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复杂
地质
海底隧道
不同
排水
体系
渗流
变形
特征
研究
秦松
第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20221118基金项目:国家自然科学基金项目(42172310);山东省高等学校“青创科技计划”项目(2019KJG015)作者简介:秦松(1981),男,山东济南人,高级工程师(1078854897 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.019复杂地质海底隧道不同防排水体系下渗流场及变形特征研究秦松(中铁十四局集团第一工程发展有限公司,山东日照276800)摘要:为了研究不同防排水体系下海底隧道的渗流场分布及隧道变形特征,以复杂地质条件下汕头湾海底隧道陆域段为例,针对目前设计方案提出的两种防排水型式,考虑隧道流固耦合效应,采用室内试验参数标定与数值模型相结合的方式,研究了防排水型式对隧道稳定性的影响。考虑到地质条件的复杂性,分析了不同围岩级别对衬砌结构水压力、应力场及位移场的影响规律。结果表明:试件在室内试验压缩作用下,主要产生剪切破坏,破坏面与最大主应力作用面夹角约 70,周围伴有局部的张拉裂纹;数值模拟中岩体破裂形态和试验结果高度一致,破裂角度相同,峰值强度吻合,变形曲线误差在允许范围之内;衬砌结构各部位孔隙水压力绝对值的大小关系为:仰拱边墙拱顶,半包型防排水体系相对于全包型防排水体系其边墙与仰拱交接部位更容易出现应力集中现象;受断裂带的影响,级和级围岩区段孔隙水压力、应力以及变形量远远大于级围岩区段,级和级仰拱部位水压力值过大,应加设泄水阀,以达到控制排水、降低衬砌结构水压力的目的。半包型防排水体系要优于全包型防排水体系,因此对于类似的海底隧道陆域段,建议采用半包型防排水体系。关键词:隧道工程;渗流场;数值模拟;防排水体系;衬砌结构中图分类号:TU452文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05013808Study on Seepage Field and Deformation Characteristics of Undersea Tunnel withDifferent Waterproof and Drainage Systems under Complex Geological ConditionQIN Song(China ailway 14th Bureau Group 1st Engineering Development Co,Ltd,izhao Shandong 276800,China)Abstract:In order to study the seepage field distribution and deformation characteristics of undersea tunnelwith different waterproof and drainage systems,taking the land section of Shantou Bay undersea Tunnel undercomplex geological condition for example,in view of the 2 waterproof and drainage types proposed in thecurrent design scheme,considering the fluid-structure coupling effect of tunnel,the influence of thewaterproof and drainage type on the stability of the tunnel is studied by combining laboratory test parametercalibration and numerical model Considering the complexity of geological conditions,the influence rules ofdifferent levels of surrounding rock on the water pressure,stress field and displacement field of the liningstructure are analyzed The result shows that(1)the shear failure occurs on the specimen mainly under thecompressive action in laboratory test,the angle between the failure surface and the maximum principal stresssurface is about 70,accompanied by local tensile cracks around the specimen;(2)the fracture morphologyof rock mass in numerical simulation is highly consistent with the experimental result,the fracture angle is thesame,the peak strength is consistent,and the deformation curve error is within the allowable range;(3)the第 5 期秦松:复杂地质海底隧道不同防排水体系下渗流场及变形特征研究absolute value of pore water pressure at each part of the