海底隧道不同防排水条件下衬砌结构开裂情况研究.pdf

第 1 2卷第 4期 2 0 1 5年 8月 铁道科 学与工程学报 J o u r n a l o f Ra i l wa y S c i e n c e a n d En g i n e e r in g Vo l u me 1 2 Nu mb e r 4 Au g u s t 2 0 1 5 海底隧道不同防排水条件下衬砌结构 开裂情况研 究 雷波 。 漆泰岳 ， 王睿 ， 陈小雨 ( 1 西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ； 2 交通隧道工程教 育部重点实验 室， 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 海底 隧道不 同围岩级别所采用的防排水方式不 同。 I、 级 围岩采 用限量排 导的防排水 方案 ， 、 V级较 差 围岩地 段衬砌结构采用全封闭防排水方案。基于扩展有限元法， 以厦门海底隧道为例， 针对海底隧道不同防排水条件下的衬砌结 构开裂情况进行研究， 为今后其他高水压水下隧道设计和海底隧道的病害原因分析提供一定的参考价值。研究表明： 采用 堵 水限排 的条件 下 级围岩的衬 砌结构未发生衬砌 结构开裂 ， 结构设计合理 ； 而采用全封 闭防排水结构的 V级 围岩 的衬砌 结构在低水压条件下拱脚外侧发生纵向开裂， 而在高水压条件下衬砌拱脚会同时出现纵向裂缝和压溃破坏。鉴于 目前隧 道 结构开裂主要 以环向裂缝 为主 ， 且主要集 中于拱墙 以上部位 ， 所以高水压并不是厦 门海底隧道衬砌开裂的主要原 因。 关键词 ： 海底隧道； 衬砌结构开裂；高水压；扩展有限元法； 堵水限排；全封堵 中图分类号 ： U 4 5 9 5 文献标志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 8 5 9 0 7 S t u d y o n t h e l i n i n g c r a c k o f s u b s e a t u n n e l i n t h e d i ff e r e n t c o n d i t i o n s o f wa t e r p r o o f a n d d r a i n a g e L E I B o ， Q I T a i y u e ， WA N G R u i ， C H E N X i a o y u ， ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 MO E K e y L a b o r a t o r y o f T r a n s p o r t a t i o n T u n n e l E n g i n e e r i n g ，Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e w a t e r p r o o f a n d d r a i n a g e wa y a r e n o t a l w a y s s i mi l a r t o e a c h o t h e r i n t h e d i f f e r e n t l e v e l o f s u r r o u n d i n g r o c k o f s u b s e a t un n e l ，a mo n g wh i c h t he p r i n c i p l e o f c o n t r o l l e d d r a i n a g e wa s u s e d i n t h e h a r d s ur r o u n d i n g r o c k I a n d I I，a n d t h e e n t i r e p l u g g i n g me t h o d c a n b e a p p l i e d t o t h e s u r r o u n d i n g r o c k o f p o o r q u ali t y ，s u c h a s t h e l e v e l o f 1 V a n d VB a s e d o n t h e XF EM，t h e a c t u a l c r a c k i n g o f Xi a me n S u b s e a T u n n e l w i l l b e t a k e n i n a r e s e a r c h i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n o f wa t e rp r o o f a n d d r a i n a g e，wh i c h c a n b e a v a i l a b l e t o p r o v i d e s o me us e f u l s u g g e s - t i o n s f o r t h e b u i l d i n g o f o t he r h i g hp r e s s u r e t u nn e l s a n d ma k i n g c a u s e a naly s i s o f l i n i n g c r a c kTh e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t i t i s n o t h a p p e n e d t o t h e c r a c k o f t u n n e l l i n i n g i n t h e c a s e o f c o n t r o l l e d d r a i n a g e o f s u rr o u n d i n g r o c k l e v e l a n d t h e d e s i g n i s r e a s o n a b l e I t a l s o t u r n s o u t t h a t t h e o u t s i d e o f a r c h s p r i n g i n g o f t u n n e l l i n i n g i s c r a c k e d i n t h e c o n d i t i o n o f wh o l e b l o c k o f s u rro u n d i n g r o c k l e v e l VB o t h t h e c r u s h i n g a n d c r a c k i n g o f c o n c r