专利名称：一种基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法
技术领域：
本发明涉及一种水下隧道最小埋深的确定方法，具体涉及一种暗挖矿山法施工的水下隧道最小埋深的方法。
背景技术：
水下隧道的埋深对工程的施工及运营影响极大，是影响隧道造价和安全的最重要的设计参数之一。隧道埋深越大，隧道两岸所需的接线就越长，工程造价急剧增加，且不利于隧道和两岸既有线路的衔接；隧道埋深越浅，隧道施工产生塌方突水的风险就越高。目前国内外对水下隧道暗挖施工最小埋深的确定方法主要有以下几种。(I)日本经验法。日本最小涌水量法是被广泛采用的确定水下隧道最小覆岩厚度方法之一。对于特定的地质条件和确定的隧道开挖断面形状，该法是在给定深度的海水下，隧道涌水量最小时所对应的覆岩厚度即为经济安全的最小覆岩厚度。(2)挪威经验法。挪威根据已建的海底隧道经验，统计得出水下隧道最小埋深的经验曲线，并通过分别对比较好的围岩和较差的围岩，确定了水下隧道最小岩石覆盖层厚度与海水深度的关系。(3)顶水采煤法。借鉴国内水下采煤安全防水岩柱高度的确定方法。安全防水岩柱的最小高度应该大于导水裂隙带(隧道围岩破裂带)高度和保护层厚度之和，安全防水岩柱高度的确定采用经验公式确定。(4)最小位移法。该方法认为拱顶下沉量最能反映隧道开挖造成的围岩变形与稳定性情况，对于水下隧道某剖面，随着覆盖层厚度的增加，拱顶位移是先减小，后增加，存在最小值，因此，将拱顶位移最小时所对应的覆盖厚度就是合理的最小覆盖层厚度。(5)层次分析决策法。该方法是请一组专家对影响水下隧道最小埋深的因素进行评价，根据专家的判断能力，给出判断力权值，得到最小埋深的重要性因子，给出不同方法的权值，经加权分析后最终确定水下隧道最小埋深。(6)权函数法。该方法首先根据既有不同水下隧道最小埋深的确定方法确定出不同方法各自的埋深，而后考虑不同方法的不同权重，最后确定最终的隧道最小埋深，其给出数值计算值0. 5权重、顶水采煤值0. 3权重和最小涌水量值0. 2权重，综合加权确定最小埋深。总体来说，目前国内外水下隧道最小埋深的确定方法主要以工程经验法为主，并辅以适当的数值计算，埋深的确定过程中完全没有考虑水下隧道施工过程中工程控制措施对施工安全的影响，造成确定的水下隧道埋深偏大，无法满足我国水下隧道建设快速发展的需要。因此，研制一种新型的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法已为急需
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有水下隧道最小埋深(覆盖层厚度)的确定完全只考虑隧道围岩本身的强度，不考虑工程措施对隧道施工安全和埋深确定影响的现状，提供一种使得确定的隧道最小埋深既能保证水下隧道的施工安全，又能降低工程造价，且便于隧道两端接线的操作性强的、考虑工程控制措施的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法。为了解决上述技术问题，本发明提供的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，首先根据水下隧道工程两岸的接线条件以及线路的坡度初步确定隧道的最小埋深，而后分析该埋深条件下采用常规支护参数和施工参数时隧道施工过程中的安全性以及隧道的渗水量是否满足排水设计要求，当常规支护参数不满足施工安全或渗水量要求时，采用数值计算方法分析不同工程控制措施条件下隧道的施工风险，并采用理论计算方法分析不同工程控制措施条件下隧道的渗水量，减少水下隧道渗水量的工程控制措施主要是进行超前周边预注浆，进一步通过计算分析不同工程控制措施条件下水下隧道保证施工安全及渗水量要求的最小埋深。 在以上分析的基础上，计算隧道埋深减小时为保证施工安全及减少渗水量所增加的工程控制措施的费用，隧道埋深增加造成的隧道长度加长所增加的建造费用，隧道埋深改变引起的隧道两端接线位置的变化所造成的环境影响，在综合比较的基础上，确定水下隧道的最小埋深。该方法考虑水下隧道施工过程中工程控制措施对隧道埋深的影响，首先根据水下隧道工程两端的接线条件初步确定隧道的最小埋深，而后分析该埋深条件下采用常规支护参数和施工参数时隧道施工过程中的安全性，当常规支护参数不满足施工安全的前提下，进一步分析不同加固措施和加固参数条件下隧道的施工风险，确定不同工程控制措施条件下保证隧道施工安全的最小埋深，最后在对不同工程控制措施条件下的加固费用和隧道埋深减小导致隧道长度缩短所减少的费用进行综合比较的基础上，确定隧道的最合理埋深。本发明还在于所述的工程控制措施包括超前注浆预加固措施、超前管棚或超前小导管预支护措施和提高初期支护钢支撑的强度和刚度等加强初支措施和分部开挖严格控制开挖步长施工控制措施。