Typical Underwater Tunnels in the Mainland of China and Related Tunneling Technologies

In the past decades, many underwater tunnels have been constructed in the mainland of China, and great progress has been made in related tunneling technologies. This paper presents the history and state of the art of underwater tunnels in the mainland of China in terms of shield-bored tunnels, drill-and-blast tunnels, and immersed tunnels. Typical underwater tunnels of these types in the mainland of China are described, along with innovative technologies regarding comprehensive geological prediction, grouting-based consolidation, the design and construction of large cross-sectional tunnels with shallow cover in weak strata, cutting tool replacement under limited drainage and reduced pressure conditions, the detection and treatment of boulders, the construction of underwater tunnels in areas with high seismic intensity, and the treatment of serious sedimentation in a foundation channel of immersed tunnels. Some suggestions are made regarding the three potential great strait-crossing tunnels-the Qiongzhou Strait-Crossing Tunnel, Bohai Strait-Crossing Tunnel, and Taiwan Strait-Crossing Tunnel--and issues related to these great strait-crossing tunnels that need further study are proposed.

A new clay-cement composite grouting material for tunnelling in underwater karst area

A new clay-cement composite grouting material (CCGM) for tunnelling in underwater karst area was developed through the excellent synergistic interactions among cement, clay, meta-aluminate and lignin. The probable formation mechanism of the material was proposed based on a series of experimental tests. The results show that with an optimal mass ratio (2:1:1:0.024) for water, cement, clay and additives, the obtained CCGM displayed an excellent grouting performance for karst in an underwater condition. Compared with neat cement grouts and clay-cement grouts, CCGM has faster gel time, lower bleeding rate and bulk shrinkage rate, greater initial viscosity, and a strong resistance to water dispersion. A successful engineering application indicates that CCGM not only fulfils a better grouting performance for karst in underwater conditions but also reduces the engineering cost and environmental pollution.

Determination of rock resistant coefficient based on Mohr-Coulomb criterion for underwater tunnel

According to the load-structure method, the wall rock with lining can bear the load caused by the surrounding rock, and the rock resistant coefficient (RRC) is a key parameter for evaluating the capacity of this wall rock. Based on the Mohr-Coulomb yield criterion, this paper develops a formula for calculating the RRC, which has been applied to the real engi-neering project, such as Xiamen Xiang’an East Passage Underwater Tunnel Project. The fact shows that this formula is helpful for designers to determine the RRC value.

Prototype test study on mechanical characteristics of segmental lining structure of underwater railway shield tunnel

Based on the first unde rwater railway shield tunnel, the Shiziyang shield tunnel of Guangzhou Zhu- jiang River, the prototype test was carried out against its segmental lining structure by using ＂multi-function shield tunnel structure test system＂. And the mechanical characteristics of segmental lining structure using straight assembling and staggered assembling were studied deeply. The results showed that, the mechanical characteristics of segmental lining structure varied with the water pressures; especially after cracking, the high water pressure played a significant role in slowing down the growing inner force and deformation. It also testi- fied that the failure characteristics varied with straight assembling structure and staggered assembling structure. Shear thilurc often occurred near longitudinal seam when using straight assembling.

Special ROV- Underwater Tunnel Inspector (UNTI)

1. Introduction Remotely operated vchicles (ROV) are advanced technical underwater operating equip-ment. They are whidely used in underwater engineering, underwater rescue and sea oil activities.General ROVs can work in deep water. But the horizontal working distance is limited. Atmaximal working depth they can usually move around the mother ship inside a circle with a di-