e t e l i n i n g wi l l h a p pe n u n d e r t he c o n d i t i o n o f h i g h e r wa t e r p r e s s u r e，wh i c h n e e d t o be s t r u c t u r a l r e i n f o r c e d i n t h e r e l e v a n t p o s i t i o n o f t un n e l l i n i n g c r a c k s Be s i d e s ，ba s e d o n t u n n e l l i n i n g d i s e a s e s u n t i l n o w ，wh i c h ma i n l y are c i r - c u mf e r e n t i a l c r a c k s a n d l o c a t e d i n s o me pa r t s a b o v e t h e a r c h wa l l ，i t i s f o u n d t h a t t h e h i g h wa t e r p r e s s u r e i s n t t h e ma i n r e a s o n o f l i ni ng c r a c k i n g o f Xi a me n s u bs e a t u n n e 1 Ke y wo r ds：s u b s e a t u n n e l ；l i n i n g c r a c k；hi g h wa t e r pr e s s u r e；XFEM ；c o n t r o l l e d d r a i n a g e；e n t i r e p l u g g i n g 收稿 日期 ： 2 0 1 5一O 1 2 2 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 4 2 3 ， 5 1 4 7 8 3 9 5 ) ； 中央高校基 本科研业 务费专项 资金资 助项 目( WS J T U1 1 Z T 3 3) ； 教育 部创 新团队发展计 划资助项 目( I R T 0 9 5 5 ) 通讯作者： 雷波( 1 9 8 9 一) ， 男， 山西大同人， 博士研究生， 从事隧道与地下工程方面的研究； E m a i l ： l e i b o t h u n d e r 1 6 3 c o rn 8 6 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5 年 8 月 海底隧道区别于山岭隧道 ， 围岩和隧道结构深 埋于海水之下 ， 地下水水源补给充分 ， 结构承受水 压力大 ， 进入隧道 内渗漏水必须通过隧道排水设施 排 出。此外海水 以下 的地质勘查工作不宜展开且 勘探结果可靠性差， 使得海底隧道的渗漏水问题和 隧道水害问题 明显 比山岭隧道严重 。从我 国已建 成 的海底隧道运 营情况来看 ， 就 出现了这样的问 题 。隧道衬砌结构开裂和渗漏水 问题严重 ， 维修养 护成本高 ， 特别是每年在海底隧道渗漏水排除的花 费成为了严重的财政负担， 并有愈演愈烈之势。海 底隧道结构设计时除了像传统的山岭隧道一样必 须考虑衬砌背后围岩压力 ， 重点需要考虑结构所受 的水压力 ， 在高水压条件下水压力将取代围岩荷载 作为衬砌结构最主要的荷载。而水压力大小不仅 与地下水水头有关 ， 更取决于隧道衬砌结构的防排 水方式 ， 不同的防排水方式下的衬砌结构背后水压 力并不相同。何川等 为探明水压条件下隧道 主体结构的受力特征 ， 采用模型试验研究高水压条 件下衬砌的力学行为、 结构 与围岩、 地下水相互作 用关系及结构破坏模式 。关 宝树等_ 3 I 4 将高水压 作为衬砌结构开裂的原 因。张素磊等 进行 了 大量的隧道裂缝数据收集和统计工作， 并借助于数 据挖掘方法对隧道衬砌结构开裂进行了主成 因挖 掘大部分的前期研究 主要针对的是通过衬砌结构 在高水压条件下的受力位移关系来评价隧道衬砌 结构的安全性能 ， 而且由于国内海底隧道建设还处 于起步阶段 ， 监测数据非常少 ， 特别是裂缝检测数 据匮乏 ， 关于高水压条件下的海底隧道衬砌结构开 裂性能却鲜有研究。黄宏伟等 通 过与衬砌原 型试验的对 比， 验证了衬砌开裂扩展有限元分析方 法的适用性 ， 本文拟通过扩展有限元对厦门海底隧 道的不同围岩级别不同防排水条件下 的衬砌结构 开裂情况进行数值模拟研究 ， 分析衬砌结构破坏位 置 、 分布规律、 开裂特征以及开裂机制 ， 对类似的海 底隧道衬砌结构设计提供一定的参考意见。 1 扩展有限元法 扩展有限元是 目前解决不连续力学 问题最有 效的数值方法， 它是基于单位分解思想， 通过引入 反应裂纹不连续的跳跃 函数和渐进位移场函数来 实现虚拟裂缝模型中裂纹扩展位移模式的描述 ， 同 时采用网格划分不依赖 于裂缝几何性质的水平集 法来追踪裂纹的实际位置。它不考虑结构的任何 内部细节 ， 裂纹的扩展路径完全由解决定而不需要 预先设置 。扩展有限元法 自提出以来 ， 被大量应用 于混凝土结构的裂纹问题研究 ， 成功再现了许多试 验结果 ， 显示出很好的应用前景。基于单元分解的 不连续位移模式 、 虚拟裂缝模型以及水平集法的裂 缝描述是扩展有限元法的精髓 ， 其具体阐述另见文 献 I 9 - 1 1 。 2 工程概况 国内外 的隧道工程中， 对地下水的处理方式包 括全封堵式和限排式 2种类型。对 于水下隧道一 般来说应采用 “ 以堵为主， 限量排放” 的防排水原 则 ， 尽可能地将隧道开挖断面周围的涌水或渗水封 堵于结构外 。全封堵条件下的衬砌结构背后水 压力为约等于结构所受的静水压力； 当采取堵水限 排的排水方式时， 衬砌背后水压力荷载依据隧道控 制排水量进行线性折减。我 国已建成 的厦门海底 隧道 、 胶州湾海底隧道针对不同的围岩条件“ 对症 下药 ” 采用不同的防排水方案。 以2 0 1 01 0建成通车中国大陆地区第一座海 底隧道厦门海底隧道为例来说 ， 根据对隧道所处地 质条件 、 水压、 结构耐久性 和后期运 营抽水费用 等 的综合分析， 该隧道针对不同地层分别使用不同的 防排水方案 ， 对全一强风化 、 断层破碎带等 V 级富水围岩段 ， 采用全封闭方案 ， 加强围岩预注浆 ， 控制较大水量进入隧道 ， 但隧道仍设纵 向排水管以 排出少量 的渗漏水 ， 衬砌按全水压设计。对于地质 条件好的 I级 围岩地段 ， 采用 限量排放方案 ， 设置包括环向盲管等的完整的地下水排导系统 ， 衬 砌背后水压力进行相应位置处 的地下水全水头折 减 。