海底盾構(gòu)隧道巖土工程設(shè)計理論與對策

盾構(gòu)法是土質(zhì)或軟巖地基中海底隧道建設(shè)的主要工程方法。海底盾構(gòu)隧道在高水頭和長期波浪、交通荷載及地震荷載等復(fù)雜動荷載作用下的隧道受力變形、沉降特性、防水機理和抗震性能尚不清楚，其建設(shè)和長期運營急需相關(guān)巖土工程設(shè)計理論支撐。 本項目針對海底盾構(gòu)隧道設(shè)計中關(guān)鍵科學(xué)問題開展基礎(chǔ)性研究。從研究潮波作用下海底盾構(gòu)隧道周圍與開挖面前方的孔壓響應(yīng)規(guī)律出發(fā)，分析了隧道滲透性對隧道周圍海床內(nèi)滲流場的影響，分析了不同潮波要素（波高、潮差、周期、水深）與土層參數(shù)對海底盾構(gòu)隧道附近孔壓響應(yīng)、隧道涌水量、隧道掘進面極限支護壓力的影響。通過將潮波循環(huán)作用抽象成理論模型中的力學(xué)要素，為海底盾構(gòu)隧道掘進面的支護壓力和襯砌外水土壓力計算提供了思路。 基于海底隧道周圍土體在復(fù)雜荷載下的弱化特性和滲透性變化，研究了海底高水頭和海水環(huán)境對土體力學(xué)特性和滲透特性的影響，提出了交通荷載下考慮土體各向異性及非共軸特性的海底隧道沉降計算理論；研究了長期不均勻沉降作用下水下盾構(gòu)隧道管片接縫的受力和變形機制，揭示了隧道接縫處彈性密封墊的防水失效機制，提出了盾構(gòu)隧道長期運營中彈性密封墊的防水性能的評價體系，并提出工程對策。構(gòu)建了非局部-Biot理論模型，得到地震波作用下海底深埋圓形隧道和淺埋圓形隧道的解析解?；诨旌衔锢碚?，建立了準飽和土中的動力波動方程，導(dǎo)出了四種地震體波的波速及衰減的解析表達式。考慮到實際海床表面的不規(guī)則性，通過波函數(shù)展開法，求解了不規(guī)則海床表面的地震響應(yīng)問題，獲得了解析解。建立了P 波、S 波耦合作用下隧道地震響應(yīng)模型，獲得了隨帶襯砌和周邊土體的應(yīng)力和位移場的解析表達式。 本項目研究為海底盾構(gòu)隧道研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，為保障國家相關(guān)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全提供科學(xué)化和前瞻性的理論基礎(chǔ)。 2100433B

盾構(gòu)法是土質(zhì)或軟巖地基中海底隧道建設(shè)的主要工程方法。海底盾構(gòu)隧道在高水頭和長期波浪、交通荷載及地震荷載等復(fù)雜動荷載作用下的隧道受力變形、沉降特性、防水機理和抗震性能尚不清楚，其建設(shè)和長期運營急需相關(guān)巖土工程設(shè)計理論支撐。. 本項目擬針對海底盾構(gòu)隧道設(shè)計中關(guān)鍵科學(xué)問題開展基礎(chǔ)性研究，提出波浪、強風(fēng)暴潮循環(huán)作用下海底盾構(gòu)隧道掘進面的支護壓力和襯砌外水土壓力計算方法；基于海底隧道周圍土體在復(fù)雜荷載下的弱化特性和滲透性變化，建立隧道基礎(chǔ)縱向沉降計算理論；揭示縱向不均勻沉降作用下水下盾構(gòu)隧道管片接縫的受力變形機制、防水失效機理和水土流失機制；考慮長線隧道結(jié)構(gòu)抗震多點不同輸入的特點，研制多相多場耦合和水-土-隧道結(jié)構(gòu)相互作用的抗震分析軟件。本項目研究旨在建立海底盾構(gòu)隧道巖土工程設(shè)計理論，為海底盾構(gòu)隧道研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，為保障國家相關(guān)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全提供科學(xué)化和前瞻性的理論基礎(chǔ)。

