层加固方案，按照海域不良地层模式，结合相应地段的海水深度条件，考虑海水渗流场的影响，进行不同施工方法下的渗流场耦合分析，进一步修正和完善隧道拱顶沉降与海床沉降的对应关系，给出相应地层模式和加固方案下确保海床安全的隧道变形控制标准u₁。根据隧道初期支护结构受力特性确定结构失效时的极限变形量，并根据数值模型计算相应的地层变形量u₂，将u₁与u₂进行比较，两者较小值作为隧道变形控制标准u。

首先根据既有工程经验初步拟定地层加固方案，并考虑地下水的渗流作用，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型，所述隧道围岩流固耦合数值模型为损伤围岩模型、应变软化模型或接触面模型。对于裂隙发育岩体，建立考虑岩体断裂损伤的围岩模型；对于软弱破碎岩体，则建立考虑岩体参数劣化的应变软化模型；而对于断层破碎带，则通过接触面来模拟结构面两侧岩体材料的相互作用。

其中，考虑岩体断裂损伤的围岩模型如下:

假定泊松比不变，岩体弹性模量E的损伤演化方程如下：

E＝(1-D)E₀ (1)

式中，E₀为岩体初始弹性模量，损伤因子D通过下式得到：

式中，σ₁、σ₃分别为有效第一主应力和有效第三主应力，Δε₁、Δε₃分别为有效第一主应变和有效第三主应变。

考虑岩体参数劣化的应变软化模型如下：

采用数值软件，如FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D，有限差分程序FLAC2D的三维拓展)仿真计算软件中自带的应变软化模型，并采用Mohr-Coulomb(莫尔—库伦)屈服准则进行计算。

采用等效塑性切应变ε^ps表征变形量的大小，那么有下式：

式中：

为塑性第一主应变、

为塑性第三主应变。

所述接触面模型的接触面模拟方法如下：

采用数值软件(如FLAC 3D)中自带的接触面模型进行模拟，接触面相对滑动所需的切向力F_smax为：

式中，c_if为接触面粘聚力，

为接触面内摩擦角，u为孔压，A为接触面积，F_n为法向接触力。

将接触面上的切向力绝对值与最大切向力F_smax进行比较，当前者小于后者时，则接触面处于弹性状态；当二者相等时，接触面进入塑性阶段并开始滑动。在滑动过程中，剪切力大小始终保持F_smax不变，由此得出隧道拱顶变形和海床变形。

步骤105：获取地表/海床开始产生裂缝的点对应的隧道拱顶变形作为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁。

以地表/海床(地表或海床)开始产生裂缝的点作为海底隧道突水依据，则此点对应的隧道拱顶变形即为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁。此外，通过提取此时相应数值模型中隧道拱顶变形与海床变形量，并将后者与前者相比得到渗流作用下的变形传递系数值α′，从而得到修正系数为k＝α′/α。

步骤106：根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数；具体包括：

提取所述地表/海床开始产生裂缝的点在所述隧道围岩流固耦合数值模型中对应的隧道拱顶变形与海床变形；

计算海床变形与所述隧道拱顶变形的比值作为所述渗流作用下的变形传递系数α'。

步骤107：根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数；具体包括：

根据所述渗流作用下的变形传递系数α'和稳定变形传递系数α₀，采用公式k＝α'/α₀确定修正系数k。

步骤108：根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线。

进一步将步骤102中的α-t曲线整体乘以修正系数k，则可得到海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线，即α'-t曲线。

步骤109：根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u；具体包括：

根据海底隧道初期支护结构受力特性确定隧道初期支护结构失效时的极限变形量u_s，并考虑支护施作时围岩已发生的位移Δu；从而计算此时对应的地层变形量u₂＝u_s+Δu作为初期支护极限变形量u₂。其中支护施作时围岩已发生的位移Δu根据相应的数值模型计算得到。

将所述隧道变形控制标准u₁和所述初期支护极限变形量u₂进行比较，u₁、u₂两者中的较小值作为隧道变形总体控制标准u。

步骤110：将所述隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n。

本发明基于施工工法特点将围岩变形控制标准u进行施工步序的分解，据此制定分阶段精细化控制标准。若某一施工步序位移超过阶段性控制标准u_i，则需加强地层加固措施，并重新计算围岩变形，以保证后续施工步序的围岩变形量均小于阶段控制标准，从而达到总体变形控制的目的。

具体的，本发明通过步骤108中得到的海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线α'-t，结合隧道施工过程中各施工步序所对应的时间t，将隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，从而得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n，n为施工总步序。若某一施工步序位移超过阶段性控制标准，则需采取地层加固措施，并重新计算围岩变形，以保证后续施工步序的围岩变形量均小于阶段控制标准。

