一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构制造技术

一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构，属于土木工程领域。针对传统隧道结构和施工方法难以满足复杂地质条件下长距离水下隧道的施工建设要求、抗震性能差、易发生突水事故等问题，该复合型海底隧道结构包括一次盾构掌子面、围岩锚喷支护层、顶管固定弹性支座、半刚性顶管、抗震层、引水孔、中空注浆锚杆、钢缆和剪力键。与现有隧道结构及施工方法相比，解决了传统长距离海底隧道易透水、难施工、抗震能力差的问题。

A composite structure of subsea tunnel based on the characteristics of water pressure self bearing

The utility model relates to a composite subsea tunnel structure based on the self-supporting characteristics of water pressure, which belongs to the field of civil engineering. In view of the problems that the traditional tunnel structure and construction method can not meet the construction requirements of long-distance underwater tunnel under complex geological conditions, such as poor seismic performance, prone to water inrush accidents, etc., the composite subsea tunnel structure includes a shield tunnel face, surrounding rock bolting and shotcreting support layer, top pipe fixed elastic support, semi-rigid pipe jacking, seismic layer, diversion hole, hollow grouting bolt, steel cable, etc And shear keys. Compared with the existing tunnel structure and construction method, the traditional long-distance subsea tunnel is easy to be permeable, difficult to construct and has poor seismic resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构
本专利属于土木工程领域，涉及一种长距离复杂地质条件下海底隧道的施工结构，尤其涉及一种利用水压自平衡能力及柔性充填材料进行隧道支护、抗震及防水的组合式隧道结构及施工方法。
技术介绍
21世纪被称为“海洋的世纪”，在陆地交通高速发展的背景下，海洋交通运输领域将成为未来巨大的发展空间。水下隧道作为新兴的交通方式，横跨江海、沟通两岸，近年来在我国得到了广泛的应用。相较于传统的水上桥梁类工程，隧道结构抵抗风浪的能力强，对水上交通、航运的影响小，使得空间运输效率更加合理高效。但海底复杂的地质条件以及不稳定的海况条件给海底隧道尤其是长距离海底隧道的设计施工提出了巨大挑战，海域内分布的侵蚀陡坎、潮流沙脊、海底滑坡等不良地质条件等会进一步的增加海底隧道的设计施工难度。目前世界上最长的成功修建并运营的水下隧道为日本的青函海底铁路隧道，全长53.85公里。