本发明涉及一种盾构法修建海底隧道合理埋深计算方法。
背景技术：
经济发展和文化交流，对交通运输提出了更高的要求。海峡、河口像天堑般，将大陆与大陆、大陆与海岛、海岛与海岛之间隔开，给出行带来诸多不便。水下隧道，能很好地解决这一问题。水下隧道主要有矿山法、盾构法、沉管法、围堰明挖法等。盾构法，就是采用盾构机在地下掘进，修建隧道的全机械施工方法。自英国第一次使用盾构法在英国伦敦泰晤士河下修建隧道以来，盾构技术已有150余年的历史。随着科学技术的发展，盾构技术日臻完善，由于盾构法具有机械化施工、防渗透水性好、施工安全、工期可控、环境扰动小、不影响通航等优点，被世界各国广泛采用，逐渐成为修建城市地铁、输送管线和水下隧道的首选方法。
目前，我国已采用盾构法修建多条水下越江隧道，如武汉长江公路隧道、南京长江公路隧道、重庆长江输水隧道、广深港高铁狮子洋隧道等。但是，国内在盾构法修建海底隧道方面应用实例较少，2013年3月15日，国内首条海底盾构隧道广东台山核电站1&2号取水隧洞全部贯通，为今后修建长大海底隧道工程积累宝贵经验。目前，正在建设的盾构海底隧道有湛江弯盾构跨海隧道、汕头海湾隧道。未来规划的渤海海峡隧道、琼州海峡隧道、台湾海峡隧道等多项海底隧道工程，都将盾构法作为可选方案之一，展开可行性研究。
在盾构法修建海底隧道合理埋深问题上，存在以下问题：
一方面，海水冲刷卸载，会导致覆盖层厚度进一步减小，上覆岩土层厚度太小，会增加管片所受上浮力和接头所受剪应力，导致隧道稳定性降低，隧道突水涌水、管片破损可能性增加。间接增加防水、排水、支护和后期维护费用；上覆岩土层厚度太大，水下长度随之增加，因而建设费用提高，同时，管片外水土压力增大，影响了隧道的稳定性，对入仓作业造成极大困难。
另一方面，选取不同的隧道埋深，盾构机往往穿越不同的隧道，面对不同的地质条件和地层分布：掘进中岩层较多，将对掘进造成较大困难，影响掘进速度；掌子面软硬不均，将造成掘进方向偏移；在沙卵石层中掘进，孤石、沙卵石将对刀具、刀盘造成较大磨损；尤其在海洋水文条件复杂多样的情况下，大直径、长距离、高水压海底隧道施工建设，对盾构机选型上提出了更高的要求。
再者，海底盾构法修建隧道，开挖过程影响因素众多，除了上述水土压力、地质条件变化、水文条件(海床的冲刷强度、冲刷规律、潮汐强度)外，还有隧道断面尺寸、开挖面稳定性、不均匀沉降、海水腐蚀引起的岩土体和混凝土管片物理力学性质的弱化、地震等偶然荷载等因素。
总之，在设计和计算盾构法海底隧道合理埋深方面，缺少系统的计算方法,能够将管片所受水土压力、海床地形地貌特征、地质条件、结构内力值、结构变形量、开挖面稳定、地基沉降量、地表沉降量、抗浮稳定性、潮汐强度、海床冲刷强度、水的侵蚀能力、隧道断面尺寸、隧道长度、注浆支护压力、掘进参数设置(推力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度)、偶然荷载的结构响应与岩土层动力响应(沉船、爆炸、地震荷载)、竖井和渣土处理技术、工程经验、工程造价、环境保护要求、工程安全和职业健康管理这些因素作为综合考虑条件。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种盾构法修建海底隧道合理埋深计算方法，本发明将各个因素考虑其中，分别计算出在工程经验类比和数值计算下获得的不同埋深，找出影响了影响埋深的主要因素作为评判因子，采用权重分析法对海底隧道埋深评判因子进行权重计算，具有很好的适用性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种盾构法修建海底隧道合理埋深计算方法，包括以下步骤：
(1)确定拟建设海底隧道区域气象、水文和地质环境条件，并获得水力学参数值和岩土体物理力学参数；
(2)获取以往海底隧道案例，将不同地质条件、直径大小的单洞/多洞隧道建设信息进行整理，分析拟建设海底隧道区域存在的、影响埋深的因素；
(3)由工程类比法和数值计算方法，确定出各因素影响下的不同埋深值；
(4)由权重分析法，计算出各评判因子所占权重值，得到最终的埋深值。
进一步的，所述步骤(1)中，查阅工程地质报告等资料，分析拟建设海底隧道区域气象、水文和地质环境条件，进行水文、岩土体力学试验，获得水力学参数值和岩土体物理力学参数。
