2023学年完整公开课版海底隧道061027

隧道整体安全系数与

海底隧道计算

郑颖人王在泉王建新后勤工程学院青岛理工大学一、隧道安全系数的定义

安全系数—岩土体整体不能承载，岩土体分离；力学上表现为某一面上或某一区域应力都达到抗剪强度，应变与位移发生突变。

超载安全系数强度贮备安全系数一、隧道安全系数的定义

隧道整体安全系数——把裂隙岩体视作均质岩体隧道局部安全系数——结构面与临空面组合发生局部塌落隧道抗拉安全系数——主要是拱顶拉破坏二、有限元极限分析法——有限元强度折减法不断降低强度，直至达到破坏状态——计算机不收敛滑移面塑性区贯通，应变与位移突变，岩土体不能承载计算中降低强度的倍数就是强度贮备安全系数自动获得破坏面与安全系数

图3-4有限元单元网格划分右边界宽度－２.5倍坡高左边界宽度－１.5倍坡高底部边界高度－１倍坡高

表3-2采用非关联流动法则时不同准则条件下的安全系数地基极限承载力主要求解方法滑移线场法增量加载有限元法图3.3Prandtl破坏机构图图3.1计算简图及有限元剖分

表3.1非关联流动法则下极限承载力计算结果(ψ＝0)Φ（°）0510152025DP160.2382.28118.26182.16296.11497.20DP260.2376.2997.43125.40162.69206.19DP352.1965.8084.13108.00141.32187.78DP454.8170.5191.65122.90169.67238.88DP552.1965.8984.96110.04150.21201.69Prandtl解51.4264.8983.45109.77148.35207.21(DP1－P)/P0.17130.26800.41710.65950.99601.3995(DP2－P)/P0.17130.17570.16750.14240.0967-0.0049(DP3－P)/P0.01500.01400.0081-0.0161-0.0474-0.0918(DP4－P)/P0.06590.08660.09830.11960.14370.1528(DP5－P)/P0.01500.01540.01810.00250.0125-0.0266

1.高边墙地下洞室的整体安全系数洞高70m，属于Ⅳ类围岩。钢纤维喷射混凝土单层永久衬砌，砂浆锚杆φ32，L=8m@1.5m×1.5m，全粘结式预应力锚索，L=30m@3.0m×3.0m设计吨位拱顶160t，边墙200t，

三、高边墙地下洞室的安全系数

表1有限元计算的物理力学参数

围岩类别变形模量E/GPa泊松比v容重内摩擦角粘聚力/MPaⅣ3.00.3220300.4CF30­36.40.225

锚索、锚杆210.00.2778

图1极限平衡状态下围岩的塑性区分布图图2P1路径上的塑性应变分布安全系数1.67由塑性应变突变点求滑移面

图3P2路径上的塑性应变分布图4P3路径上的塑性应变分布

图5P4路径上的塑性应变分布图6PP路径上的塑性应变分布

图8Ⅳ类围岩极限平衡状态下围岩的塑性应变云图图7滑移面

2．高边墙地下洞室的局部安全系数Ⅲ类围岩，岩脉发育，节理密集。碎块状—裂隙状结构。节理倾角75°洞高25m,锚杆Ф25，L=6/8m，边墙锚索每侧3条，预应力为1000kN，间距@4.5m×6.0m，衬砌C20混凝土厚度20cm。吊车吨位250吨。

表8.4有限元计算的物理力学参数(1)变形模量E(GPa)泊松比容重kN/m3粘聚力c(MPa)内摩擦角°Ⅲ类围岩100.28241.045节理100.3230.1535拱顶及吊车梁300.2252.3555边梁25.50.225锚索2100.2778

图8.22围岩塑性区分布图(k=1.2)图8.23围岩塑性区分布图(k=2.1)(最大塑性应变0.00418)最大塑性应变0.00313安全系数为k=1.2加强后

表8.6围岩支护加强措施及计算结果汇总表节理2c=0.15MPa节理情况加强支护措施安全系数K

=350⑴只增加锚杆的数量，使锚杆间距为1.5m×1.5m，1.8⑵只增加预应力锚索，预应力为1000kN，数量增加一倍，间距变为4.5m×3.0m(高×宽)，长度为20m1.6⑶增加锚杆的数量，使锚杆间距为1.5m×1.5m同时增加预应力锚索，预应为1000kN，数量增加一倍，间距变为4.5m×3.0m(高×宽)，长度为20m2.1⑷加强措施同上⑶，但是锚杆加密范围为拱脚至边墙中下部2.0

四、公路隧道安全系数某半圆拱形公路隧道尺寸为9.4m8.5m（宽高），埋深50m。根据国标《工程岩体分级标准》GB5021894,分别属于Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ类围岩。计算准则采用摩尔库仑等面积圆屈服准则DP3。1.工程概况

围岩类别E/GPa/kNm3/()c/MPaⅡ上300.222700602.0Ⅱ下200.252700501.5Ⅲ下100.302500390.7Ⅳ下50.352400270.35表25岩体物理力学参数