lining structure is in the order of invert side wall vault,stress concentration is more likely to occur at the junction of side wall and invert in the semi-enclosedtype waterproof and drainage system than in the full-enclosed type waterproof and drainage system;(4)dueto the influence of the fault zone,the pore water pressure,stress and deformation in the surrounding rocksections of grade and grade are much greater than those in the surrounding rock section of grade,and the water pressures in the invert area of grade and grade are too large,so the drainage valve shouldbe added to control drainage and reduce the water pressure in the lining structure The semi-enclosed typewaterproof and drainage system is better than the full-enclosed type waterproof and drainage system,so it isrecommended to adopt the semi-enclosed type waterproof and drainage system for similar land sections ofsubsea tunnelsKey words:tunnel engineering;seepage field;numerical simulation;waterproof and drainage system;lining structure0引言随着国民经济的快速发展,隧道地质条件13 日益复杂、施工难度不断加大。富水隧道尤其是海底隧道,地下水丰富,容易诱发各种工程灾害,围岩结构稳定性、富水隧道突涌水、衬砌结构受力不均匀等问题的研究,已然迫在眉睫46。富水隧道区域,围岩物理力学强度因水力弱化作用而降低,同时,施工扰动也会导致围岩应力场和渗流场重新分布,流固耦合作用下衬砌结构和围岩变形均会加剧78,杨晓芳等9 通过对某高速公路扁平化、大断面、深埋隧道穿越断层构造的区段进行研究发有围岩大变形为变形速度快、稳定时间长、下沉变形较位移变形更突出、“双峰型”间断累进式的特征,因此,最优防排水形式的选取至关重要。目前,隧道防排水技术主要包括全包型、防排结合(半包)型、全堵型等几种1012。丁燕平等13 通过对深埋山岭富水公路隧道进行模拟研究,分析了不同隧道衬砌结构形式的受力特征,提出了基于水压进行分段设计的研究思路;雷波等14 以厦门海底隧道为依托,对不同防排水条件下的衬砌结构开裂情况进行了研究,提出了高水压并不是衬砌结构开裂的主要原因;谭忠盛等15 依托厦门翔安海底隧道,对衬砌结构水压力和受力特征进行了研究;王志杰等16 采用了自制均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现了围岩压力及外水压力的加载控制,并利用 ANSYS 进行了验证;李伟等17 研究了围岩注浆加固圈、初期支护和排水系统对地下水渗流场的影响规律,并分析了高水压山岭隧道衬砌水压力特征;王秀英等18 通过模型试验研究了不同排水方式下衬砌结构的水压力分布规律,得到全封堵衬砌背后水压力不折减,而半包式排水衬砌背后水压力较小的结论。基于前人的研究基础,本研究将以汕头湾海底隧道为背景,采用室内试验参数标定与数值模型相结合的方式,针对目前设计方案提出的两种防排水型式,考虑隧道流固耦合效应,研究防排水型式对隧道稳定性的影响,同时考虑到地质条件的复杂性,分析不同围岩级别对衬砌结构水压力、应力场及位移场的影响规律,研究成果将为类似工程施工提供参考。1工程概况汕头湾海底隧道位于广东省汕头市濠江区和龙湖区境内,线路北东至北东东走向。场区以剥蚀丘陵为主,地形起伏,局部陡峭,沟谷狭长。隧道全长 9 191 m,沿线地面标高10150 m,隧道地质构造及水文地质条件较复杂,属控制性重点隧道工程。隧道谷地地面高程 510 m 左右,丘陵地面高程 50185 m,自然坡度约为 2030。本研究区段为 DK160+570 DK160+720,隧洞中心位置埋深约为 85 m,属于陆域段,岩层主要为微风化花岗岩、强风化花岗岩及全风化花岗岩,穿越雄鸡山断裂带,与隧道正洞相交于 DK160+640 附近,断层切燕山期第 3 次侵入花岗岩,断层倾向大里程,该断裂及影响带宽度约 50 m,断层破碎带内节理发育,岩体较为破碎。DK160+570DK160+720区段围岩依次穿越级、级、级、级、级,如图 1 所示。其中,级区段采用全断面开挖方式,级、级区段采用二台阶法开挖方式。地下水多以基岩裂隙水、第四系孔隙水及松散岩类孔隙潜水为主,海平面标高在 0 1.5 m。931公路交通科技第 40 卷图 1研究区段围岩地质条件Fig.1Geological conditions of surrounding rock in research section2FLAC3D 流固耦合数值模型的建立及参数2.1FLAC3D 流固耦合数学方程有限差分分析方法中,流固耦合数学方程认为围岩为等效连续介质体,地下水运动需满足达西定律以及 Biot 固结方程,相关计算方程主要包括1920:(1)达西运动方程q