一种海底隧道合理埋深的计算方法与流程

本发明属于海底隧道与地下工程设计与施工，特别涉及一种海底隧道合理埋深的计算方法。

背景技术：

1、海底隧道的合理埋深判定，对施工成本及工期有着极大的影响，目前海底隧道合理埋深主要依据经验统计及工程类比方法取定，采用传统顶水采煤法经验公式。如申请公布号cn111441822a的中国发明专利公开了一种水下矿山法隧道合理埋深计算方法，包括以下步骤：通过地质钻探探明，得到淤泥层或软土层厚度、基岩表层既有裂隙深度，计算出隧道结构顶部软弱土质覆盖层和基岩表面既有裂隙深度；测量水头高度、隧道拱腰最大宽度，根据岩层隔水和渗透作用系数、岩石的坚固性系数、安全余量，计算出考虑岩层隔水和渗透作用的安全保护层厚度；根据地基系数、单个最危险药包的最小抵抗线，计算出钻爆引起的围岩松动圈导水裂隙长度；计算出矿山法隧道合理埋深。该专利虽然能作为海底隧道埋深的良好判据，但由于其未考虑到隧道衬砌与锚杆体系支护作用,也并未考虑开挖工法对围岩地层的影响作用，使得顶水采煤经验公式得出的海底隧道埋深偏大，导致隧道施工成本增加、难度增大等问题。因此，只采用经验公式方法套用海底隧道埋深是不合理的，对于海底隧道埋深的计算，目前尚未明确经济合理、结构安全的合理埋深确定方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种海底隧道合理埋深的计算方法，考虑了海底隧道覆盖层厚度的影响因素，对海底隧道上覆隔水层及爆破扰动高度经验公式取值后应用到数值模拟中，在数值模拟中考虑隧道支护及开挖方法的影响，根据数值模拟结果分析其实际受隧道施工影响的最小覆盖层厚度，通过和经验公式得出的合理埋深分别加权平均，以此来判定和指导海底隧道合理埋深的确定。本方法体系分明、方法合理、结果安全可靠、运用简便。

2、本发明采用的技术方案是：一种海底隧道合理埋深的计算方法，包括以下步骤：

3、步骤1：通过调查勘察资料，得出拟建隧道自上而下岩层物理力学参数；

4、步骤2：通过隧道设计方案，得出拟建隧道信息；

5、步骤3：计算隧道最小覆盖层厚度h，

6、h＝a+s+h，

7、其中，a为海底隧道表层裂隙带深度；s为隔水岩石覆盖层安全厚度；h为隧道开挖爆破扰动高度；

8、步骤4：将海水荷载qw、拟建隧道自上而下岩层物理力学参数、拟建隧道信息和隧道最小覆盖层厚度h作为输入条件，建立地层结构数值模型，模拟受隧道开挖作用影响，围岩应力产生的重分布，根据模拟结果，得出上覆岩层受开挖支护过程扰动的高度值hs；

9、步骤5：计算最终的海底隧道最小覆盖层厚度hmin，

10、hmin＝a+k(s+h)+kshs，

11、其中，k与ks分别为经验公式及数值模拟得出的覆盖层高度的折减系数。

12、进一步的，在步骤1中，所述拟建隧道自上而下岩层物理力学参数包括：围岩级别、围岩重度γ、粘聚力c、内摩擦角弹性模量e、泊松比μ和围岩弹性抗力系数。

13、进一步的，在步骤2中，所述拟建隧道信息包括：隧道尺寸、支护参数、开挖及支护步序。

14、进一步的，在步骤3中，a按地质勘察资料中表层裂隙带最不利深度考虑；

15、

16、式中：h1为水头高度，h2为坑道宽度，c为岩石强风化带厚度，f为普式强度，查表或取样试验获得；

17、

18、式中，k为地基系数；w为单个最危险药包的最小抵抗线；f(n)为相应药包爆破指数的函数。

19、进一步的，在步骤4中，模拟结果中，取应力重分布后的围岩水平应力与竖向应力比值趋向水平线值作为λ，取误差水平ε，则定义(λ-ε，λ+ε)单元对应区间为应力重分布后围岩受开挖扰动较小的区间，该区间的围岩高度为h3；

20、hs＝s+h-h3。

21、进一步的，在步骤4中，将海水压力等效为海底上方均布海水荷载qw。

22、进一步的，在步骤5中，k取0.4，ks取0.6。

23、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

24、1.本发明将经验公式与数值模拟结果相互结合、相互验证，可靠性高。

25、2.本发明考虑了表层裂隙带、安全隔水层厚度、爆破扰动高度、隧道支护作用、开挖方法的影响，方法合理全面，针对性强。

26、3.本发明得出的海底隧道埋深合理，避免了海底隧道埋深偏大引起的造价增加、工期延长等问题。

27、4.本发明操作简便，体系分明，常规的技术手段即可实现其计算过程。

技术特征：

1.一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，在步骤1中，所述拟建隧道自上而下岩层物理力学参数包括：围岩级别、围岩重度γ、粘聚力c、内摩擦角弹性模量e、泊松比μ和围岩弹性抗力系数。

3.如权利要求1所述的一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，在步骤2中，所述拟建隧道信息包括：隧道尺寸、支护参数、开挖及支护步序。

4.如权利要求1所述的一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，在步骤3中，a按地质勘察资料中表层裂隙带最不利深度考虑；

5.如权利要求1所述的一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，在步骤4中，模拟结果中，取应力重分布后的围岩水平应力与竖向应力比值趋向水平线值作为λ，取误差水平ε，则定义(λ-ε，λ+ε)单元对应区间为应力重分布后围岩受开挖扰动较小的区间，该区间的围岩高度为h3；

6.如权利要求1所述的一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，在步骤4中，将海水压力等效为海底上方均布海水荷载qw。

7.如权利要求1所述的一种海底隧道合理埋深的计算方法，其特征在于，在步骤5中，k取0.4，ks取0.6。

技术总结
本发明提供了一种海底隧道合理埋深的计算方法，属于海底隧道与地下工程设计与施工技术领域，包括以下步骤：步骤1：通过调查勘察资料，得出拟建隧道自上而下岩层物理力学参数；步骤2：通过隧道设计方案，得出拟建隧道信息；步骤3：计算隧道最小覆盖层厚度，步骤4：将海水荷载、拟建隧道自上而下岩层物理力学参数等作为输入条件，建立地层结构数值模型，模拟受隧道开挖作用影响，围岩应力产生的重分布，根据模拟结果，得出上覆岩层受开挖支护过程扰动的高度值H<subgt;S</subgt;；步骤5：计算最终的海底隧道最小覆盖层厚度。本发明将顶水采煤法与数值模拟结合，得出海底隧道合理埋深，考虑了隧道支护作用对隧道埋深的影响，符合隧道开挖支护的变形机理。

技术研发人员：宋超业,罗小平,叶东明,贺维国,陈功祥,吕书清,张美琴,于勇,刘庆方,宋毅
受保护的技术使用者：中铁第六勘察设计院集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15