富水环境下盾构隧道最小覆盖层厚度设计与计算方法综述

覆盖层厚度设计是建设水下盾构隧道的关键环节之一。覆盖层厚度过小,围岩在施工扰动下易发生失稳,引起塌方、突水等灾害;覆盖层厚度过大,则会对工程预算与工期提出更高的要求。通过文献调研,结合已有实际水下盾构隧道工程案例,对现有合理覆盖层厚度设计和计算方法进行研究与总结。得出:1)水下盾构隧道设计方法主要分为理论分析法和数值模拟法;2)根据隧道结构稳定分析侧重点不同,理论分析法可分为考虑抗浮稳定性设计方法和考虑掌子面稳定性设计方法;3)现阶段水下盾构隧道合理覆盖层厚度的设计方法多基于数值模拟和理论分析,对实际工程工况进行一定程度的简化,且未能全面考虑复杂建(构)筑物环境、施工工艺以及隧道自身结构特性的影响,覆盖层厚度的研究深度和设计方法的适用性仍需进一步提高;4)目前,富水环境下盾构隧道最小覆盖层厚度的研究内容已较为丰富,但与实际工程的结合较为困难。未来的研究应进一步考虑施工的经济性、施工流程、复杂环境条件、结构寿命及智慧建造平台等方面。

不同卸荷水平下饱和红砂岩三轴压缩破坏及能量演化特征

为保证水下红砂岩地层隧道的安全施工,避免开挖区突水、失稳等工程事故的发生。以赣州蓉江四路过江隧道工程为依托,对饱和状态下的泥质红砂围岩开展初始卸荷水平为60%、70%、80%和100%(无卸荷)的三轴压缩对比试验,分析不同初始卸荷水平下三轴压缩力学特性变化规律,并结合扫描电镜,对试验后岩样的宏细观破坏特征进行对比分析。基于能量耗散原理,对不同初始卸荷水平下饱和泥质红砂岩试样的能量关系进行拟合,揭示卸荷过程中的破坏特征与能量演化之间的规律。研究结果表明:无卸荷三轴压缩破坏时的峰值偏应力远高于初始卸荷水平为60%、70%、80%时的峰值偏应力,随着初始卸荷水平的提高,饱和泥质红砂岩的峰值偏应力在增加,偏应力增加值在减少,环向变形减小,卸荷所导致的岩样扩容时间会更短,岩样内部的裂隙及黏结颗粒碎屑和表面的破裂纹路增多并发生贯通,且受张拉破坏越明显。在卸荷条件下,三轴压缩达到屈服阶段后,岩样裂隙快速发展,弹性应变能增加缓慢,耗散能急剧增加,破坏阶段时,岩样内部存储的弹性应变能达到存储极限并瞬间释放,产生更多的裂隙。随着初始卸荷水平的提高,峰值偏应力对应的总应变能、弹性应变能及耗散能均呈现先减小后增大的趋势。研究结果可为红砂岩分布地区的水下隧道开挖及建设提供一定的理论参考。

南京定淮门长江隧道新增自动灭火系统设计探讨

南京定淮门长江隧道为国内已通车的最长水下双管双层盾构隧道,鉴于定淮门长江隧道内现状无自动灭火系统,从隧道运营安全及防灾救援的角度考虑,拟在隧道内增设自动灭火系统。通过对国内水下隧道自动灭火系统设计的研究现状进行分析后,对隧道新增泡沫/水喷雾系统设计的重难点进行了分析,详细介绍了其针对性的设计解决方案及系统中的重要设备设施,包括:隧道专用泡沫喷头的选型、隧道泡沫/水喷雾系统分区设计、新增消防泵房及消防水池选址、消防管道设置、水力计算、系统控制要求及运行控制系统的设计等,总结了设计中的创新点并进行了展望。

水下隧道大数据平台建设实践研究

针对当前水下隧道存在的信息化程度低、系统建设独立、数据分散不完善、决策不科学等问题,考虑引入隧道大数据平台,通过统一标准、顶层设计、整体规划,充分挖掘水下隧道数据价值。基于此,对水下隧道大数据平台的关键技术、平台功能设计进行分析,结合在铁四院水下隧道技术国家地方联合工程研究中心的实施使用,提出整体解决方案,以期为后续水下隧道大数据平台建设规划设计及落地实施提供参考。

