海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件

1、青岛胶州湾隧道最小岩石覆盖厚度研究 李术才 山东大学 2007年10月16日 重庆青岛胶州湾隧道最小岩石覆盖厚度研究 1、研究意义最小岩石覆盖厚度是影响海底隧道造价和安全的最重要的设计参数之一。有必要针对本工程条件下以钻爆法施工的海底隧道最小岩石覆盖厚度进行研究，确定合理的隧道埋置深度，为隧道的设计、施工提供参考。1、研究意义最小岩石覆盖厚度是影响海底隧道造价和安全的最重要2、技术路线工程类比法数值计算法初步选定范围依据重要性建立权函数给出建议值国内外海底隧道调研，室内力学实验2、技术路线工程类比法数值计算法初步选定范围依据重要性建立权技术路线与研究手段技术路线与研究手段3、研究内容国内外海底

2、隧道调研室内岩石力学参数实验 工程类比法确定最小岩石覆盖厚度数值方法确定最小岩石覆盖厚度其它因素对岩石覆盖厚度的影响分析断裂损伤对最小岩石覆盖厚度的影响分析爆破对最小岩石覆盖厚度影响的动力分析 地震对最小岩石覆盖厚度影响动力分析渗流和注浆对最小岩石覆盖厚度的影响分析施工方法优化及最小岩石覆盖厚度的影响分析3、研究内容国内外海底隧道调研4、工程概况青岛胶州湾南接薛家岛，北连团岛，下穿胶州湾湾口海域，平面线路如下图： 青岛胶州湾隧道工程全长约7800m，其中：胶州湾隧道约6170m，海底段约3950m；接线隧道长约1700m4、工程概况青岛胶州湾南接薛家岛，北连团岛，下穿胶州湾湾口海地质情况工程所

3、处胶州湾，平均水深7m左右，最大水深65m，湾口最大水深42m。海底大部分无覆盖层，地形起伏较大，基岩为中风化和微风化花岗岩与火山岩。中风化层很薄，岩石完整性好。隧址处无大断裂构造，所发现断裂大部分高角度、中新代脆性断裂构造，宽度在数米至数十米不等。基岩弱风化带多为中等透水性、少数弱透水性。地质情况工程所处胶州湾，平均水深7m左右，最大水深65m，湾设计概况按双向六车道城市快速路设计。设计车速80km/h，按地震烈度度设防。行车隧道为左右线设置，隧道中线线间距为55m，海域段设置服务隧道。隧道断面位置关系图设计概况按双向六车道城市快速路设计。设计车速80km/h钻爆法施工，复合式衬砌。海域段断

4、面采用三心圆拱形断面，设置仰拱，净宽14.26m，净高10.4m。钻爆法施工，复合式衬砌。海域段断面采用三心圆拱形断面，设5、研究方案根据工程地质分析认为，左线隧道断层f2-3、f3-1、f4-1、f4-3，右线隧道断层f2-3、f3-2、f4-1、f4-3基岩风化层较厚，类似于风化深囊。为此，选取上述断层位置作为研究对象，如下图：此外，鉴于类岩只占垂直线路的6.2%，综合考虑左线选取6个完整岩石位置，右线选取5个完整岩石位置。5、研究方案根据工程地质分析认为，左线隧道断层f2-3、f3左线隧道分析剖面示意图 右线隧道分析剖面示意图 注：红色表示断层位置；绿色表示完整岩石位置。左线隧道分析剖面

5、示意图 右线隧道分析剖面示意图 注：红色表示左线隧道分析剖面地质参数 左线隧道分析剖面地质参数 右线隧道分析剖面地质参数 右线隧道分析剖面地质参数 6、最小岩石覆盖厚度研究现状日本关门海底铁路隧道是世界上最早的海峡隧道之一。该隧道是一双孔上、下行铁路隧道，全长3.6km，海底地段长度1.14km，隧道高度5.75m，最大坡度2.02.5%。海水深14m，隧道覆盖的平均厚度约11m。6、最小岩石覆盖厚度研究现状日本关门海底铁路隧道是世界上最早日本青函公路隧道全长53.85km，海底部分长23.0km，位于火山岩、堆积岩中，有多处裂缝、断层。隧道最小覆盖层厚度100m，水深140m，当时主要是根据