而我国目前处于规划设计中的烟大海底隧道施工里程预计可达123公里，横跨渤海海峡，海域海底地质条件复杂多变，部分地段淤泥沉积承载力差，超长的施工里程也使得施工技术难度加大，施工的安全性难以得到保证。传统的隧道施工方法对应不同的地质条件有不各自的优缺点，矿山法施工断面利用率高、施工手段灵活，但地质勘探的难度大，对复杂地层适应性较差；盾构法较多在软弱地层中挖掘隧道时使用，其优势在于在盾构机内进行开挖和衬砌，作业安全，操作机械化节省人力，但在软硬不均地层以及纵坡转换时掘进困难、管片抗浮与防水要求高，应对事故能力差、海底检修和盾构对接难度大。沉埋顶管法作业，构建大多在工厂中预制完成，安全性高整体防水性好，但对基础的稳定性要求高，且施工中下沉定位及水下连接的难度很大。在长距离海底隧道的施工过程中，海底地质条件复杂多变极易发生透水事故，传统的施工方法难以满足技术需要。本技术提供的一种连通式自平衡海底隧道结构及施工方法，利用水压自平衡特性减少水下隧道围岩受力，利用柔性充填材料进行隧道支护、抗震及防水，将传统施工方法进行创新组合，具有施工安全性高、可监测性强、适应复杂不良的海底地质条件等优点，对于解决长距离、复杂地质条件海底隧道的施工建设有重要的参考意义。
技术实现思路
本技术目的在于提供一种连通式自平衡海底隧道结构及施工方法，以实现复杂海底地质条件下长里程海底隧道的设计施工。该方法基于水压自平衡特性和组合施工理念，利用柔性充填材料进行隧道支护、抗震及防水，结合了盾构法和顶管法施工的优点，很好的避免了突水事故造成的损失，使在不良地质条件下的施工更加安全稳定。为实现上述目的，本技术采用的技术方案如下：一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构，该复合型海底隧道结构包括一次盾构掌子面1、围岩锚喷支护层2、顶管固定弹性支座3、半刚性顶管4、抗震层5、引水孔6、中空注浆锚杆7、钢缆8和剪力键9；所述的一次盾构掌子面1是由盾构机作用于注浆加固后的海底岩层形成的，其表面光滑、平整，具有防水能力；所述的围岩锚喷支护层2靠近一次盾构掌子面1，用于加固支撑隧道围岩；所述的顶管固定弹性支座3内连围岩锚喷支护层2，外连半刚性顶管4，用于固定半刚性顶管4；所述的抗震层5为柔性防水材料，用于填充围岩锚喷支护层2与半刚性顶管4之间的空隙；所述的引水孔6设置于围岩锚喷支护层2外围，且与围岩锚喷支护层2内侧相通，用于引水，在围岩锚喷支护层2与抗震层5之间形成水密承压层；所述的中空注浆锚杆7设置于围岩锚喷支护层2外围，用于锚固和支护围岩锚喷支护层2；所述的钢缆8，用于连接、加固半刚性顶管4；所述的剪力键设置于9半刚性顶管4上，用于提高半刚性顶管4的抗剪性能。所述一次盾构掌子面1应光滑、平整，具有一定的防水能力，在一次盾构掌子面1处进行超前探水预报工作，确认安全后进行下一步的盾构施工。所述围岩锚喷支护层2采用注浆锚杆、挂网喷射的形式，利用新奥法，加强围岩的承载能力。所述半刚性顶管4安装于顶管固定弹性支座3上，在半刚性顶管4与围岩锚喷支护层2间充填抗震层5。待上述施工结束后开凿引水孔6。一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构的施工方法，步骤如下：步骤一，探水、堵水、注浆加固。即在隧道开挖之前，在工作面四周钻孔，探明地下水以及石质情况，然后用注浆泵把不透水的水泥-水玻璃凝结物从钻孔中压入岩层裂隙，截断地下水流，固结破碎围岩。步骤二，采用大直径掘进机进行一次盾构，再利用中空注浆锚杆7进行围岩的锚固和支护，形成一次盾构掌子面1；盾构的过程中，需要探水注浆一段、盾构一段，段段稳步推进，且每一次盾构的长度应小于注浆加固的长度，留一段不盾构作为下一次探水注浆的止水岩盘，防止未注浆段地下水涌入作业面或下一次注浆时跑浆。步骤三，利用新奥法原理进行支护衬砌，即通过在一次盾构掌子面1上打入中空注浆锚杆7，依次注浆、挂网、喷射混凝土保护层，形成围岩锚喷支护层2。步骤四，在围岩锚喷支护层2内壁上安装顶管固定弹性支座3，并分段顶进半刚性顶管4，在半刚性顶管4之间设置剪力键4，剪力键4之间通过钢缆8连接。步骤五，在围岩锚喷支护层2内侧和半刚性顶管4外侧空隙处充填柔性防水材料，形成抗震层5，起到防水、抗震的作用。