河床冲刷对大断面水下隧道变形影响

河床冲刷是水下隧道长期运营中面临的一个新问题。受径流量变化、河床泥沙条件等因素影响,上覆河床冲刷会导致隧道埋深和荷载变化,使其产生不均匀变形,影响隧道安全。本研究围绕河床冲刷下大断面过江隧道的变形响应问题,采用离心试验研究多次冲刷后隧道变形发展进程,分析了内部衬砌增大结构刚度来抵抗冲刷卸载变形的机理;分析了不同冲刷深度下隧道变形增长的非线性行为,揭示了冲刷过程中淤泥质地层对隧道变形的不利影响;分析了河道冲刷引起的盾构管片衬砌环缝张开变形特征,明确了内部衬砌有利于避免管片衬砌环缝张开的不利影响。

黏土地层泥水劈裂伸展压力及路径试验研究

为解决水下盾构隧道修建过程中由于泥水支护压力过大导致的掌子面前方地层劈裂,以及劈裂发生后如何防止裂缝伸展至水底地表等难题,采用大型三轴劈裂试验平台进行泥水劈裂伸展试验,测得裂缝伸展过程中的泥水压力及裂缝伸展路径,并研究泥水黏度及应力状态对伸展压力及路径的影响。结果表明:1)泥水黏度较小时,裂缝伸展过程中劈裂压力基本不变;泥水黏度较大时,裂缝伸展过程中劈裂压力逐渐增大。2)启裂压力和伸展压力均随着泥水黏度的增大而逐渐增大,但增大速度逐渐减小;伸展压力随围压线性增大,但增大速率略小于启裂压力。3)通过对比不同工况下盲孔试样的裂缝倾角可知,裂缝倾角仅与轴压和围压的压差相关。4)实际施工中建议泥水黏度大于21 Pa·s。5)当隧道埋深变化较大时,应实时调整泥水压力。6)当初始劈裂发生后,泥水支护压力会骤降,此时不应过快地补充泥水压力,而应采取加快掘进速度的方法快速通过。

基于隧道实测试验的南京市机动车污染物排放特征研究

为深入研究水下特长公路隧道机动车尾气污染物的排放及分布特征,对南京应天大街长江隧道的交通特征、环境参数和污染物排放质量浓度进行实测研究。采用摄像采集法统计隧道交通特征,结果表明:车辆交通数据与环境数据均呈现明显的日周期变化规律,早高峰车流量显著大于晚高峰,车速与车流量呈负相关。夜间测试结果表明:1)隧道内部污染物质量浓度沿行车方向的变化趋势为先增后减,由于隧道呈现V形的地势特点,PM_(2.5)质量浓度峰值出现在V形底部;2)受到隧道出口风机开启的影响,CO质量浓度峰值出现位置较PM_(2.5)稍有滞后。昼间测试时风机关闭,污染物质量浓度峰值出现在隧道出口,早高峰期间隧道出口CO和PM_(2.5)的质量浓度峰值分别为31.0 mg/m^(3)和145μg/m^(3),分别为质量浓度限值的3.1倍和2倍。采用皮尔逊(Pearson)相关系数法对各相关参数进行相关性检验,CO质量浓度与汽油车数量呈强正相关,PM_(2.5)质量浓度与柴油车数量呈强正相关,2种污染物质量浓度均与风速呈强负相关。