6、海底煤矿的经验，把理想的隧道深度确定为低于海底100m。 日本青函公路隧道全长53.85km，海底部分长23.0km，挪威是世界上采用钻爆法修建海峡海底隧道最多的国家。挪威的交通（铁路、公路）海底隧道大部分位于比较坚硬的岩石层内，即古老的火成岩和变质岩。 1993年Nilsen B对挪威已竣工海底隧道的最小岩石覆盖厚度进行了统计分析，给出了两条统计经验曲线 :挪威是世界上采用钻爆法修建海峡海底隧道最多的国家。挪威的交通正在建设中的厦门翔安隧道工程全长8.695Km，其中海底隧道段长约5.95Km。隧道岩石覆盖厚度设计值与挪威经验曲线比较：厦门海底隧道岩石覆盖厚度设计值与挪威基岩埋深经验曲线比较

7、 正在建设中的厦门翔安隧道工程全长8.695Km，其中海底隧道7、工程类比确定最小岩石覆盖厚度挪威建设经验法日本最小涌水量法国内顶水采煤法7、工程类比确定最小岩石覆盖厚度挪威建设经验法7.1、挪威建设经验法挪威学者根据挪威已建的海海底隧道经验，统计出下图表示的经验曲线，即分别对比较好的岩石和比较差的岩石，确定了海底隧道最小岩石覆盖与海水水深的关系曲线。 7.1、挪威建设经验法挪威学者根据挪威已建的海海底隧道经验，比较胶州湾隧道所选剖面基岩的纵波波速和挪威海底隧道较好岩石和较差岩石的纵波波速的平均值。对挪威较差岩石曲线值与挪威较好岩石曲线值，按照线性插值的方法得到胶州湾海底隧道所选断面的岩石覆盖

8、厚度建议值。比较胶州湾隧道所选剖面基岩的纵波波速和挪威海底隧道较好岩石和海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件左线隧道，挪威经验建议值左线隧道，挪威经验建议值海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件右线隧道，挪威经验建议值右线隧道，挪威经验建议值海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件7.2、日本最小涌水量法日本用钻爆法施工的隧道，确定埋深的主要依据是涌水量。通过选取不同的岩石覆盖层厚度计算出对应的涌水量得到涌水量和覆盖厚度的曲线，对应曲线上最小涌水量的岩石覆盖厚度为最小岩石覆盖厚度。例如关门隧道、青函隧道、早崎濑户隧道及长岛海峡隧道。 7.2、日本最小涌水量法日本用钻爆法施工的隧道，确定埋深的主早崎濑

9、户海底隧道最小涌水量与岩石覆盖厚度关系曲线 早崎濑户海底隧道最小涌水量与岩石覆盖厚度关系曲线 长岛海峡海底隧道最小涌水量与岩石覆盖厚度关系曲线 长岛海峡海底隧道最小涌水量与岩石覆盖厚度关系曲线 日本最小涌水量法确定的左线隧道最小岩石覆盖厚度 日本最小涌水量法确定的左线隧道最小岩石覆盖厚度 左线隧道，日本最小涌水量方法最小岩石厚度值与海水深度关系 左线隧道，日本最小涌水量方法最小岩石厚度值与海水深度关系 日本最小涌水量法确定的右线隧道最小岩石覆盖厚度 日本最小涌水量法确定的右线隧道最小岩石覆盖厚度 右线隧道，日本最小涌水量值与海水深度关系 右线隧道，日本最小涌水量值与海水深度关系 7.3、国内顶