进一步的，所述步骤(1)中，采用地震波或顺变电磁勘探方法，探测周围地质情况，并结合声呐探测方法，探测海底地形、上覆淤泥层分布及厚度，在具体探测前，进行超前地质预报，以更新参数，实时测量前方地质情况。
进一步的，所述步骤(2)中，影响因素包括：水土压力、海床地形地貌特征、地质条件、结构内力值、结构变形量、开挖面稳定、地基沉降量、地表沉降量、抗浮稳定性、潮汐强度、海床冲刷强度、水的侵蚀能力、隧道断面尺寸、隧道长度、注浆支护压力、掘进参数设置、偶然荷载的结构响应与岩土层动力响应、竖井和渣土处理技术、工程经验、工程造价和环境保护要求中的多个。
进一步的，所述步骤(3)中，数值计算方法确定埋深包括：
1)由抗浮稳定性决定的埋深；
2)受沉降、内力和变形决定的埋深；
3)由地下水渗流场影响决定的埋深；
4)偶然荷载作用下的结构响应与岩土层动力响应决定的埋深值。
进一步的，对于沉降、内力和变形决定的埋深，根据初步获得的埋深范围和抗浮稳定性确定的埋深范围，假定压力值，应用有限元分析软件建立三维有限元分析模型进行数值计算；
同一盾构段，尝试不同的埋置深度，分别计算并输出沉降值较小、结构内力值分布合理和变形最小对应的合理埋深。
进一步的，计算由地下水渗流场影响决定的埋深时，进行三维流固耦合数值模拟分析孔隙水压力变化对隧道产生的影响，同时计算时，除了考虑隧道埋深的影响外，还应考虑开挖面盾构推力、盾构推进速度，开挖面水头、注浆压力造成的影响。
进一步的，偶然荷载包括沉船、爆炸和地震荷载，计算时，各种因素单独计算，沉船荷载计算采用最大满载船只抛锚计算，地震荷载采用建设区域历史记录最大震级。
所述步骤(4)中，将得到的埋深计算结果分别对应的主因素：工工程经验、抗浮稳定性、地基沉降量、结构内力值、结构变形量、地下水渗流场、沉船荷载、爆炸荷载、地震荷载作用下的结构响应与岩土层动力响应作为评判因子，对其影响下的不同埋深进行权重计算。
所述步骤(4)中，通过实际工程样本，结合《盾构法隧道施工与验收规范》、《公路水下隧道设计规范》规范，建立权重计算标准，求解权重，把权重计算问题转化为优化问题来进行处理。
所述步骤(4)中，根据评价等级向量、等级个数、评价指标向量、评价指标的个数和评价指标的权重向量，建立评价指标和评价等级之间的映射关系，对于由评价指标、评价指标的权重及函数关系求评价等级为正问题，已知评价等级求取评价指标、评价指标的权重及函数关系的问题为反问题。
进一步的，按照重要性加权给出合理埋深建议值，论证结果可行性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将管片所受水土压力、海床地形地貌特征、地质条件、结构内力值、结构变形量、开挖面稳定、地基沉降量、地表沉降量、抗浮稳定性、潮汐强度、海床冲刷强度、水的侵蚀能力、隧道断面尺寸、隧道长度、注浆支护压力、掘进参数设置(推力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度)、偶然荷载的结构响应与岩土层动力响应(沉船、爆炸、地震荷载)、竖井和渣土处理技术、工程经验、工程造价、环境保护要求、工程安全和职业健康管理这些因素作为考虑条件，提出了一种盾构法修建海底隧道合理埋深的计算方法，为盾构法修建隧道提供参考与帮助。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的总计算过程流程图；
图2是本发明的管片横截面受力分析图；
图3是本发明数值计算流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，盾构法修建海底隧道合理埋深计算方法，包括以下步骤：
步骤一：准备资料，进行详细的、高准确度的水文、地质现场勘查。可进行现场勘查包括钻探取样、地球物理勘探等，并查阅工程地质报告等资料，分析拟建设盾构隧道区域气象、水文和地质等环境条件，进行水文、岩土体力学试验，获得水力学参数值和岩土体物理力学参数。施工过程中，进行必要的超前地质预报，及时更新设计参数。
步骤二：整理盾构法水下隧道案例，将不同地质条件、直径大小的单洞/双洞隧道建设信息进行整理。分析拟建设盾构隧道区域存在的、影响埋深的因素，寻找工程相似性。
