长大海底盾构隧道施工期环境温度分布实测分析及影响因素研究

为开展长大海底盾构隧道施工期独头通风流场分布及参数优化后环境降温效果研究,通过现场监测数据明确隧道沿程环境温度和风速特征,并对海底盾构隧道主要热源进行统计,建立长大海底盾构隧道施工期的温度场三维数值计算模型,探究盾构掘进长度、通风量和入口风温等因素对隧道环境温度场和通风死区分布的影响。研究结果表明:1)盾构主机和1号台架下层和中层设备为主要的散热源,设备后方的大范围通风死区处有局部异常高温;2)从盾构主机至始发井,隧道内回风风速先骤减再略微增加后基本保持稳定,通风量损失主要在盾构刀盘后配套作业区;3)隧道沿程环境温度呈骤降—缓降—缓升的变化规律;4)在盾构掘进长度小于6 km时,盾构主机处温度呈快速线性增大随后增速放缓的变化特征;5)通风死区范围随着盾构掘进长度和通风量的增加分别呈指数上升和指数衰减的趋势,加大通风量能有效消除隧道内通风死区。

某海底盾构隧道通风排烟方案探讨

以某海底盾构隧道工程为例,介绍了其通风排烟设计方案,尤其是通风排烟设计如何尽可能地兼顾降低工程投资的需求。

基于地层‑注浆体‑管片协同作用的海底盾构隧道受力研究

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。

断层破碎带海底盾构隧道管片纵向沉降解析解及应用

断层破碎带地层隧道沉降控制是海底盾构隧道建设的关键问题之一,隧道的不均匀沉降诱发管片环缝张开、错台、螺栓应力增大乃至接缝渗漏水等现象,严重影响隧道结构稳定和运营安全。针对断层破碎带地层海底盾构隧道纵向沉降问题,分析隧道穿越断层破碎带地层全过程,提出了归一化上覆荷载理论公式。通过泰勒级数公式将复杂上覆荷载在5%误差内简化为多段三次多项式函数,结合Timoshenko梁理论推导建立了海底盾构隧道管片纵向沉降及内力系列解析解。最后结合工程实例对理论模型进行了验证。研究表明:断层破碎带内隧道的沉降曲线表现为激增段、缓增段和骤减段。断层破碎带倾角越大,断层破碎带与正常围岩界面附近不均匀沉降越大,断层破碎带对延伸侧1倍破碎带宽度范围内隧道的沉降影响较大;随着断层破碎带宽度的增加,断层破碎带范围内隧道的沉降峰值逐渐增大并趋于稳定,当断层破碎带宽度超过6倍洞径时,隧道的沉降峰值基本保持不变。研究结果可为断层破碎带海底盾构隧道纵向沉降计算和性能评估提供依据。

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

文章运用FLAC3D软件,采用动力有限元法,对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行了分析。分析结果表明：与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力的增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2~6 s的时间段;各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。

海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施研究

海底盾构隧道-竖井连接部位的刚度突变会使隧道结构受到差异位移的作用,形成复杂的空间效应,即隧道结构的端部效应。考虑海床土体的动力非线性特性、盾构隧道管环间纵向螺栓连接以及盾构隧道-竖井柔性接头等因素,建立了苏埃海底隧道工程盾构隧道-竖井连接区段三维精细化有限元模型,研究了海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施。结果表明,在地震作用下,盾构隧道-竖井节点环缝张开量约为常规隧道段的2~5倍,端部效应影响范围约为1.5D(D为隧道直径),隧道结构端部效应随地震动强度的增大而呈非线性增大趋势,低频发育的Darfield波作用比中高频发育的Iwate波作用时引起更大的环缝张开量。盾构隧道端部效应影响范围与盾构隧道-竖井节点自身结构特性相关,受地震波类型及幅值影响较小。增加盾构隧道-竖井节点环缝连接螺栓数量可以有效降低盾构隧道端部环缝张开量,却加剧竖井端墙和盾构隧道结构的地震损伤。增设盾构隧道-竖井柔性连接可将地震波传播引起的结构变形诱导至预设的柔性接头上,减轻盾构隧道端部地震损伤的同时牺牲的是柔性接头处抗震安全性,柔性接头设计能满足预期的地震变形要求。