10、水采煤经验法海底隧道的最小岩石覆盖厚度的确定和顶水采煤安全开采上限的确定类似之处。考虑海底隧道的特点，海底隧道最小岩石覆盖厚度的选择，可结合隧道的地质条件，借鉴顶水采煤安全防水煤岩柱高度的确定方法。7.3、国内顶水采煤经验法海底隧道的最小岩石覆盖厚度的确定和式中，H为防水岩柱高度(m)；h为隧道破裂带高度(导水裂隙带高度) (m)；s为保护层厚度(m)；a为表面裂隙深度(m) 。 式中，H为防水岩柱高度(m)；h为隧道破裂带高度(导水裂隙带顶水采煤法确定的左线隧道最小岩石覆盖厚度 顶水采煤法确定的左线隧道最小岩石覆盖厚度 顶水采煤法确定的右线隧道最小岩石覆盖厚度 顶水采煤法确定的右线隧道最小岩

11、石覆盖厚度 7.4、工程类比小结挪威经验法、最小涌水量法考虑覆岩厚度与海水深度的关系，确定的最小岩石覆盖厚度趋势一致，与海底走势也是一致的。顶水采煤综合考虑了地质条件，与海水深度没有确定的关系。由于受断层位置控制，与海底走势差异较大。最小涌水量法确定的最小岩石覆盖厚度介于挪威完整岩石值与挪威破碎岩石值之间。7.4、工程类比小结挪威经验法、最小涌水量法考虑覆岩厚度与海工程类比确定的左线隧道最小岩石覆盖厚度 工程类比确定的左线隧道最小岩石覆盖厚度 工程类比法确定的左线隧道关键剖面拱顶线高程 工程类比法确定的左线隧道关键剖面拱顶线高程 工程类比确定的右线隧道最小岩石覆盖厚度 工程类比确定的右线隧道最

12、小岩石覆盖厚度 海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件8、数值计算确定最小岩石覆盖厚度根据工可阶段的岩石力学参数和室内试验所得参数，应用断裂损伤分析和FLAC3D进行了数值分析。对于每个分析剖面，根据工程类比成果初步选定隧道岩石覆盖厚度范围，比如20m30m。每间隔1m作为一个计算工况，初始地应力场为自重场、侧压力系数0.8两种情况。取隧道轴线长度100m，以选定的分析剖面为中心，左右各50m；以海底面为上边界；下边界取隧道底板以下50m。总共完成了520个弹塑性和断裂损伤分析计算。8、数值计算确定最小岩石覆盖厚度根据工可阶段的岩石力学参数和数值方法研究思路数值方法研究思路初步选择最小顶板安全厚

13、度进一步选择典型剖面准三维分析重点选择断裂损伤分析流固耦合分析分析比较确定合理值数值计算确定最小安全顶板厚度初步选择最小进一步选择典型剖面准重点选择断裂损伤分析流固耦合隧道周边关键点 对不同岩石覆盖厚度的隧道开挖引起的周边位移、塑性区和应力变化进行分析。有限元模型、隧道周边的关键点如下图：计算区域网格图 隧道周边关键点 对不同岩石覆盖厚度的隧道开挖引最小位移法判据 对于海底隧道某剖面，拱顶位移随着岩石覆盖厚度的增加，是先减小，后增加，存在最小值。最小位移所确定的岩石覆盖厚度，对这个岩石覆盖厚度下的隧道围岩，通过变形、应力、塑性区进行稳定性分析，发现这时隧道围岩也是最为稳定的。可以认为最小位移确

14、定的最小覆盖厚度较为合理。 最小位移法判据 对于海底隧道某剖面，拱顶位移随着岩石覆盖厚度LK4+088m岩石覆盖厚度与拱顶位移关系曲线LK4+088m岩石覆盖厚度与拱顶位移关系曲线 数值方法确定的左线隧道关键剖面拱顶线高程 数值方法确定的左线隧道关键剖面拱顶线高程 数值方法确定的右线隧道关键剖面拱顶线高程 数值方法确定的右线隧道关键剖面拱顶线高程 海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件9、建议的最小岩石覆盖厚度由上述分析，制定胶州湾隧道最小岩石覆盖厚度的确定原则：首先，由于海底隧道特殊性，围岩稳定性至关重要；其次，从海底隧道施工安全来说，防突水也是十分重要；最