水下盾构隧道管片拼装质量控制方法研究现状与展望

针对大型水下盾构隧道施工阶段可能存在的管片拼装质量问题,综述国内外相关水下盾构隧道管片拼装的重要研究,主要涵盖管片拼装质量控制指标、管片拼装对隧道衬砌力学性能的影响、管片拼装质量控制以及质量检测的应用等方面。针对管片拼装质量控制指标,探讨管片尺寸和几何要求、裂损性、水密性及防渗性能要求等关键内容。通过现场监测、相似模型试验与原型试验归纳管片拼装对水下盾构隧道衬砌力学性能的影响。在拼装质量控制方面,介绍管片拼装设备、盾构隧道管片传感监测系统、盾构姿态预测方法以及管片定位技术的发展和应用。同时,总结近期管片拼装缺陷检测方法的研究成果,包括三维激光扫描、图像三维重建以及计算机视觉等技术在管片衬砌裂缝及渗漏方面的应用。最后,讨论管片拼装的尚存问题以及研究趋势。目前存在的主要问题包括:1)缺乏有效的拼装质量实时监测与评估方法;2)对水下环境中管片拼装力学性能影响研究不足;3)自动化控制技术的成熟度不够;4)隧道缺陷检测精度及其风险评估方法仍需进一步优化。展望未来,将通过对管片拼装质量评估手段、自动化与智能化拼装技术以及高精度缺陷定量分析方法的不断创新和改进,实现对拼装质量的实时监测、数据分析和定量评估,从而提高管片拼装的效率、精度和安全性。

爆炸载荷下水下隧道的压力分布和动力响应

为了研究隧道结构在水中爆炸冲击下的荷载分布和动力响应,设计并制作了1/10缩尺隧道模型,进行了3次水下爆炸试验,对隧道模型的压力、冲量和位移进行了研究。研究结果表明:冲击波在浅水区会产生明显的水面截断效应,该效应会使近水面的冲量减小;自由场冲击波峰值压力的试验值与理论值吻合良好,误差在20%以内;圆形截面隧道迎爆面峰值压力为自由场峰值压力的1.626~1.716倍,顶面峰值压力为自由场峰值压力的54.3%~65.2%,背爆面峰值压力为自由场峰值压力的25.5%~31.3%;水中爆炸作用下的冲量时程曲线呈明显的阶梯状,每一次的气泡脉动都伴随着相应的冲量增加;水下爆炸会引起隧道结构产生振动,其振动过程可分为结构急速变形、结构大幅振动和结构颤振3个阶段,隧道结构的最大位移发生在结构大幅振动阶段。

考虑地层厚度空间变异性的水下隧道差异变形预测

为了解决地层空间变异性等不确定因素极大地增加了水下交通隧道的隧道全寿命安全性能预测难度的问题,依托南京市定淮门隧道实际工程,通过统计分析获得了敏感性地层厚度的空间变异性累积概率分布函数,并考虑不同水压耦合作用效应,揭示了南线和北线空间变异性地层中隧道的差异变形及内力变化规律。研究结论表明:管片拱顶竖向位移随着粉细砂地层厚度累积概率和隧道周围水压的增大而增大;随着上覆粉质黏土夹粉砂层厚度累积概率的增大,管片最大水平位移也越来越大。总体上土层厚度的空间变异性对隧道的位移、错缝量、内力均有很大影响,不同的空间变异性对隧道的安全性影响规律不同,应引起重视,设计时若采用传统方法无法预知其风险,设计带有一定隐患。

深中通道沉管隧道碎石整平精度控制技术研究

为了提高外海沉管隧道的基础处理精度与承载能力、减小沉管隧道的不均匀沉降,依托深中通道沉管隧道工程,介绍船架分离式整平船水下整平系统的组成、工作原理和适用条件,并分析影响整平精度的2个因素,即料斗口高程变化和料斗内碎石料高度控制;同时,结合ANSYS数值计算方法,分析水下大、小车轨道在自重情况下的变形,以及基架在不同工况组合下的变形,由此提出碎石整平系统精度控制技术,并采用接近式料位传感系统,实现料斗总成内碎石料位高度持续、实时监控和多点监测。该水下碎石整平系统精度控制技术在深中通道沉管隧道E32—E24管节碎石基础铺设中成功应用,其整平平均偏差为15.3 mm,可满足±40 mm的偏差设计要求,实现了设计要求的基础铺设精度控制目标。