经过调研发现 ， 厦门海底隧道出现不同程度的 衬砌结构开裂和渗漏水问题( 如图 1 ( a ) 和 1 ( b ) 所 示 ) ， 尽管不妨碍交通但影 响美观 ， 主要集 中在 海 底隧道从陆域 向海域过渡段。其 中正洞衬砌结 构 裂缝主要以环向裂缝 为主 ， 局部 区域 出现全环开 裂 ； 服务通道出现 l 0条 以上的施工缝劣化 引起的 隧道全环开裂( 如图 1 ( e ) 所示 ) ， 绝大部分纵 向裂 缝长度超过 1 0 n l ( 如图 1 ( d ) 所示 ) 。此外裂缝 区 域主要集 中于隧道拱墙 以上部位 ， 拱脚并未开裂。 第4期 雷波 ， 等： 海底隧道不同防排水条件下衬砌结构开裂情况研究 8 6 5 8 5 9 0 HE C h u a n，Z HANG J i a n g a n g ，YANG Z h e n g Mo d e l t e s t s t u d y o n t h e me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s e g me n t l i n i n g f o r t h e Wu h a n Y a n g t z e R i v e r t u n n e 1 J C h i n a C i v i l E n g i n e e ri n g J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 1 2 ) ： 8 5 9 0 2 张志强 ， 何本国， 马腾飞水压条件下矿山法隧道主体 结构 的 受 力特 征 J 西 南 交 通 大学 学 报 ， 2 0 1 2， 4 7 ( 6 ) ： 3 5 4 1 ZHANG Zhi q i a n g，HE Be n g u o，MA Te ng f e i Me c ha ni c a l c h a r a c t eris t i c s o f ma i n s t r u c t u r e o f mi ni ng t u n ne l u nd e r w a t e r p r e s s u r e J J o u mal o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ， 4 7 ( 6 ) ： 3 5 4 1 3 关宝树 隧道维修管理要点集 M 北京： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 4 C U A N B a o s h u K e y p o i n t s i n t u n n e d e n j i n e e i n g ， ma i n t e n a n c e a n d m ana g e m e n t M B e r i n g ：C h i n a C o mm u n i c a t i o n Pr e s s，2 0 0 4 4 刘庭金， 朱合华， 夏才初， 等云南省连拱隧道衬砌开 裂和渗 漏水调 查结果 及分析 J 中国公 路学报， 20 0 4 02： 6 56 8 L I U T i n g j i n ， Z H U H e h u a ，X I A C a i c h u ，e t a1A n al y s i s o f s i t e i n v e s t i g a t i on o f c r a c ki n g a n d l e a ka g e o n a r c a d e t un n e l l i n i n g o f Y u n n a n p r o v i n c e J C h i n a J o u r n a l o f H i g h - w a y an d T r a n s p o r t ，2 0 0 4， 0 2： 6 56 8 5 张素磊 ， 张顶立， 刘胜春， 等基于对应分析模型的隧 道衬砌病害主成因挖掘 J 中国铁道科学 ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 4 5 8 Z HANG S u l e i ，ZHANG Di n g l i ， L I U S h e n g c h u n e t a1 Di s c o v e rin g t h e ma i n c a us e s o f t un ne l l i n i ng da ma g e b a s e d o n c o e s p o n d e n c e a n a l y s i s m o d e l J C h i n a R a i l w a y S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 4 5 8 6 荣耀海底隧道衬砌裂缝控制关键技术研究 D 上 海： 同济大学， 2 0 0 7 RON G Ya o T h e r e s e arc h o n t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e c r a c k c o n t r o l l i n g o f r e n f o r e e d c o n c r e t e l i ni n gs o f u nd e rse a t u m e l D S h a n g h a i ： T o n i U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 7 黄宏伟， 刘德军， 薛亚东， 等基于扩展有限元的隧道 衬砌裂缝开裂数值分析 J 岩土工 程学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 6 6 2 7 5 H U A N G H o n g w e i ， L I U D e j u n ， X U E Y a d o n g ， e t a 1 N u me r i c a l a n a ly s i s o f c r a c k i n g o f t u n n e l l i n i n g s b a s e d o n e x t e n d e d f i n i t e e l e m e n t J C h i n e s e J o u rna l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e ri n g 2 0 1 3 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 6 6 2 7 5 8 杨涛， 邹道勤 基于X F E M的钢筋混凝土梁开裂数值模 拟 J 浙江大学学报 ( 工学版) ， 2 0 1 3 ， 4 7 ( 3 ) ： 4 9 5 5 0】 YAN G T a o， Z OU Da o g i n Nu me ric al s i mu l a t i o n o f c r a c k g r o wt h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m b a s e d o n XF E M J J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y( E n g i n e e ri n g S c i e n c e) 。 