一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法

摘要

本发明公开了一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，首先，盾构管片拼装后，于管片环外周围一定范围内的土体进行注浆加固，减少提高砂土层的强度和降低其渗透性；其次，在隧道纵向上，每隔若干距离在管片环上安装若干限压排水阀；最后，加强监控，确保管片环外周水压力不超过设计值。本发明有利于降低作用在管片上的水压力，也就降低了管片环的厚度，增大了隧道断面有效利用率，大大节省了隧道的造价。

权利要求

1.一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）根据隧道埋深和海平面高程确定作用在管片上最大水压力和土压力，采用解析解或者数值计算方法，初步估算管片的厚度；

（2）当管片厚度过大，重新采用考虑渗流影响的数值分析模型，对管片土压力和水压力进行计算；

（3）在新的土压力和水压力作用下，采用步骤（1）的解析解或者数值计算方法重新进行管片环的设计，确定新的管片厚度；

（4）重复以上步骤（2）和步骤（3）的计算，确保管片厚度达到各方都能接受管片厚度；

（5）盾构掘进施工过程中，对于脱出盾尾的管片环周边一定范围的地层进行注浆；

（6）在管片上预留的排水通道上，安装限压排水阀，调整到限定的排水压力；

（7）通过管片上的限压排水阀管路上的孔隙水压力计监测管片外侧的水压力，确保限压排水系统正常，设定超过设定值的20%时自动报警。

2.根据权利要求1所述的一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其特征是所述步骤（1）中，解析解或者数值计算方法为修正惯用法或者梁-弹簧模型法。

3.根据权利要求1所述的一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其特征是所述步骤（2）中，考虑渗流影响的数值分析模型为考虑流固耦合的有限元数值分析模型，该模型隧道周边的边界条件为固定位某一水压力下的可透水边界。

4.根据权利要求1所述的一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其特征是所述步骤（5）中，考虑管片环周围区域注浆液对地层加固的长期有效性，采用与地层孔隙特征相适应的水泥浆。

5.根据权利要求4所述的一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其特征是所述水泥浆为掺有黏粒颗粒的水泥混合浆。

6.根据权利要求1所述的一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其特征是所述步骤（5）中，管片环周围区域注浆范围根据隧道内排水能力和设定的作用在管片上水压力确定。

说明书

一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法

技术领域

[0001] 本发明是一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，属于地下工程施工技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国基建技术强大和快速发展，将来有可能修建更多的隧道打通渤海湾海峡、台湾海峡和琼州海峡。将来通过高铁打通洲际之间联系，需要修建更多的更深的跨海隧
道，比如亚洲与北美洲的白令海峡海底隧道。考虑海水深度和隧道的稳定性等因素，这些隧
道可能承受高达2000-3000kPa的水压力。据目前的管片设计方法，这些隧道管片的厚度需
要达到2m以上，将大幅度占用隧道净空，为了达到使用的要求需要扩大隧道开挖直径，大幅
度增加隧道的建设成本。

[0003] 针对海底隧道设计问题，发达国家同样缺乏相关经验。2012年2月7日，日本冈山县海底隧道塌方进水事故隧道及盾构机被海水淹没，5人死亡，事故处理专家组初步认定：管
片设计过薄和开挖面稳定控制不当造成的。

发明内容

[0004] 本发明提出的是一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，其目的在于解决将来大量深埋跨海隧道建设中由于高水压力带来超厚管片设计的问题，降低隧道的
建设成本。针对管片主要承受的超高水压力的特点，考虑地下水渗流时将水压力传递到土
颗粒上特性，且土体的渗流系数越低，地下水压力沿着渗透路径的损失越大，最终作用于管
片上的水压力越小，提出了新的方法以减少作用在管片上的水压力，土压力可以通过土拱
效应传传递到周围土体中，最终使得作用在管片上水压力都大幅度减少，土压力增加不大
的目标，减少了管片的厚度，节约了投资。