15、后，隧道涌水量影响排水设计和成本。数值计算根据围岩稳定性确定的；顶水采煤根据预留安全岩柱，防止施工突水确定的；最小涌水量依据排水成本较小确定的。因此依据重要性，根据经验分别给出数值计算0.5权重、顶水采煤0.3权重、和最小涌水量0.2权重，最终确定最小岩石覆盖厚度，也就是： 9、建议的最小岩石覆盖厚度由上述分析，制定胶州湾隧道最小岩石左线隧道，最小岩石覆盖厚度建议值给出的拱顶线高程 左线隧道，最小岩石覆盖厚度建议值给出的拱顶线高程 右线隧道，最小岩石覆盖厚度建议值给出的拱顶线高程 右线隧道，最小岩石覆盖厚度建议值给出的拱顶线高程 10、按围岩分类给出的最小岩石覆盖厚度建议值10、按围岩分类给出

16、的最小岩石覆盖厚度建议值11、其它因素对覆盖厚度影响岩石材料断裂损伤爆破振动影响地震动力影响渗流影响施工方法影响11、其它因素对覆盖厚度影响岩石材料断裂损伤岩石材料断裂损伤通过对已选择的底板线位置，结合地质报告给定的节理的密度，用自主开发的断裂损伤程序对三个典型剖面、两种应力状态的进行损伤分析。岩体和土层的计算参数分别与前面弹塑性分析的计算模型和边界条件相同。岩石材料断裂损伤通过对已选择的底板线位置，结合地质报告给定的地质资料给出胶州湾隧道左线海域基岩有四组断层，断层附近节理裂隙发育。所取的三个剖面分别位于f3-1断层、f4-1断层和f4-3断层附近。计算中给定4组节理，节理长度分别取为0.4

17、m，0.6m，0.5m，0.3m，节理间距取0.3m，0.5m，0.3m，0.1m，结构面强度指标如下表。 地质资料给出胶州湾隧道左线海域基岩有四组断层，断层附近节理裂节理岩体断裂损伤有限元方法 岩体工程中普遍存在节理，就岩体工程稳定而言，原生节理及其扩展演化效应是应予以高度重视的。含节理岩体无节理岩体开挖应力裂隙扩展新损伤岩体无损伤岩体裂隙扩展稳定性分析节理岩体断裂损伤有限元方法 岩体工程中普遍存在节理经计算得到洞室周边的应力和损伤分布情况经计算得到洞室周边的应力和损伤分布情况海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件通过分析可知，考虑岩体的断裂损伤时，最大拉、压应力的量值较弹塑性有限元计算时有所

18、增大，顶、底拱的变形量增大较显著，但隧洞最大位移值均没有超过2.0mm。在流纹岩和流纹斑岩内的隧道周边最大位移值仅为1.6mm和1.2mm左右。在隧道施工时，应注意及时采取喷射混凝土等措施，防止洞室表面裂隙进一步扩展，从而减小损伤演化区范围。损伤演化区和塑性区的影响只是在围岩的局部范围内发生的，对整个海底隧道的埋深选择影响较小。通过分析可知，考虑岩体的断裂损伤时，最大拉、压应力的量值较弹爆破振动影响周边眼爆破时对隧道周边围岩稳定性影响最大。采用国际上常用的爆破荷载的计算模式，计算隧道上台阶周边眼起爆时的爆炸荷载。应用有限元软件ABAQUS计算隧道围岩在周边眼爆破过程中的稳定性，监测隧道上覆岩石