步骤六，在海面进行船上作业，在围岩锚喷支护层2的外层钻引水孔6，引水进入围岩锚喷支护层2内侧，形成水密承压层，既减少围岩所受外力，又压密柔性防水材料。所述步骤四中，顶管固定弹性支座3每隔20m布置一组。本技术方法的原理：本技术中涉及的“水压自平衡”方法将水引进围岩锚喷支护层与半刚性顶管之间的空隙，提高了围岩的承载能力，压密了柔性防水抗震材料。同时本技术采取的符合施工方法突出了盾构施工及顶管施工的优点，且互相克服了之间的不足。1、水压自平衡对围岩内外受力分析见图2：隧道应力计算建立在以下三个假设：(1)在不计天然应力场沿隧道截面高度方向的变化。(2)洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑。(3)围岩视为各向同性、连续、均质的线弹性体。基于以上假设，可将本问题看作两个柯西课题的叠加，如图1所示模型：式中：σθ为θ方向的正应力，σr为r方向的正应力，τ为所受的切应力，σy为竖直方向应力大小，K0为静止侧压力系数，R0为洞室半径，r为所求处到洞室中心的距离，θ为所求处与x轴夹角。(1)当隧道未引入水时，对隧道的内壁围岩进行受力分析，即r＝R0,σy＝(γwh1+γh2),代入上式可得围岩应力分布。式中：σ′θ为未引水时围岩某点θ方向的正应力，σ′r为未引水时围岩某点r方向的正应力，τ′为未引水时围岩某点切应力大小，γw为海水的重度，h1为海水深度，γ为海底岩土层的重度(γ>γw)，h2为海底岩土层顶部到隧道围岩的高度。(2)引水后，隧道内侧受力简化为静水压力状态应力场，则侧向压力系数为K0＝1，进行受力分析可得：式中：σθ水为静水作用下θ方向的应力，σr水为静水作用下r方向的应力，τ水为静水作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构，其特征在于，该复合型海底隧道结构包括一次盾构掌子面(1)、围岩锚喷支护层(2)、顶管固定弹性支座(3)、半刚性顶管(4)、抗震层(5)、引水孔(6)、中空注浆锚杆(7)、钢缆(8)和剪力键(9)；/n所述的一次盾构掌子面(1)是由盾构机作用于注浆加固后的海底岩层形成的，其表面光滑、平整，具有防水能力；所述的围岩锚喷支护层(2)靠近一次盾构掌子面(1)，用于加固支撑隧道围岩；所述的顶管固定弹性支座(3)内连围岩锚喷支护层(2)，外连半刚性顶管(4)，用于固定半刚性顶管(4)；所述的抗震层(5)为柔性防水材料，用于填充围岩锚喷支护层(2)与半刚性顶管(4)之间的空隙；所述的引水孔(6)设置于围岩锚喷支护层(2)外围，且与围岩锚喷支护层(2)内侧相通，用于引水，在围岩锚喷支护层(2)与抗震层(5)之间形成水密承压层；所述的中空注浆锚杆(7)设置于围岩锚喷支护层(2)外围，用于锚固和支护围岩锚喷支护层(2)；所述的钢缆(8)，用于连接、加固半刚性顶管(4)；所述的剪力键(9)设置于半刚性顶管(4)上，用于提高半刚性顶管(4)的抗剪性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于水压自承特性的复合型海底隧道结构，其特征在于，该复合型海底隧道结构包括一次盾构掌子面(1)、围岩锚喷支护层(2)、顶管固定弹性支座(3)、半刚性顶管(4)、抗震层(5)、引水孔(6)、中空注浆锚杆(7)、钢缆(8)和剪力键(9)；
所述的一次盾构掌子面(1)是由盾构机作用于注浆加固后的海底岩层形成的，其表面光滑、平整，具有防水能力；所述的围岩锚喷支护层(2)靠近一次盾构掌子面(1)，用于加固支撑隧道围岩；所述的顶管固定弹性支座(3)内连围岩锚喷支护层(2)，外连半刚性顶管(4)，用于固定半刚性顶管(4)；所述的抗震层(5)为柔性防水材料，用于填充...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴华富，孙安元，杨庆，杨钢，石杰洋，羊玓雯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：新型
国别省市：辽宁;21