影响因素包括：水土压力、海床地形地貌特征、地质条件、结构内力值、结构变形量、开挖面稳定、地基沉降量、地表沉降量、抗浮稳定性、潮汐强度、海床冲刷强度、水的侵蚀能力、隧道断面尺寸、隧道长度、注浆支护压力、掘进参数设置(推力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度)、偶然荷载的结构响应与岩土层动力响应(沉船、爆炸、地震荷载)、竖井和渣土处理技术、工程经验、工程造价、环境保护要求、工程安全和职业健康管理这些因素。考虑到每条隧道建设地点的特殊性，没有的因素可以不考虑。找出影响埋深的因素，参与数值计算。
步骤三：由工程类比法，确定出各因素影响下的不同埋深值。
盾构法修建水下隧道在国内外已有很多成功案例，可进行充分的工程类比，对国内外典型盾构法施工水下隧道长度、盾构机类型、直径、埋深、地质情况进行整理，结果如表1所示。
表1典型盾构法水下隧道埋深(仅为参考值)
初步获得埋深范围x1，作为参照。
步骤四：由数值计算方法确定埋深，包括四个方面：
(1)由抗浮稳定性决定的埋深x2(横截面计算)
计算横截面受力如图2所示。
当管片由地下水、注浆浆液包裹时，管片受到浮力为：
r0为管片外直径，γj为水容重或泥浆容重；
计算时，应对浮力进行折减，折减后结果＝γfλf浮；
γf为抗浮安全系数，可参照类似工程，根据当地实际经验确定，也可参照当地地铁建设采用的安全系数，不计侧壁摩阻力时，取1.05，考虑侧壁摩阻力时，取1.10～1.15；
λ为浮力折减系数，砂性土层取1，粘性土层可做适当折减。
管片抗浮力为：
f抗浮＝γg(g+p1+p2+f)
γg为荷载分项系数，荷载效应对结构有利时，取0.9；
g为单位长度管片自重，
p1为上覆水、土压力，计算土压力的方法有两种，水土合算和水土分算，前者适用于粘性土，后者适用于砂性土。水土合算时，地下水位以上用干容重，地下水位以下用饱和容重，水土分算时，地下水位以上用干容重，地下水位以下用浮容重。
所述土压力计算可以采用以下几种方法：
1)重力分析模式：仅考虑隧道宽度范围内上覆土对管片上浮产生的抵抗作用；
2)考虑上覆土体与周围土体之间的摩擦力，取一定深度处的土条，考虑侧向摩阻力计算。
3)当隧道深埋，h＞2d时，地基中产生拱效应的可能性大，可以在设计计算时采用松动土压力，一般采用太沙基公式，产生抗浮力仅为一定厚度范围内土体产生的荷载。
所述水压，包括实测最高潮位、时测最低水位、历史最高潮位、历史最低水位、平均低水潮、平均高水潮。
p2为管片内部静荷载。
f为管片侧壁与地层之间的摩阻力，f＝μn，μ为摩阻系数，n为接触压力。
按最小混凝土比重，最小混凝土体积和最大海水比重计算；
计算时，除了基本荷载外，还可考虑其他荷载：
1)临时荷载：温度应力的影响，车辆活载、盾构工程施工临时荷载对土体和孔隙水压力的扰动；
2)偶然荷载：沉船荷载，地震荷载，爆炸荷载等。
最终计算结果应满足：f抗浮≥f浮
算出满足抗浮稳定性的合理埋深x2。
(2)沉降、内力和变形决定的埋深x3，x4，x5(数值模拟计算)
根据x1，x2确定的埋深范围，假定压力值，应用abaqus或flac3d等有限元分析软件建立三维有限元分析模型进行数值计算。
目前盾构法隧道数值模拟计算，主要采用荷载-结构模型，国内使用较多的方法有惯用法、修正惯用法和梁-弹簧模型法。
计算中，假定上覆土和地基土呈均质水平层状分布，在进行数值模拟过程中，考虑到管片衬砌接头对结构刚度弱化的影响，会引起的管片刚度降低，计算时对刚度进行折减。
例如，应用abaqus软件时，对土体采用软件中mohr-coulomb本构模型进行模拟，参数设置时，考虑土的固结与流变性质，能反映真实的粘土、沙土状况。管片、周围注浆体、衬砌采用线弹性模型，用旋转弹簧单元模拟管片接头。
同一盾构段，尝试不同的埋置深度，编写循环计算代码，重复计算，分别计算并输出沉降值较小、结构内力值分布合理和变形最小对应的合理埋深x3，x4，x5。
(3)由地下水渗流场影响决定的埋深x6
盾构施工过程中，打破了初始地应力场和地下水渗流场的平衡，造成土体应力变化和产生渗流，导致孔隙水压力发生变化，孔隙水压力变化会对隧道产生严重影响，因此，需进行三维流固耦合数值模拟分析。
计算时，耦合场的计算可采用直接耦合法或间接耦合法，可应用abaqus或flac3d等有限元分析软件，除了考虑隧道埋深的影响外，还应考虑开挖面盾构推力、盾构推进速度，开挖面水头、注浆压力造成的影响。计算出由渗流场决定的埋深x6。
数值计算流程如图3所示。