步骤111：根据所述海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线和施工过程中实时测量的隧道拱顶变形确定各施工步序位移。

所述海域段海底隧道变形传递系数α'为海床变形与隧道拱顶变形的比值，因此根据某个施工步序对应的变形传递系数α'和该施工步序实时测量的隧道拱顶变形可以求得该施工步序的海床变形作为施工步序位移。

步骤112：根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施。具体包括：

判断第i步施工步序位移是否超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，获得第一判断结果；若所述第一判断结果为第i步施工步序位移超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，则对海底隧道的第i步施工步序采取地层加固措施，并重新计算围岩变形，以保证后续施工步序的围岩变形量均小于阶段控制标准。若第一判断结果为第i步施工步序位移未超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，则无需对海底隧道的第i步施工步序采取地层加固措施。

本发明方法基于现有研究，可实现海底隧道施工安全的精细化过程控制，根据不同的围岩条件和施工工法制定相应的控制标准和方案，从而降低海底隧道围岩稳定性控制的主观性，保证施工安全。同时可避免浪费，提高海底隧道施工方案的科学性和合理性。

下面采用一个具体的实施例对本发明基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法进行说明和验证。将本发明方法用于实际海底隧道施工过程控制的过程如下：

(1)海底隧道不良地质体分类。

某海底隧道全长6.05km，其中海域段长4.2km，设计高潮水位为4.64m，低潮水位为-1.79m。主洞隧道为双洞双向六车道，隧道开挖宽度17m，高12.5m，左线与右线分别采用CRD法和双侧壁导坑法施工。隧道海域段穿越的F1风化深槽岩体主要由全强风化花岗岩组成，围岩强度低、稳定性差，易发生地层坍塌，属于软弱破碎岩体。

(2)隧道围岩变形与海床变形关系的建立。

在陆域段选取工程条件与前述海域段基本相同的两个典型断面进行监测，可得变形传递系数随时间变化曲线(α-t曲线)如图2所示。由图2可知，对于CRD法和双侧壁导坑法而言，最终变形稳定时变形传递系数α₀分别为0.437和0.424。

(3)隧道变形总体控制标准的确定。

基于类似工程条件的施工经验，确定注浆加固圈范围为6m，加固体设计强度为5MPa，并辅以10m及4m长的双层小管棚超前支护。通过建立考虑地层加固的海底隧道流固耦合模型，采用CRD工法施工条件下突水发生时海床沉降量为40mm，对应的拱顶沉降为u₁＝70mm，此时地层传递系数为α′＝0.571，对比图2可得修正系数k＝1.3，初期支护由钢拱架和喷射混凝土构成，根据设计资料并参考相关规范，初期支护极限变形量为u₂＝80mm，考虑到初期支护施作时围岩已发生一定程度的变形，因此在此工况下初期支护是安全的，故取u＝70mm。同理可得双侧壁导坑法施工条件下围岩变形控制标准为u＝65mm，此时海床沉降为30mm，地层传递系数为α′＝0.462，从而可得修正系数k＝1.090。

(4)隧道围岩分阶段控制标准及控制方法。

通过步骤(2)中陆域段监测数据可得不同施工方法下各施工步序隧道围岩变形比例，并由步骤(3)中修正变形传递系数与时间的关系，将总的地层变形控制标准进行施工步序的分配，可得不同施工方法下各分部变形控制标准如表1所示。

表1地层变形过程控制标准

上述地层变形控制标准的制定综合考虑了施工方法以及具体监测实施等因素，具有较强的便利性和可操作性。

在海底隧道施工过程中对隧道拱顶下沉进行实时监测管理，可实现对隧道突水灾害的精细化控制。现场测得施工过程中隧道拱顶下沉发展曲线如图3所示，可见本发明基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法应用于隧道穿越F1风化槽段后，各施工步序变形量均未超过控制标准值，且控制标准与监测结果吻合良好，误差仅为毫米量级，施工过程中未发生突水事故，证明将本发明方法应用于翔安隧道工程的全过程建设中，保证了工程建设安全。

本发明基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法与现有技术相比，至少具有以下优点：

1.本发明提出基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法，将围岩变形按照施工步序进行阶段性分解，通过阶段控制实现总体控制的目的，实现了海底隧道施工安全的精细化过程控制。

2.本发明方法将海底隧道不良地质体划分为不同类别，根据海底隧道突水演化规律确定隧道变形速率突增时为突水判别依据，并由此制定了隧道围岩变形总体控制标准，容易被设计人员理解和接受，可操作性强，实际控制效果更好。