[0005] 本发明的技术解决方案：一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，包括如下步骤：

[0006] 步骤一、根据隧道埋深和海平面高程确定作用在管片上最大水压力和土压力，采用解析解或者数值计算方法，初步估算管片的厚度；

[0007] 步骤二、如果管片厚度过大，则重新采用考虑渗流影响的数值分析模型，对管片土压力和水压力进行计算；

[0008] 步骤三、在新的土压力和水压力作用下，采用步骤一的方法重新进行管片环的设计，确定新的管片厚度；

[0009] 步骤四、重复以上步骤二和步骤三的计算，直到达到各方都能接受管片厚度；

[0010] 步骤五、盾构掘进施工过程中，对于脱出盾尾的管片环周边一定范围的地层进行注浆；

[0011] 步骤六、在管片上预留的排水通道上，安装限压排水阀，调整到限定的排水压力；

[0012] 步骤七、通过管片上的限压排水阀管路上的孔隙水压力计监测管片外侧的水压力，确保限压排水系统正常，当超过该设定值的20%以上时将自动报警。

[0013] 所述步骤一中，解析解或者数值计算方法为修正惯用法或者梁-弹簧模型法。

[0014] 所述步骤二中，考虑渗流影响的数值分析模型为考虑流固耦合的有限元数值分析模型，该模型隧道周边的边界条件为固定位某一水压力下的可透水边界。

[0015] 所述步骤五中，应考虑管片环周围区域注浆液对地层加固的长期有效性，可采用与地层孔隙特征相适应的水泥浆或者掺有黏粒颗粒的水泥混合浆。

[0016] 所述步骤五中，管片环周围区域注浆范围应根据考虑隧道内排水能力和设定的作用在管片上水压力来确定。

[0017] 本发明的有益效果：

[0018] 本发明所提出的一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，采用了通过在隧道外周一定的范围进行注浆降低地层的渗透性和提高地层的强度，既能大幅度降低
作用在管片上的水压力，也能通过加固提高了周围土体的强度，增强了土体拱效应，将水压
力转换到土颗粒上土压力传递到周围地层中，作用在管片上的土压增加不大或者基本不增
加。因此，可以大幅度降低管片的厚度，增加了隧道净空，节省了投资，为深埋跨海隧道建设
提供了重要理论参考。

附图说明

[0019] 附图1是水位对盾构管片轴力的影响。

[0020] 附图2是隧道限压排水条件下的渗流计算网格。

[0021] 附图3是隧道周边加固区域孔隙压力水头变化。

具体实施方式

[0022] 一种减少砂土地层深埋跨海盾构管片外水压力的方法，包括如下步骤：

[0023] 步骤一、根据隧道埋深和海平面高程确定作用在管片上最大水压力和土压力，采用解析解或者数值计算方法，初步估算管片的厚度；

[0024] 步骤二、如果管片厚度过大，则重新采用考虑渗流影响的数值分析模型，对管片土压力和水压力进行计算；

[0025] 步骤三、在新的土压力和水压力作用下，采用步骤一的方法重新进行管片环的设计，确定新的管片厚度；

[0026] 步骤四、重复以上步骤二和步骤三的计算，直到达到各方都能接受管片厚度；

[0027] 步骤五、盾构掘进施工过程中，对于脱出盾尾的管片环周边一定范围的地层进行注浆；

[0028] 步骤六、在管片上预留的排水通道上，安装限压排水阀，调整到限定的排水压力；

[0029] 步骤七、通过管片上的限压排水阀管路上的孔隙水压力计监测管片外侧的水压力，确保限压排水系统正常，当超过该设定值的20%以上时将自动报警。

[0030] 所述步骤一中，解析解或者数值计算方法为修正惯用法或者梁-弹簧模型法。

[0031] 所述步骤二中，考虑渗流影响的数值分析模型为考虑流固耦合的有限元数值分析模型，该模型隧道周边的边界条件为固定位某一水压力下的可透水边界。

[0032] 所述步骤五中，应考虑管片环周围区域注浆液对地层加固的长期有效性，可采用与地层孔隙特征相适应的水泥浆或者掺有黏粒颗粒的水泥混合浆。

[0033] 所述步骤五中，管片环周围区域注浆范围应根据考虑隧道内排水能力和设定的作用在管片上水压力来确定。

[0034] 实施例1

[0035] 下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

[0036] 琼州海峡隧道建设面临诸多世界级的难题和挑战：1）水压2000kPa以上；2）盾构直径达17m以上，国际上尚无先例；3）300米巨厚砂层，含卵砾石；4）隧道长达27.6公里。

[0037] 由于目前隧道建设方案还未确定，根据相关资料管片环外径16.7m，海底地层主要以粉细砂、粉质粘土和粘土为主。

[0038] 根据修正惯用法求得隧道管片环承受环向轴力如图1所示。根据设计院的估算，200m高水头压力作用下管片环最大环向轴力达到16500kN，管片环的厚度要达到2.0m。对于
琼州海峡海底隧道建设来说不可承受之重。

[0039] 如附图2、3所示，根据目前的长江上隧道埋深大约在50-60m水头压力，在隧道外周进行扩大8m的地基范围进行注浆，注浆后加固层渗透系数降低到10-8cm/s，加固土体的无侧
限抗压强度可以达到1MPa以上，其强度参数指标粘聚力为200kPa，内摩擦角为28°。在隧道
边界设定可排水边界，水头压力为600kPa，超过600kPa时排水。通过渗流计算，每米延长的
隧道每日需要排放的水量为0.0113m3，按2km长的隧道需要排水量则每日需要排放的水量
为22.6m3，只需要建立一个小型泵站就可以满足要求，而隧道设计中本来就需要隧道排水
泵站。