(4)偶然荷载(沉船、爆炸、地震荷载)的结构响应与岩土层动力响应决定的埋深值x7，x8，x9
由于盾构隧道衬砌是由装配式管片拼装而成，其力学特性要比整体浇筑完成的衬砌结构差，并且，软土对结构的支撑和约束作用没有岩石效果好，在偶然荷载作用下，容易产生连接处错动，因此研究偶然荷载的动力作用是计算埋深必不可缺少的部分。
偶然荷载包括沉船、爆炸、地震荷载，计算时，各种因素单独计算，计算深度范围采取由x1，x2，x3，x4，x5，x6确定的埋深范围，沉船荷载计算采用最大满载船只抛锚计算，地震荷载采用建设区域历史记录最大震级，结合《场区地震灾害评价报告》和隧道建设抗震等级要求进行计算。计算结构响应和岩土层动力分析。
1)沉船荷载
沉船荷载计算采用最大满载船只抛锚计算，分别计算沉船荷载对隧道顶部产生的静压力和冲击压力，冲击压力可由动量原理计算，接触面积由纵轴线与隧道轴线之间的夹角确定，分析管片和接头部位的应力和位移，计算地基沉降量。
2)爆炸荷载
应用有限元软件abaqus、ansys等软件，计算隧道内发生接触、非接触爆炸破坏效应，主要考虑受爆炸荷载作用时，不同埋深条件下，盾构管片以及螺栓连接处等结构薄弱处的破坏特性。同时，也可考虑地基沉降量、上覆土震动速度、加速度，验证上覆土层厚度的合理性。
3)地震荷载
利用有限元软件adina、abaqus等，构建三维模型，对盾构海底隧道在地震时产生的横向、纵向动力响应特性，进行动力学计算和分析，分析应力、变形特征，管片及螺栓杆件的受力情况，计算地基沉降量。
计算中，考虑地基土层整体初始应力平衡和地基辐射阻尼效应的影响，基于黏弹性人工边界理论，在模型的海水与海床的交界面处设置流固耦合边界，来考虑海水与海床的流固耦合动力反应，将震动的输入转化为作用于人工边界的等效荷载来实现波动的输入。通过提取隧道横截面关键点，分析在地震波作用下，海水深度、隧道的埋置深度和海床土的弹性模量对隧道结构地震反应的影响。
尝试不同的埋置深度，编写循环计算代码，重复计算，分别计算并输出在沉船、爆炸、地震荷载作用下，结构响应和岩土层动力响应较小时，对应的合理埋深x7，x8，x9。
步骤五：由权重分析法，计算出各评判因子所占权重值。
权重计算方法为：首先将得到的x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9九个埋深计算结果分别对应的主因素：工程经验、抗浮稳定性、地基沉降量、结构内力值、结构变形量、地下水渗流场、沉船荷载、爆炸荷载、地震荷载作用下的结构响应与岩土层动力响应，这九个因素作为评判因子，对其影响下的不同埋深进行权重计算。
其次，确定权重计算的方法。常用的权重计算方法主要有三类：第一类是专家经验法，第二类是可拓评判方法，第三类是以粗糙集为代表的通过实际工程样本求解权重计算方法，三种方法在建筑工程领域，应用起来存在有误差和不符合实际情况的现象。
综合考虑，可采用基于第三种方法而提出的反权重分析方法。通过实际工程样本，结合《盾构法隧道施工与验收规范》、《公路水下隧道设计规范》等规范，建立权重计算标准，求解权重，把权重计算问题转化为优化问题来进行处理。避免了样本离散化过程中的数据不相容问题，计算结果更准确。
其基本思路为：假设评价等级向量为g＝(g1,g2,…,gm)，等级个数为m，评价指标向量为c＝(c1,c2,…,cn)，评价指标的个数为n，评价指标的权重向量为w＝(w1,w2,…,wn)，且
g＝f(c,w)(1)
式(1)的含义为由评价指标及其权重根据一定的综合评判算法f即可求出最终的评价等级。对于式(1)由评价指标、评价指标的权重及函数关系f求评价等级为正问题，而已知评价等级求取评价指标、评价指标的权重及函数关系f的问题为反问题。基于优化理论的权重反分析方法就是在已知评价等级、评价指标及函数关系f的前提下，依据一定的优化算法来求取评价指标的权重。若已知样本集s＝(s1,s2,…,sk)(样本由评价指标值和评价等级组成)，则由样本集s求取各评价指标的权重的数学表达式为(这里样本集s的样本个数k应不小于所求权重的个数n)：
其中，gi是第i个样本的实际等级值，
步骤六：按照重要性加权给出合理埋深建议值，论证结果可行性。
盾构法修建海底隧道，综合分析合理埋深，建议值为：
论证埋深建议值的可行性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。