3.通过对陆域段类似工程条件下的围岩变形进行测量，建立了海底隧道海床变形与隧道拱顶变形的对应关系，并得到了不同施工阶段围岩变形占比，根据施工过程中能实时测量的地层变形来判断海底隧道施工安全，由此实现安全性控制，能够降低海底隧道围岩稳定性控制的主观性，保证施工安全。

4.通过数值模拟将陆域段围岩变形传递系数进行修正，从而得到海域段海底隧道不同施工阶段的海床变形与围岩变形量相对关系，提高了海底隧道施工方案的科学性和可靠性。

基于本发明提供的基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法，本发明还提供一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制系统，所述系统包括：

不良地质体分类模块，用于获取海底隧道的海域段不良地质体的地层模式和施工工法；所述地层模式为裂隙发育岩体、软弱破碎岩体或断层破碎带；所述施工工法为交叉中隔壁CRD法或双侧壁导坑法等；

隧道断面监测模块，用于在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面进行监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线；

稳定变形传递系数确定模块，用于确定所述变形传递系数与时间的关系曲线稳定时的稳定变形传递系数；

数值模型建立模块，用于在确定地层加固方案的基础上，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型；所述隧道围岩流固耦合数值模型为损伤围岩模型、应变软化模型或接触面模型；

隧道变形控制标准获取模块，用于获取地表/海床开始产生裂缝的点对应的隧道拱顶变形作为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁；

变形传递系数确定模块，用于根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数；

修正系数计算模块，用于根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数；

海域段关系曲线生成模块，用于根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线；

隧道变形总体控制标准确定模块，用于根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u；

分阶段控制标准确定模块，用于将所述隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n；n为施工总步序；

各施工步序位移确定模块，用于根据所述海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线和施工过程中实时测量的隧道拱顶变形确定各施工步序位移；

隧道施工控制模块，用于根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施。

其中，所述隧道断面监测模块具体包括：

隧道断面选取单元，用于在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面；

隧道断面变化曲线监测单元，用于对所述隧道断面在施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，得到隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线；

变形传递系数计算单元，用于计算所述地表变形与所述隧道拱顶变形的比值作为变形传递系数α；

α-t曲线生成单元，用于根据所述变形传递系数α与对应的时间t绘制出变形传递系数与时间的关系曲线α-t曲线。

所述变形传递系数确定模块具体包括：

变形量提取单元，用于提取所述地表/海床开始产生裂缝的点在所述隧道围岩流固耦合数值模型中对应的隧道拱顶变形与海床变形；

变形传递系数确定单元，用于计算海床变形与所述隧道拱顶变形的比值作为所述渗流作用下的变形传递系数α'。

本发明创造性提出了基于地层变形的海底隧道过程控制方法及系统，根据不同的围岩条件(地层模式)和施工工法制定相应的控制标准和方案，从而降低海底隧道围岩稳定性控制的主观性，保证施工安全；同时可避免浪费，提高海底隧道施工方案的科学性和可靠性。本发明方法考虑了不同地层条件、施工方法下隧道围岩力学响应的差异性，容易被设计人员理解和接受，可操作性强，实际控制效果更好。并且本发明根据不良地质体模式的力学响应特点，进一步将海底隧道划分为不同区段进行分类指导，如此则可提高围岩稳定性控制效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取海底隧道的海域段不良地质体的地层模式和施工工法；所述地层模式为裂隙发育岩体、软弱破碎岩体或断层破碎带；所述施工工法为交叉中隔壁CRD法或双侧壁导坑法；

在陆域段选取与所述海域段类似地层进行隧道断面监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线；

确定所述变形传递系数与时间的关系曲线稳定时的稳定变形传递系数；

在确定地层加固方案的基础上，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型；所述隧道围岩流固耦合数值模型为损伤围岩模型、应变软化模型或接触面模型；

对于所述裂隙发育岩体，建立所述损伤围岩模型；对于所述软弱破碎岩体，建立所述应变软化模型；对于所述断层破碎带，建立所述接触面模型；

获取地表/海床开始产生裂缝的点对应的隧道拱顶变形作为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁；

根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数；

根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数；

根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线；

根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u；

将所述隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n；n为施工总步序；

根据所述海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线和施工过程中实时测量的隧道拱顶变形确定各施工步序位移；

根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施。

2.根据权利要求1所述的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述在陆域段选取与所述海域段类似地层进行隧道断面监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线，具体包括：

在陆域段选取与所述海域段地层模式、工程尺度和施工工法相对应的隧道断面；

对所述隧道断面在施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，得到隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线；

