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海底隧道设计难点分析 张顶立 北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心 2008年8月 1 海底隧道工程特点 持续稳定的水压力，水源补给无限； 水荷载不能因任何成拱作用而降低，衬砌结构长期承受高水压； 准确勘测更困难，遇到事先未预测到的不良地质情况使风险性更大； 不良地质体在水的作用下自稳能力弱，可能引起大变形、坍塌，甚至突水； 隧道渗水不能自然流出，必须人工排水，这在防水设计中应予以考虑。 海水具有腐蚀性，结构耐久性降低，设计中必须考虑。 5 海底隧道结构设计原则 1）对于Ⅳ、V级围岩地段而言，初期支护能够单独承担施工期间全部的围岩荷载和全部的渗流场力；二次衬砌也可以单独承担全部的围岩荷载和全部的静水压力。（全包防水） 2）对于Ⅱ、Ⅲ级围岩地段而言，初期支护能够单独承担施工期间全部的围岩荷载和全部的渗流场力；二次衬砌可以单独承担全部的围岩荷载和部分的静水压力。 （半包防水） 海底隧道原则上应考虑采用堵水方案，可以预留排放的条件，因为长期大量的排水不仅费用昂贵，而且水土流失会恶化“支护—围岩”关系，影响耐久性。 ———荷载设计说明 初期支护承担全部的围岩荷载和全部的渗流场力体现施工阶段初期支护和围岩共同承担全部荷载，初支参数应结合围岩级别和地下水情况综合考虑。 二次衬砌承担全部荷载主要是针对于运营期间提出的，复合式衬砌结构的受力转换是逐渐进行的，二次衬砌一般是在初期支护受力、变形稳定后施作的。二衬施作后，由于岩土材料的流变特性，初期支护继续变形，二次衬砌逐渐参与结构受力，且其分担的荷载随时间增加。而随着地下水对初期支护的侵蚀，荷载将全部转移到二次衬砌结构上来。此时，二次衬砌将承担全部的荷载。 6 水荷载形成机理及作用特点 对海底隧道而言,支护结构除了承受围岩压力外，还会承受很高的水压力。作用于支护结构上的围岩压力可以被地层拱作用降低,而静水压力荷载并不受此影响,不能用任何成拱作用来降低 。 可以说 ，海底隧道水压力设计值的大小是决定衬砌结构强度的关键 ，水压力设计值大小不仅与水头有关 ，还与防排水方式方式、注浆效果、围岩、衬砌的渗透系数等有关。 ———水荷载的实质是渗流体积力 严格地说，仅当衬砌不透水时，水对衬砌的作用力才是表面力,才可以使用折减系数进行求解。 由于围岩和衬砌都是透水介质，当隧洞衬砌和围岩紧密结合时，可以认为地下水的渗流运动是连续的，不仅存在于岩体中，同时也存在于衬砌中，其力学作用可以理解为一种体积力。 ———渗流计算分析 （1）对衬砌透水情况而言，围岩渗透系数越高，围岩透水性越好，这样作用在衬砌结构上的孔隙水压力也越大，涌水量也就越大； （2）对衬砌结构本身而言，其渗透系数越小，作用在衬砌结构上的孔隙水压力也越大，涌水量则相对减小； （3）注浆可以在一定程度上起到减小围岩渗透系数的目的，增大注浆圈半径和改善注浆工艺均可以达到降低作用在二衬结构上的孔隙水压力以及减小涌水量的目的。 7 复合注浆技术 基于海底隧道防水的特殊要求，提出了复合注浆的技术思路，即采用劈裂注浆实现加固和挤压注浆实现堵水，在厦门海底隧道穿越F1风化槽的施工中得到了成功的应用，取得了非常满意的注浆加固和堵水效果。 8 不良地质段围岩加固圈的作用 承载作用. 提高围岩的稳定性，降低衬砌结构荷载。 防渗作用. 有效地减小渗透系数，渗水量大幅减小，使“限量排放”成为可能；同时可减小结构的水荷载。 这里要说明加固圈可减少渗透系数和渗流量，其中渗流量是更重要的指标，即使不能形成闭合的结构，仍可使减小渗流速度，只要实行排放就可使压力大幅度降低。 提高耐久性. 使隧道整体支护结构加强，结构受力状况改善；衬砌背后围岩的密实性提高，有利于长期稳定。 因此，应根据不同的围岩条件分别确定加固圈的参数以及形成方式。 ———合理注浆圈厚度 通过试验和理论研究确定了注浆加固圈的合理厚度，提出隧道正洞施工中最小加固圈厚度应为6m，基于此将原设计的5m改为6m，保证了隧道的安全施工。 9 注浆效果评价 提出了不良地质体注浆效果评价的3指标观点，即堵水率、加固体强度和加固体稳定性，可保证施工安全。并根据理论分析和试验提出采用“浅孔帷幕预注浆”取代“全断面注浆” ，并逐渐过渡为上半断面注浆，即在施工过程中对水实行“堵排结合，上堵下排”的原则。 10 海底隧道的“围岩-支护”作用体系 ———海底隧道的“围岩-支护”特点分析 11 海底隧道结构优化设计 * * 2 海底隧道修建的难点和重点 海底隧道的主要技术难点就是水的问题，其中包括施工