海底盾构隧道地震响应影响因素分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应影响因素进行分析。通过分析得出如下结论:1)隧道变形形态受地震波入射方向影响较大,地下结构抗震不能忽略竖向地震荷载而仅考虑水平地震荷载;2)随着管片厚度的增大,其轴力、剪力和弯矩都增大,在满足结构受力的前提下,降低管片厚度有利于提高结构的抗震性;3)随着管片刚度的增加,相同部位的受力逐渐增加,通过增大管片刚度来提高结构的抗震性,效果不明显;4)随着隧道埋深的增加,管片结构的地震反应也在增加,埋深对结构的位移影响较大,深埋时能减小地震作用下结构位移。

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明:①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力–过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。

海底盾构修复冻结加固技术

在海底故障盾构修复施工中,在盾构切口前方采用双排冻结管和盾构两侧的辅助冻结管进行垂直局部冻结加固土体,使盾构前方形成罩形冻土帷幕,将切口端的漏水通道冻结封闭,为隧道清泥排水和盾构修复提供保障。考虑到海水含盐具有冻土帷幕厚度减小、冻土强度下降等对冻结的不利影响,对冻结方案进行了专门设计与冻结及施工过程的实测研究。通过对冻土温度监测数据的计算和分析,表明罩形冻土帷幕在海底盾构修复中取得了良好效果,验证了该冻结方案在海底盾构隧道修复中的可行性。

潮汐作用对大断面海底盾构隧道管片接缝防水性能的影响研究

为探究潮汐作用导致大断面盾构隧道管片环间接缝的张开情况及其对防水性能的影响,基于在海潮显著变化区修建的大断面海底隧道——苏埃通道工程,通过建立管片的ANSYS有限元实体模型计算出管片纵向接头的等效抗弯刚度;建立隧道的纵向等效刚度模型,通过施加不同的潮位差所对应的水头压力,得到潮汐荷载作用下隧道纵向弯矩和轴力的分布情况;进而通过环缝张开量计算公式,确定沿盾构隧道纵向各位置处的环缝张开量。研究结果表明:较大的环缝张开量主要出现在地层的软硬程度沿纵向呈现剧烈变化的位置,由于该位置发生不均匀沉降,导致弯矩和轴力的结果偏大,从而影响到环缝张开量;潮汐荷载作用引起的最大环缝张开量为0.271 mm,对接缝防水性能的影响较低。

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100 kPa左右,再缓慢降低,降幅在20 kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320 kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。

汕头市苏埃海底盾构隧道工程设计方案比选研究

汕头市苏埃海底盾构隧道是国内首条位于8度地震烈度区的特长超大直径海底盾构隧道。为总结该工程的设计过程,首先,列出工程可行性、初步设计、施工图设计各阶段完成的各项专题研究,并从中总结经验;然后,介绍苏埃隧道线位方案比选、施工工法比选、抗震设计的主要内容,给出设计方案比选中考虑问题的思路、抗震设计的具体做法、防水标准的具体取值等;最后,概括该工程设计的得失,并提出建议,以期为以后的高地震烈度区水下盾构隧道设计提供有益的参考。

海底盾构隧道管片上浮分析及控制研究

为研究海底盾构隧道中管片的上浮机理及控制方法,以厦门地铁2号线海底盾构段为依托,采用数值模拟方法,首先分析注浆压力、初凝时间等对管片上浮量的影响,并提出相应的上浮控制措施;然后,建立三维管片模型,对注浆压力作用下,上浮量和管片错动及螺栓的内力进行分析计算;最后,结合现场实测数据予以分析。结果表明:注浆压力越大,管片底部上浮量越大;软土与硬土条件下相比,管片上浮量下降43.8%;沿管片周边不同部位设置不同的注浆压力,提高浆液早期刚度,能显著降低管片上浮量,注浆材料的刚度比E1/E28从0.6提高到0.8时,管片上浮量降低37.99%,最大弯矩降低43.27%;结合实测土压力与计算值表明,基于黏弹塑性流变模型(shotcrete混凝土本构)的海底盾构隧道模拟方法,能较合理地预测管片外土压力主要区段的量值和衰减规律。研究成果可为管片结构设计提供更加合理的依据。

宁波某海底盾构隧道围岩耐磨性研究

文章以宁波某海底盾构隧道为背景,对隧道围岩凝灰岩和砾石进行耐磨性实验和岩石矿物衍射分析实验,岩石矿物组成与耐磨性指数CAI值进行相关性分析。结果表明,岩石矿物组成对磨蚀性影响较大,宁波该海底隧道围岩中砾石的CAI指标5.1~6.7,凝灰岩CAI在4.0~5.5,砾石和凝灰岩对盾构机具有很强的磨蚀性;岩石矿物加权硬度与岩石耐磨性指数有较好的线性相关关系,更能准确地反映岩石矿物组成对与耐磨性之间的关系。整体来看,该隧道围岩中凝灰岩磨蚀性为较高~极高,刀具磨损较大,盾构机选型及刀具设计时应充分予以考虑。