本发明还在于在水下隧道埋深确定时考虑工程控制措施对隧道施工安全性的影响，采用超前大管棚或超前小导管进行预支护，增强初期支护强度和刚度，分部开挖，严格控制开挖步长等工程控制措施，降低水下隧道的施工风险。本发明还在于在水下隧道埋深确定时考虑工程控制措施对隧道渗水量的影响，采用全断面帷幕注浆进行堵水预加固处理，在隧道周边形成注浆堵水圈，以减小隧道施工及运营阶段的渗水量。本发明还在于采用数值计算等方法分析不同工程措施条件下水下隧道施工的安全性，确定确保水下隧道的施工安全的工程控制措施。本发明还在于对水下隧道采取工程控制措施所增加的费用、隧道埋深减小导致隧道长度缩短所减少的费用以及隧道埋深改变引起的隧道两端接线位置的变化所造成的环境影响进行综合比较的基础上，确定水下隧道的最小埋深。本发明基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，既有水下隧道最小埋深的确定方法均是首先基于经验方法确定隧道的最小埋深，而后进行隧道结构及隧道两岸接线位置的设计，在隧道埋深的确定时不考虑工程控制措施的影响。本发明则是首先根据隧道两岸的接线条件确定初步隧道的埋深，而后通过工程控制措施的采用来保证优化隧道的最小埋深。本发明基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法的优点在于在水下隧道最小埋深的确定时考虑工程技术措施的作用，通过工程控制措施的采用，减小水下隧道的最小埋深，缩短水下隧道的长度，便于同隧道两岸既有道路的衔接，以充分发挥隧道的交通疏解功能；同时基于综合比较确定的隧道最小埋深，在保证隧道施工安全的前提下，也可适当降低工程造价。
图I为本发明水下隧道最小埋深确定方法的示意中1_水下隧道最小埋深，2-隧道，3-水位高度，4-河床，A、B_隧道两岸接地点的位置，
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。(I)参见图1，根据水下隧道工程两岸的接线条件(接地点位置A和B)以及线路的坡度初步确定隧道的最小埋深。(2)采用数值计算方法分析该埋深条件下采用常规支护参数和施工参数时隧道施工过程中的安全性。(3)计算隧道的渗水量是否满足排水设计要求。具体按下式计算渗水量
八^ I T H -\ h
Q — 27diL ~7—\2//(I)式中，k为透水系数，L为隧道长度，h为岩石厚度，H为水深，r为隧道等效半径。(4)当常规支护参数不能满足施工安全要求时，在调研分析的基础上初步确定水下隧道不同埋深条件下保证隧道的施工安全所需要采取的工程控制措施；具体的工程控制措施包括超前注浆预加固措施，超前管棚预支护措施，提高初期支护钢支撑的强度和刚度等加强初支措施，分部开挖，严格控制开挖步长等施工控制措施；进一步采用数值计算方法分析不同工程控制措施条件下隧道的施工风险，确定采取不同工程控制措施时保证隧道施工安全的最小埋深。(5)当常规手段不能满足渗水量要求时，采用超前周边预注浆等工程控制措施减
少水下隧道的渗水量，并采用理论计算方法分析不同注浆条件下隧道的渗水量，确定隧道
不同埋深条件下满足渗水量设计要求所需要的具体注浆加固圈厚度。具体计算公式如下q __InHkr_ _liA + ilnUliA
rg kg ri ki ro(2)
式中A1为初支渗透系数；kg为注浆体渗透系数；匕为围岩渗透系数。A为衬砌内径，r:为衬砌外径，rg为注浆圈半径，r2为远场距离，H为水深，(6)在以上分析的基础上，计算隧道埋深减小时为保证施工安全及减少渗水量所增加的工程控制措施的费用，隧道埋深增加造成的隧道长度加长所增加的建造费用，隧道埋深改变引起的隧道两端接线位置的变化所造成的环境影响，在综合比较的基础上，确定水下隧道的最小埋深。下面结合实例对本发明进行进一步说明。某水下隧道连接水面东西岸。为发挥隧道的交通疏解功能，隧道东岸主线在靠水面的公路路面以西接地，西岸A匝道在靠水面的公路路面以东接地。
