海底隧道涌水量预测及注浆防水研究

摘要

高水头压力和水源无限量供给是海底隧道的显著特点，特别是隧道穿越断层及软弱地层等不良地质段时，在地下水作用下常会引起围岩失稳，进而出现突水、涌泥等工程地质灾害，从而造成隧道结构破坏，威胁施工人员安全，因此，准确地进行隧道涌水量预测及采取超前预注浆措施是控制洞室围岩稳定性的关键，也是隧道防排水设计施工中亟待解决的问题。因此，本文对海底隧道建设中的涌水量预测、洞室围岩稳定性和超前全断面预注浆等问题进行探讨，主要研究内容如下：
　　 (1)基于无限含水层中竖井理论进行海底隧道圆形洞室稳定渗流场的理论推导，得出不考虑注浆圈及考虑注浆圈两种情况下稳定渗流场的分布，给出衬砌背后水压力、隧道涌水量的解析表达式。分析衬砌背后水压力与隧道控制排水量、注浆圈参数的关系，并阐述“堵水限排”隧道防排水原则的理论基础。
　　 (2)介绍隧道涌水量预测常用的方法及适用工况，在本文得出隧道涌水量计算公式的基础上分析涌水量与注浆圈及各参数的关系，给出隧道涌水量与注浆圈厚度、注浆圈渗透系数的关系曲线；所得结论可以指导注浆圈参数值的合理选取。
　　 (3)结合胶州湾海底隧道的水文地质状况，采用经验公式、数值模拟和理论解析的方法进行隧道可能最大涌水量预测，并对比评价各种方法所得的预测结果，进而判断隧道施工时可能出现较大涌、突水风险的地段。
　　 (4)在考虑海水渗流的基础上，基于Drucker-Prager岩石屈服准则推导出圆形洞室围岩塑性区半径和弹、塑性区内的应力、位移的解析解，绘制在考虑渗流的情况下和基于基于Drucker-Prager屈服准则的不同围岩条件下，圆形洞室内外水头差与塑性区半径的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线。
　　 (5)根据胶州湾海底隧道前期勘察资料进行地质风险分析，根据地质风险分析结果，采取了针对性的综合超前地质预报技术，保证了探测方法的合理性和结果的可靠性；根据超前探测结果结合水量和水压的大小，制定注浆堵水方案和效果评价方法，保证安全经济地处理不良地质体。
　　 (6)采用FLAC3D有限差分软件开展胶州湾海底隧道F4-4断层破碎带的数值模拟，考虑流固耦合效应，论证分析衬砌结构、注浆圈及隧道防排水方式对隧道渗流场、应力场、位移场和塑性破坏区的影响，并进行对比分析数值结果与理论解析结果。