不同围岩类别条件下的安全系数计算结果与分析围岩类别埋深/m泊松比安全系数Ⅱ下500.254.23Ⅲ下500.302.61Ⅳ下500.351.85Ⅲ下500.252.63Ⅳ下500.251.87Ⅱ下1500.252.05Ⅲ下1500.301.52Ⅳ下1500.351.19

图48

Ⅱ下围岩的等效塑性应变和潜在破坏面(

=0.25)

图49Ⅱ下围岩的塑性区(

=0.25)

1、岩石越好，安全系数越高，破坏区越小；2、泊松比不同，安全系数不变；3、埋深越大，安全系数越小；4、泊松比越小，塑性区越大。

Ⅲ下围岩等效塑性应变和潜在破坏面

(

=0.30)

Ⅲ下围岩塑性区（

=0.30）

图52Ⅳ下围岩的等效塑性应变和潜在破坏面(

=0.35)

图53Ⅳ下类围岩的塑性区(

=0.35)

五、海底隧道整体安全系数1．建设情况已建海底隧道：日本关门隧道（1944），日本青函隧道，英法海峡隧道，丹麦大海峡隧道，东京湾渡海公路隧道。拟建、在建海底隧道：日本日韩海底隧道，直布罗陀海峡隧道，意大利墨西拿海峡隧道，我国厦门隧道，青黄隧道。

2．海底隧道设计方案荷载=岩石压力+水压考虑衬砌上海水压力不同全水头情况：①土质隧道、渗透性强破碎岩层隧道②盾构法施工隧道

无水头情况：

①岩体完整、渗透性小、排水卸压隧道完全避免渗水是不可能的也是不必要的主要的工作是降低渗水,达到可接受的水平，挪威海底隧道规范规定允许的渗流量为300升/公里/分钟。海底隧道衬砌按排水结构设计，不承受水压力②断层、破碎带、注浆堵水，局部加固对探测孔的渗水进行量测，如果渗水量大于5~6升/分钟，则需要灌浆。

灌浆堵水

3．隧道计算模型岩体完整、坚硬、局部有破碎带上覆岩层25m

海水高度45m

双洞间距1.5d

破碎带倾角45°与90°，宽1m与2m，

图1倾角45破碎带注浆封堵后计算示意图

表1岩体力学参数岩体弹性模量EGPa泊松比粘聚力cMPa内摩擦角重度KN/m3围岩250.253.54526破碎带20.350.32522注浆段水圈40.30.63024第一方案

表2岩体力学参数第二方案。弹性模量EGPa泊松比粘聚力cMPa内摩擦角重度KN/m3围岩250.253.04026破碎带10.350.152522注浆堵水圈40.30.63024

4．计算结果①安全系数（第一方案）

表3计算模型及安全系数模型围岩状况安全系数模型一完整围岩隧道6.53模型二围岩含2m宽45破碎带，无堵水情况3.63模型三围岩含2m宽90破碎带，无堵水情况4.74

模型四围岩含1m宽45破碎带，注浆封堵厚度为3m4.24模型五围岩含1m宽45破碎带，注浆封堵厚度为5m4.69模型六围岩含2m宽45破碎带，注浆封堵厚度为3m3.79模型七围岩含2m宽45破碎带，注浆封堵厚度为5m3.99模型八围岩含1m宽90破碎带，注浆封堵厚度为3m5.84模型九围岩含1m宽90破碎带，注浆封堵厚度为5m5.97模型十围岩含2m宽90破碎带，堵3m5.39模型十一围岩含2m宽90破碎带，堵5m5.70

4．计算结果①安全系数（第二方案）表4计算模型及安全系数模型围岩状况安全系数模型一完整围岩隧道5.21模型二围岩含2m宽45破碎带，无堵水情况1.94模型三围岩含2m宽90破碎带，无堵水情况2.20模型四围岩含1m宽45破碎带，注浆封堵厚度为3m2.54模型五围岩含1m宽45破碎带，注浆封堵厚度为5m2.90模型六围岩含2m宽45破碎带，注浆封堵厚度为3m2.25模型七围岩含2m宽45破碎带，注浆封堵厚度为5m2.57模型八围岩含1m宽90破碎带，注浆封堵厚度为3m2.53模型九围岩含1m宽90破碎带，注浆封堵厚度为5m2.61模型十围岩含2m宽90破碎带，注浆封堵厚度为3m2.48模型十一围岩含2m宽90破碎带，注浆封堵厚度为5m2.55

结论：完整隧道安全系数最大；45°破碎带宽2m，无堵水情况，安全系数最小；破碎带愈宽，安全系数愈小；堵水圈厚度愈大，安全系数愈大。

②塑性区与破坏区

图2极限状态下完整塑性应变图和塑性区图破坏区在洞间底角

图3模型2的塑性应变和塑性区

破坏区在破碎带底端围岩含2m宽45破碎带，无堵水情况

图4模型3的塑性应变和塑性区

围岩含2m宽90破碎带，无堵水情况

破坏区在洞间底角

图5模型4的塑性应变和塑性区围岩含1m宽45破碎带，注浆封堵厚度为3m

图6模型5的塑性应变和塑性区

围岩含1m宽45破碎带，注浆封堵厚度为5m

图5、图6表明，堵水处塑性应变最大，需作局部验算