计算所述地表变形与所述隧道拱顶变形的比值作为变形传递系数α；

根据所述变形传递系数α与对应的时间t绘制出变形传递系数与时间的关系曲线α-t曲线。

3.根据权利要求2所述的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数，具体包括：

提取所述地表/海床开始产生裂缝的点在所述隧道围岩流固耦合数值模型中对应的隧道拱顶变形与海床变形；

计算海床变形与所述隧道拱顶变形的比值作为所述渗流作用下的变形传递系数α'。

4.根据权利要求3所述的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数，具体包括：

根据所述渗流作用下的变形传递系数α'和稳定变形传递系数α₀，采用公式k＝α'/α₀确定修正系数k。

5.根据权利要求4所述的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线，具体包括：

将所述α-t曲线整体乘以所述修正系数k，生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线α'-t曲线。

6.根据权利要求5所述的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u，具体包括：

获取海底隧道初期支护结构施作时围岩已发生的位移Δu；

根据海底隧道初期支护结构受力特性确定隧道初期支护结构失效时的极限变形量u_s；

根据所述Δu和所述u_s，采用公式u₂＝u_s+Δu确定初期支护极限变形量u₂；

将所述隧道变形控制标准u₁和所述初期支护极限变形量u₂中的较小值作为隧道变形总体控制标准u。

7.根据权利要求6所述的海底隧道施工过程控制方法，其特征在于，所述根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施，具体包括：

判断第i步施工步序位移是否超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为第i步施工步序位移超过第i步施工步序的分阶段控制标准u_i，则对海底隧道的第i步施工步序采取地层加固措施。

8.一种基于地层变形的海底隧道施工过程控制系统，其特征在于，所述系统包括：

不良地质体分类模块，用于获取海底隧道的海域段不良地质体的地层模式和施工工法；所述地层模式为裂隙发育岩体、软弱破碎岩体或断层破碎带；所述施工工法为交叉中隔壁CRD法或双侧壁导坑法；

隧道断面监测模块，用于在陆域段选取与所述海域段类似地层进行隧道断面监测，生成变形传递系数与时间的关系曲线；

稳定变形传递系数确定模块，用于确定所述变形传递系数与时间的关系曲线稳定时的稳定变形传递系数；

数值模型建立模块，用于在确定地层加固方案的基础上，建立相应地层模式和施工工法下的隧道围岩流固耦合数值模型；所述隧道围岩流固耦合数值模型为损伤围岩模型、应变软化模型或接触面模型；

对于所述裂隙发育岩体，建立所述损伤围岩模型；对于所述软弱破碎岩体，建立所述应变软化模型；对于所述断层破碎带，建立所述接触面模型；

隧道变形控制标准获取模块，用于获取地表/海床开始产生裂缝的点对应的隧道拱顶变形作为确保海床安全的隧道变形控制标准u₁；

变形传递系数确定模块，用于根据所述地表/海床开始产生裂缝的点及所述隧道围岩流固耦合数值模型确定渗流作用下的变形传递系数；

修正系数计算模块，用于根据所述渗流作用下的变形传递系数和稳定变形传递系数确定修正系数；

海域段关系曲线生成模块，用于根据所述变形传递系数与时间的关系曲线和所述修正系数生成海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线；

隧道变形总体控制标准确定模块，用于根据所述隧道变形控制标准u₁和初期支护极限变形量u₂确定隧道变形总体控制标准u；

分阶段控制标准确定模块，用于将所述隧道变形总体控制标准u分解到各施工步序中，得到分阶段控制标准u_i,i＝1,2,...,n；n为施工总步序；

各施工步序位移确定模块，用于根据所述海域段海底隧道变形传递系数与时间关系曲线和施工过程中实时测量的隧道拱顶变形确定各施工步序位移；

隧道施工控制模块，用于根据各施工步序位移和分阶段控制标准确定是否采取地层加固措施。

9.根据权利要求8所述的海底隧道施工过程控制系统，其特征在于，所述隧道断面监测模块具体包括：

隧道断面选取单元，用于在陆域段选取与所述海域段类似地层的隧道断面；

隧道断面变化曲线监测单元，用于对所述隧道断面在施工过程中隧道上覆地层分层沉降的时程曲线进行监测，得到隧道拱顶变形随时间的变化曲线以及地表变形随时间的变化曲线；

变形传递系数计算单元，用于计算所述地表变形与所述隧道拱顶变形的比值作为变形传递系数α；

α-t曲线生成单元，用于根据所述变形传递系数α与对应的时间t绘制出变形传递系数与时间的关系曲线α-t曲线。

10.根据权利要求9所述的海底隧道施工过程控制系统，其特征在于，所述变形传递系数确定模块具体包括：

变形量提取单元，用于提取所述地表/海床开始产生裂缝的点在所述隧道围岩流固耦合数值模型中对应的隧道拱顶变形与海床变形；

变形传递系数确定单元，用于计算海床变形与所述隧道拱顶变形的比值作为所述渗流作用下的变形传递系数α'。

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