本項目基于海底盾構(gòu)隧道特點，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗以及振動臺模型試驗等手段，開展海底盾構(gòu)隧道全壽命抗震性能研究。通過反應(yīng)位移法建立海底盾構(gòu)隧道單/雙層襯砌橫向分析模型，對比分析單、雙層襯砌在不同水平地震作用下隧道內(nèi)力的分布情況和變形規(guī)律,計算表明管片變形、彎矩、軸力呈反對稱分布在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，相同地震動水平時雙層襯砌地震附加總內(nèi)力值高于單層襯砌；建立復(fù)合式/疊合式雙層襯砌三維實體數(shù)值模型，開展地震作用下管片結(jié)構(gòu)與二次襯砌內(nèi)力及位移的分布特征分析，相同工況下，復(fù)合式襯砌管片的軸力、彎矩和二襯的彎矩均大于疊合式襯砌，復(fù)合式二襯的軸力小于疊合式二襯軸力；根據(jù)相似理論開展單、雙層襯砌模型地震響應(yīng)振動臺試驗，研究地震作用下單、雙層襯砌盾構(gòu)隧道跨越軟硬突變地層的縱向動力響應(yīng)特征，結(jié)果顯示：軟硬突變地層加速度響應(yīng)頻譜表現(xiàn)出與均勻地層顯著不同的“雙峰值”現(xiàn)象，管片縱向應(yīng)變峰值包絡(luò)線出現(xiàn)明顯的“三峰值”，結(jié)構(gòu)應(yīng)變受地層影響的區(qū)域分布于地層交界面兩側(cè)2.5-3.5倍隧道直徑范圍；建立海底盾構(gòu)隧道不同服役齡期地震響應(yīng)分析模型，導(dǎo)入不同荷載水平下，隨著氯離子侵蝕時間增長隧道結(jié)構(gòu)劣化的本構(gòu)模型，采用動力時程法分析隧道結(jié)構(gòu)劣化抗震性能，以隧道直徑變形率作為圓形盾構(gòu)隧道的性能量化指標(biāo)，提出了適用于圓形盾構(gòu)隧道各性能水平的量化指標(biāo)；開展隔震材料室內(nèi)試驗，瀝青系隔震層能夠有效降低襯砌拉、壓應(yīng)力及變形量，隔震層厚度分別為5cm、15cm及30cm時，對應(yīng)減震率為46.3%、50.4%和58.2%；采用數(shù)值模擬及振動臺試驗，對海底盾構(gòu)隧道交叉結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)特性進行研究，采用剛性連接時，主隧道縱向受影響范圍約為3倍橫通道寬度，柔性連接可降低結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)變和內(nèi)力，降低影響范圍至1.5-2倍。研究成果可為海底盾構(gòu)隧道的設(shè)計和施工提供重要參考，為今后大量海底盾構(gòu)隧道全壽命周期的健康服役提供理論和技術(shù)支撐。 2100433B

我國連接各大沿海經(jīng)濟區(qū)海底隧道工程的規(guī)劃、建設(shè)正漸入高潮，瓊州海峽通道、渤海海峽通道等世界級海底隧道的建設(shè)已然臨近，而我國沿海正處于世界上兩大地震帶之一的環(huán)太平洋地震帶上，特別是渤海海峽、臺灣海峽、瓊州海峽均處于強震活躍區(qū)，且近期地震活動頻繁，這促使我們更加關(guān)注我國海底隧道工程的地震安全性。本項研究結(jié)合近海工程場地的地震動特征、海洋地質(zhì)體、海蝕和盾構(gòu)隧道的特點，針對海底盾構(gòu)隧道全壽命抗震性能，研究地震與海蝕耦合作用下，隧道主體與交叉結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征、盾構(gòu)隧道雙層襯砌相互作用力學(xué)機制、盾構(gòu)隧道地震損傷機理及隧道抗震性能隨服役齡期的變化規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問題，以期建立海底盾構(gòu)隧道不同服役齡期地震響應(yīng)分析模型，探明二次襯砌對隧道抗震性能的影響，構(gòu)建海底盾構(gòu)隧道全壽命抗震性能評價方法，提出盾構(gòu)隧道與交叉結(jié)構(gòu)的抗減震措施及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，為今后大量海底盾構(gòu)隧道全壽命周期的健康服役提供理論和技術(shù)支撐。

海底勘探是指為探明資源的種類、儲量和分布對海底資源，尤其是海底礦產(chǎn)資源，進行的取樣、觀察和調(diào)查的過程。海底礦產(chǎn)資源豐富，從海岸到大洋均有分布，如全球海底石油儲藏量約為世界已探明石油儲量的兩倍，深海錳結(jié)核和海底熱液礦床等儲量也很巨大，都有待于勘探和開發(fā)利用。