19、震动速度、加速度，验证隧道顶板厚度的合理性。爆破振动影响周边眼爆破时对隧道周边围岩稳定性影响最大。采用国爆破荷载计算公式：爆破荷载计算公式：海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件LK3+218剖面考察点布置图 LK3+218剖面考察点布置图 LK3+218剖面考察点水平震动速度时程曲线 LK3+218剖面考察点水平震动速度时程曲线 LK3+218剖面考察点竖向震动速度时程曲线 LK3+218剖面考察点竖向震动速度时程曲线 速度峰值随爆心距衰减曲线（LK3+218剖面隧道拱顶监测点） 速度峰值随爆心距衰减曲线（LK3+218剖面隧道拱顶监测点）根据Langefors提出的隧道围岩的破坏标准，将25

20、cm/s的振动速度作为保守的壁墙破坏标准。对类围岩，上台阶周边眼爆破单段药量11.7kg，爆破振动对隧道岩石覆盖厚度的影响范围约在2.0m之内。对于青岛胶州湾隧道采用光面爆破技术开挖，爆破设计时采用低爆速炸药、不耦合装药、分段起爆等技术，爆破对隧道覆盖岩石的震动影响可以得到合理控制。根据Langefors提出的隧道围岩的破坏标准，将25cm/地震动力影响选取最小岩石覆盖建议线隧道位置，左线隧道里程桩号LK3218、右线隧道里程桩号RLK3270两个剖面为研究对象进行计算。假定隧道为无线长，计算简化为平面应变问题。模型上边界取至海底面，下边界则取在隧道底部向下50m处的位置，水平方向计算范围取1

21、60m。地震动力影响选取最小岩石覆盖建议线隧道位置，左线隧道里程桩号青岛胶州湾隧道地震设防烈度为级，地震周期 ，地震加速度幅值 。因青岛胶州湾隧道工程区域缺少地震波记录，则按Elcentro横波加速度时程曲线波形输入，振动幅值按线性比例换算。地震加速度时程曲线如下图。青岛胶州湾隧道地震设防烈度为级，地震周期 ，地震LK3+218剖面监测点布置图 LK3+218剖面监测点布置图 LK3+218剖面监测点水平速度时程曲线 LK3+218剖面监测点水平速度时程曲线 LK3+218剖面监测点水平加速度时程曲线LK3+218剖面监测点水平加速度时程曲线根据Langefors提出的隧道围岩的破坏标准，将2

22、5cm/s的振动速度作为保守的壁墙破坏标准。在地震荷载作用下（剪切波），位移变化主要发生在水平方向上。对类围岩隧道，按地震烈度级设防，隧道围岩最大速度峰值为20cm/s，地震不会引起上覆围岩的破坏。根据Langefors提出的隧道围岩的破坏标准，将25cm/渗流影响选择左右线海水最深的两个剖面进行渗流计算，并同时考虑注浆加固后对所选剖面的岩石覆盖厚度选择的影响。取水头位置为海水最大高潮位置（最大高潮水位为3.11m），侧边界和底边为固定孔隙水压力边界(孔隙水压力等于初始孔隙水压力分布)，隧道开挖边界为固定水压力边界(孔隙水压力p=0)。 渗流影响选择左右线海水最深的两个剖面进行渗流计算，并同时

23、考虑计算工况分别包括注浆加固前左右线剖面的渗流场计算和注浆加固后左右线剖面的渗流场计算。每种工况分别根据上覆岩石厚度的不同分为10个模型进行计算，其中左线选取岩石覆盖厚度分别为10m、12m、15m、17m、20m、26.7m、30m、40m、50m、60m；右线选取岩石覆盖厚度分别为10m、12m、15m、17m、20m、33m、30m、40m、50m、60m。 计算工况分别包括注浆加固前左右线剖面的渗流场计算和注浆加固后海底隧道最小岩石覆盖厚度的研究-课件右线RK2+270计算模型 右线RK2+270计算模型 LK2+910剖面注浆前后涌水量与岩石覆盖层厚度关系曲线 LK2+910剖面注浆前后涌水量与岩石覆盖层厚度关系曲线 RK2+270剖面注浆前后涌水量与岩石覆盖层厚度关系曲线 RK2+270剖