综合考虑水下隧道两岸接地点的位置以及线路的最大纵坡，初步确定隧道东岸江底的最小埋深为11. 5m,实际拱顶覆岩厚度为4. 2m ;隧道西岸江底的最小埋深为19. 8m,隧道拱顶覆岩厚度为零。目前水下隧道的常规支护手段为注浆加固圈堵水，超前小导管预支护，单层工字钢初支以及钢筋混凝土二次衬砌，采用数值计算方法计算得到最小埋深为11. 5m条件下该隧道采用常规支护手段在施工过程中不能保证安全。经综合调研分析确定该隧道采用双层工字钢初期支护结构，以提高初期支护钢支撑的强度和刚度，另外在施工中分部开挖，严格控制开挖步长等施工控制措施；进一步基于考虑施工过程的数值计算分析，在该工程措施条件下隧道在施工过程中能够保证安全。分析隧道在常规6. Om注浆加固圈条件下的渗水量，按式(2)进行计算，隧道每延米的渗水量为0. 34m3/m *d,隧道总渗水量为2792m3/d,满足每天渗水量小于3000m3的要求。根据挪威经验法，本隧道东岸最小覆岩厚度应为20. 4m左右，西岸最小覆岩厚度应为23. 5m左右。根据日本经验法，本隧道东岸最小覆岩厚度应为6. 7 13. 4m,西岸最小覆岩厚度应为5. 8 11. 5mo而根据本发明的最小埋深确定方法，隧道东岸最小埋深为11. 5m,实际覆岩厚度为4. 2m ;隧道西岸最小埋深为19. Sm，隧道拱顶覆岩厚度为零，和日本经验法相比，本发明确定的隧道东岸最小埋深减小了 2. 5m，西岸最小埋深减小了 5. Sm，综合考虑线路坡度的调整情况，隧道埋深总体减小了约5m。在相同接地点高程和纵坡情况下，本发明确定的隧道长度缩短了近400m，按照水下隧道每延米18万元人民币造价估算，直接工程建设费用减少7200万元人民币左右；隧道在最浅埋深段及断层破碎带段采用双层工字钢加强支护，并采用超前注浆加固堵水，工程控制措施所增加的费用为877万元，综合比较采用本发明方法确定的隧道最小埋深，降低工程造价约为6323万元。此外，采用本发明的隧道最小埋深确定方法，满足了隧道两岸的接线要求，充分发挥了隧道的跨越和分流功能，其所产生的社会效益和环境效益也是非常显著的。
权利要求
1.一种基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，其特征在于首先根据水下隧道工程两岸的接线条件以及线路的坡度初步确定隧道的最小埋深，而后分析该埋深条件下采用常规支护參数和施工參数时隧道施工过程中的安全性以及隧道的渗水量是否满足排水设计要求，当常规支护參数不满足施工安全或渗水量要求吋，采用数值计算方法分析不同工程控制措施条件下隧道的施工风险，并采用理论计算方法分析不同工程控制措施条件下隧道的渗水量，減少水下隧道渗水量的工程控制措施主要是进行超前周边预注浆，进一歩通过计算分析不同工程控制措施条件下水下隧道保证施工安全及渗水量要求的最小埋深。
2.根据权利要求I所述的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，其特征在干在水下隧道埋深确定时考虑工程控制措施对隧道施工安全性的影响，采用超前大管棚或超前小导管进行预支护，增强初期支护强度和刚度，分部开挖，严格控制开挖步长的工程控制措施，降低水下隧道的施工风险。
3.根据权利要求I所述的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，其特征在干在水下隧道埋深确定时考虑工程控制措施对隧道渗水量的影响，采用全断面帷幕注浆进行堵水预加固处理，在隧道周边形成注浆堵水圈，以减小隧道施工及运营阶段的渗水量。
4.根据权利要求I所述的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，其特征在干采用数值计算等方法分析不同工程措施条件下水下隧道施工的安全性，确定确保水下隧道的施工安全的工程控制措施。
5.根据权利要求I所述的基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，其特征在干对水下隧道采取工程控制措施所増加的费用、隧道埋深减小导致隧道长度缩短所減少的费用以及隧道埋深改变引起的隧道两端接线位置的变化所造成的环境影响进行综合比较的基础上，确定水下隧道的最小埋深。
全文摘要
本发明公开了一种基于工程控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，该方法考虑水下隧道施工过程中工程控制措施对隧道埋深的影响，首先根据水下隧道工程两端的接线条件初步确定隧道的最小埋深，而后分析该埋深条件下采用常规支护参数和施工参数时隧道施工过程中的安全性，当常规支护参数不满足施工安全的前提下，进一步分析不同加固措施和加固参数条件下隧道的施工风险，确定不同工程控制措施条件下保证隧道施工安全的最小埋深，最后在对不同工程控制措施条件下的加固费用和隧道埋深减小导致隧道长度缩短所减少的费用进行综合比较的基础上，确定隧道的最合理埋深。
文档编号E21F16/02GK102628372SQ201210110410
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者于勇, 安永林, 宋仪, 彭立敏, 施成华, 杨伟超, 贺维国, 陈海军, 雷明锋, 马军秋 申请人:中南大学, 中铁隧道勘测设计院有限公司, 高速铁路建造技术国家工程实验室