国内在建最大海底盾构隧道——深圳妈湾跨海通道右线突破1000 m

2022年4月18日,中铁隧道局集团有限公司承建的深圳妈湾跨海通道右线盾构掘进突破1000 m。妈湾跨海通道是深圳市首条海底隧道,起于前海自贸区妈湾大道与月亮湾大道交叉处,与沿江高速大铲湾收费站及金湾大道-西乡大道交叉口对接,是国内在建最大直径海底盾构隧道工程。

荷载与锈胀双重力学作用下海底盾构隧道管片开裂机理研究

海洋腐蚀性环境下盾构隧道管片的锈胀开裂问题是影响隧道安全服役的主要威胁,需关注水土压力引起的衬砌应力与钢筋锈蚀引起的附加应力的共同作用。基于扩展有限元方法(XFEM)建立能够反映这种双重应力作用的海底盾构隧道锈胀开裂分析模型,研究服役期隧道衬砌环锈胀开裂行为及力学机制。结果表明,衬砌环不同位置的锈胀开裂行为受管片原有衬砌应力的影响显著;外圈两拱腰和内圈拱顶与拱底位于衬砌环的拉应力集中区,水土压力引起的拉应力是影响衬砌开裂的主导因素,而锈胀作用的影响较小,此处裂纹表现出起裂早、扩展快、垂直保护层开裂的特征;内圈两拱腰和外圈拱顶与拱底为衬砌环的压应力集中区,混凝土较大的抗压强度使其开裂主要依赖于钢筋锈胀引起的拉应力,钢筋需锈蚀足够的时间使周围混凝土由受压转为受拉并开裂,此处裂纹表现出起裂晚、扩展慢、平行于保护层开裂的特征;拱肩和拱脚处于应力过渡状态,裂纹和保护层倾斜相交。

波浪作用下海底隧道氯离子侵蚀劣化时变分析

浅水区海底隧道处于复杂波动水力环境中,既有理论研究一般只在静水环境中计入氯离子自由扩散对隧道衬砌的侵蚀作用,而较少考虑海洋波浪力对衬砌结构腐蚀的促进作用。首先采用适用于浅水区的Stokes二阶波浪理论确定了海床表面的波浪压力,基于Biot固结理论获得了隧道衬砌周围的水压响应;接着利用改进的Fick第二定律同时考虑水压和浓度梯度驱动下的氯离子扩散,并采用指数型强度劣化模型描述服役时间内衬砌混凝土的劣化效应;最后结合波浪作用下衬砌氯离子侵蚀效应进行了海底隧道衬砌承载力计算,并将理论解析解与数值模型和既有的试验结果进行了对比,获得了较好的一致性。结果表明,忽略动态波浪压力对衬砌混凝土中氯离子渗流的促进作用,将低估衬砌混凝土内部的氯离子扩散速度,随着波浪周期增加,衬砌内部氯离子侵蚀入渗的最大深度明显增大;而不考虑衬砌强度劣化效应会明显高估隧道结构的服役寿命,不利于海底隧道服役期间的安全储备。

波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。

海底盾构隧道瞬变电磁岩溶识别探测技术研究

海域瞬变电磁法具有对水底低阻地质体(包括岩溶、破碎带等)反映敏感、分辨率及施工效率较高的优点,是海底岩溶探测中常用的物探手段之一。为进一步查明大连地铁5号线工程跨海段岩溶发育规律,采用瞬变电磁岩溶识别探测技术进行岩溶探测,并采用钻探进行验证。结果表明:瞬变电磁物探法推测隧址区主要存在36处岩溶发育区,58处岩体破碎带,4条断裂破碎带,推测的岩溶发育区、岩体破碎带与前期详勘钻探资料吻合性较好,经钻孔验证该方法基本可满足岩溶勘察技术要求,通过该方法得到的岩溶勘察结果可靠性较高,能为隧址区岩溶处理提供基础支撑,本次成功应用可为类似工程岩溶探测提供借鉴与参考。

世界首条时速350公里海底隧道开始盾构掘进

3月29日,由中铁十四局集团施工的汕(头)汕(尾)铁路汕头湾海底隧道开始盾构掘进,标志着世界首条设计时速350公里的海底隧道开始海底段主体施工。隧道全长9781米,其中穿越汕头湾海底段2169米采用盾构法施工,盾构机刀盘开挖直径14.57米,是目前世界最大直径高铁海底盾构隧道。