数字化技术在海底隧道施工中的应用与研究

为促进海底隧道施工技术的发展并保障施工过程中的安全,研究利用对比分析法探讨了海底隧道施工中数字化技术与传统施工方法的异同处,研究主要围绕施工过程质量安全的远程管理,同时对平台采集到建设生产过程信息数据进行挖掘分析,并实施大数据管理,最终实现了对工程施工安全、质量可视化、量化指标的高效管理,为建设项目提供了过程管理、趋势预测、责任追溯,提高了工程管理智能化、信息化水平。

超高水压超大埋深组合工法水下隧道连接段泄水降压研究

为解决组合工法施工水下隧道连接段水压力过高引发的仰拱开裂、轨道隆起等结构病害问题,依托深江铁路珠江口隧道开展研究,考虑连接段设置体外泄水洞泄水降压,推导隧道的渗流量及衬砌外水压解析解,并通过退化检验和数值模拟进行验证,对参数的敏感性开展分析,以揭示体外泄水系统工作机制。结果表明:1)推导的公式计算检验效果良好;随着体外泄水洞半径的增大,隧道的渗流量和衬砌外水压力均减小,对泄水降压有一定作用。2)设置体外泄水洞后,注浆圈内的渗水可以直接排出,缩短了原本的渗流路径,降低了对注浆圈的要求,以达到安全经济的效果。

基于等效理论的水下双孔隧道渗流场半解析研究

为研究隧道设计参数对水下双孔隧道渗流场的影响,建立了水下双孔平行隧道渗流计算模型。运用Abaqus软件构建数值模型,以隧道埋深、双孔间距和支护结构参数为影响因素,分析各因素对解析解计算误差的影响以及支护结构外水压力的变化特征,并采用灰色关联理论研究各影响因素的敏感度。最后,基于数值计算结果对解析解进行修正,得到计算精度较高的半解析解。结果表明:二次衬砌结构参数对初期支护外水压力的折减幅度影响较大,埋深、间距和注浆圈参数对初期支护外水压力的折减幅度影响较小。支护结构渗透系数对拱顶处解析解计算误差影响较大,支护结构厚度对拱底处解析解计算误差影响较大。埋深与等效半径之比小于19时,解析解计算误差大致为12%。注浆圈渗透系数与二次衬砌渗透系数之比小于20时,拱顶处解析解计算误差超过10%。注浆圈渗透系数对拱顶处解析解计算误差影响较大,隧道埋深对拱底处解析解计算误差影响较大。

基于光纤光栅传感器的水下盾构隧道健康监测与安全评价

为保证水下盾构隧道在施工和运营过程中的结构安全性,依托江苏某过江隧道建设工程,选取最危险、薄弱的典型断面安装光纤光栅传感器,建立隧道结构健康监测系统,实时掌握水下盾构隧道受力变形规律,及时判断隧道结构健康状况。首先,该系统对采集的健康监测数据进行异常数据的识别、剔除和补全等预处理;然后,结合温度、土压力和渗压等外部因素对监测数据进行关联性分析,研究外部因素对隧道结构受力变形的影响规律;最后,以管片收敛变形和钢筋应力为评价指标,对隧道结构安全性进行评价,并通过计算结构安全系数验证结构安全性评价结果。研究结果表明:1)拉依达准则和箱形图法能够有效识别异常数据,且识别的异常数据基本能通过估计邻域法的检验;2)对土压力和渗压分别与钢筋应力进行灰色关联分析,发现钢筋应力受土压力影响较大,管片变形受渗压作用更明显;3)以管片收敛变形和钢筋应力为评价指标,对单环监测断面进行安全性能评价,确定结构安全等级为1级,结构完好。通过钢筋应力推算结构弯矩和轴力,计算最危险管片结构安全系数为4.20,满足规范要求,安全评价结果准确,结构性能安全。