海底隧道不同防排水条件下衬砌结构开裂情况研究

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发布时间：2021-08-25

资料介绍

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 I4 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I9-11]。

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2010—10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

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