2 0 1 3 ， 4 7 ( 3 ) ： 4 9 5 5 0 1 9 Me s c h k e G， D u m s t o r ff P E n e r gyb a s e d m o d e l i n g o f c o h e s i v e a n d c o h e s i o n l e s s c r a c k s v i a XF E M J C o mp u t e r Me t h o d s i n Ap p l i e d Me c h an i c s a n d En g i n e e rin g，2 0 0 7， 1 9 6 ( 2 1 ) ： 2 3 3 8 2 3 5 7 1 0 E s n a A s h a ri S ， Mo h a mm a d i S F r a c t u r e ana l y s i s o f F R P r e i n f o r c e d b e a ms b y o r th o t r o p i e XF EM J J o u rna l o f C o mp o s i t e Ma t e ri a l s ， 2 0 1 1 ， 4 6 ( 1 1 ) ： 1 3 6 7 1 3 8 9 1 1 H i l l e r b o r g A，Mo d r e r M，P e t e r s s o n P E A n a l y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k gro w t h i n c o n c r e t e b y me a n s o f f r a c t u r e me c h a n i c s a n d f i n i t e e l e me n t s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 6 ， 6 ( 6 ) ： 7 7 37 8 1 1 2 卓越钻爆法浅埋水下隧道防排水理论及应用研究 D 北京： 北京交通大学 ， 2 0 1 3 ZHUO Yu e Re s e a r c h o n t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o f w a t e r p r o o f a n d d r a i n a g e s y s t e m o f s h a l l o w t u n n e l s w i t h d ri l l i n g a n d b l a s t i n g m e t h o d D B e i j i n g ：B e ij i n g J i a o t o n g Uni v e r s i t y， 2 01 3 1 3 潘世建 厦门翔安海底隧道工程技术丛书 M 人民 交通 出版社 ， 2 0 1 1 5 P A N S h ij i a n g T h e b o o k s o f e n g i n e e ri n g t e c h n o l o gy o f X i a me n X i ang a n s u b s e a t u m n e l M B e i j i n g ：C h i n a Co mmun i c a t i o ns Pr e s s，2 01 1 1 4 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0，De s i g n o f c o n c r e t e s t n c c t u r e s S 1 5 王金 昌， 陈页开A B A Q U S在 土木工程 中 的应用 M 杭州： 浙江大学出版社 ， 2 0 0 6 WANG J i n c h a n g， CHE N Ye k a i Ap p l i c a t i o n o f A B A Q U S i n t h e c u i l e n g i m e e r i n g M H a n g z h o u ： Z h e j i a n g U n i v e rs i t y P r e s s ， 2 0 0 6 1 6 徐帮树， 杨为民， 王者超 ， 等公路隧道型钢喷射混凝 土初期支护安全评价研究 J 岩土力学 ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 1 ) ： 2 4 82 5 4 XU Ba n g s h u， YANG W e i mi n，WANG，Z h e c h a o ，e t a 1 St ud y o f i ni t i a l s u pp o r t s a f e t y e v a l ua t i o n a b o u t s h a p e s t e e l r e i n f o r c e d s h o t c r e t e i n h i g h w a y t u n n e l J R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 1 ) ： 2 4 82 5 4 1 7 O r e s t e P P A n u m e r i c a l a p p r o a c h t o t h e h y p e r s t a t i c r e a c t i o n me t h o d for t h e d i me n s i o n i n g o f t u n n e l s u p p o r t s J T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o gy 2 0 0 7 ， 2 2 ( 2 ) ： 1 8 5 2 0 5 ( 编辑蒋学东 )