第
36
卷第
3
期
2010
年
3
月
北京工业大学学报
JOURNAL
OF
BEIJING UNIVERSITY
OF
TECHNOLOGY
Vo
l. 36 No.3
Mar.
2010
基于施工安全性的海底隧道断面优化研究
房倩,张顶立,李鹏飞,刘艳
(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京
100044 )
摘
要:为了控制地层裂缝的产生和贯穿从而防止突涌水事故的发生,把拱顶沉降作为优化设计中的控制指
标,通过控制拱顶沉降来达到控制拱顶地层裂缝产生和贯穿的目的.针对全封堵的防排水形式和有限元软件特
点提出了通过等效泊松比的方法来施加围岩荷载和水荷载的思路;提出了包括最优化参数获取,设计变量敏感
性分析和优化设计效果评价在内的完整的优化设计分析过程;针对青岛胶州湾海底隧道的具体断面形式进行优
化分析:优化后拱顶沉降值减小为原设计的
44<)
毛;以获得的最优设计为参考点,分析了设计变量的改变对拱顶
沉降的影响,分析得出的规律性认识可以更好地指导设计;通过比较优化前后衬砌结构受力,可知优化后的衬砌
结构在受力方面也得到了改善.
关键词:海底隧道;优化设计;拱顶沉降;一阶优化;施工安全
中图分类号:
U 45
文献标志码
:A
文章编号:
0254
-0037(2010)03
-0321
-07
对洞室形状的优化设计是根据已知的约束条件通过既定的优化准则来推导出最优形状
[1
J
Bjorkman
等[叫,
Richards
等
[45]
,
DhirM]
,孙焕纯等
[7J
吕爱钟[
8J
采用复变函数的方法,基于不同的洞(孔)形最优准
则,提出了一系列最优化(洞)孔形;于学苗等
[9J
在"轴变论"的基础上论述了围岩的稳定与洞室形状之间
的关系;刘小兵川
OJ
采用荷载结构模型,在受力和限界满足的条件下,通过计算分析确定面积最小的断面形
状和最优化衬砌厚度;冯紫良
[IJ
采用地层结构模型,以隧道毛洞洞周控制点的位移为判断依据确定最优
化断面形状;李术才等
[11
J
针对海底隧道的地质特点采用荷载结构模型对几种不同的洞室形状进行了比较
分析.
与山岭隧道相比,海底隧道衬砌结构除了承受围岩荷载外还要承受持续稳定的高水压,国内海底隧道
覆盖层厚度相对较薄,在穿越不良地质体(风化槽、风化囊、张裂性断层等)时,如不采取措施,很容易造成
突涌水等事故.本文从优化隧道洞形出发,从控制地层变形来降低海底隧道穿越不良地质段的风险,并针
对青岛胶州湾海底隧道海域町、
V
级等富水围岩地段来研究海底隧道洞室的最优化形状.
1
海底隧道断面优化原则
隧道开挖后引起围岩应力的变化,在应力重新调整过程中引起隧道周围土体的变形和破坏,对隧道上
覆地层而言,随着隧道开挖的影响范围不断扩大,变形最终通过地层土体传递到地表;应力的传递自上而
下,如图
1
所示,由此造成开挖体周围及前方土体中的应力集中,当应力集中发展到一定程度时将会造成
地层开裂[
12J
厦门翔安海底隧道陆域段地表开裂过程如图
2
所示[
13J
隧道开挖后,拱顶塑性变形(或拥塌破坏变
形)
,逐渐向上扩展到地表;当地表变形到一定程度的时候
f
地表开始起裂;地表开裂向下扩展加深,拱顶
松抱扰动向上,逐渐扩大,两者在地中某一点汇合、贯通,形成贯穿性裂缝,造成海底隧道突涌水,对海底隧
道施工造成极大的风险.
厦门翔安海底隧道现场实测表明,地表裂缝的宽度和深度与地层沉降相对应[口而隧道上覆地层的
沉降是由于拱顶沉降向上传递造成的,隧道拱顶沉降的大小反映了隧道施工的安全性,可以针对具体地质
收稿日期:
2008
-0
6-02.
基金项目:国家"八六三"计划资助项目
(2006AAllZ
1l
9)
;北京交通大学优秀博士生科技创新基金
(48037)
.
作者简介:房
倩
(1983
一)
,男,山东淄博人,博士生