一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值。

【技术实现步骤摘要】
一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法
本专利技术涉及一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法。
技术介绍
我国海岸线绵长，海峡与海湾的存在将大陆与大陆之间隔开，造成了很大的交通障碍，给人们的出行带来诸多不便，也形成了一定的文化差异。随着人类工程修建水平的提高，逐渐出现了很多跨越海峡与海湾的方式，如轮渡、桥梁以及修建海底隧道，而海底隧道以其受气象条件影响小、抗震性能好等独特的优势在诸多跨越方案中成为首选方式。随着国家经济的不断发展，我国有多条海底隧道处于运行或规划建设阶段，例如：厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾隧道、琼州海峡海底铁路隧道、大连市区海湾海底隧道、渤海湾大连至烟台海底铁路隧道、台湾海峡海底隧道等。海底隧道的开挖方法多种多样，因地而异，主要有钻爆法、沉管法、掘进机法(盾构法、TBM法)等。国外已修建的海底隧道的施工方案中，钻爆法被广泛采用，例如日本的青函隧道、关门铁路隧道，我国已建成通车的厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾隧道均采用钻爆法施工。海底隧道采用钻爆法施工时，海床平面与隧道拱顶之间合理的岩土层厚度十分重要，它不但是纵断面设计中的关键因素和稳定性支撑结构，更是海水的渗流途径和防止突水的自然屏障。隧道埋深过小将会增加隧道失稳的可能，也会造成隧道涌水量增加，直接影响施工安全；反之，如果隧道埋深过大，作用于隧道衬砌结构上的水压力也相应增加，这便意味着隧道长度的增加，后果便是隧道造价及运营成本的升高。因此，确定合理的隧道埋置深度直接影响海底隧道的施工安全和隧道整体造价，是海底隧道设计规划的核心参数与关键指标。世界范围内，自二十世纪三十年代修建海底隧道开始，在确定钻爆法修建海底隧道合理埋置深度时，一直缺少一套完整的、成熟的、系统的计算方法来计算估计海底隧道的合理埋置深度，由于影响钻爆法修建海底隧道合理埋深的因素众多，包括水土压力、围岩稳定性、隧道涌水量、断裂损伤、流固耦合、海水渗流、地震荷载、爆破荷载、地质条件、注浆加固条件、海水侵蚀、工程经验、地基沉降等等，难以将这些影响因素综合考虑。现阶段，在确定钻爆法修建海底隧道合理埋深时大多采用工程类比法，此方法存在的问题是：一方面，由于工程类比的特殊性，难以确定出一套统一的类比推算操作步骤，使得此方法步骤繁琐、使用不便，增加估算难度；另一方面，任何一条海底隧道修建的场地条件、施工方法、设计概况等影响其合理埋深的因素不可能完全与已修建隧道的条件相仿，影响隧道合理埋深的主要因素存在差异性，即影响隧道合理埋深的因素所占的权重不同，而工程类比法难以将各影响因素的权重考虑在内，因此工程类比法直接暴露出其计算结果有误差的弊端；此外，挪威建设海底隧道经验方法、日本最小涌水量经验法等工程类比法确定的隧道埋深值往往会产生一定误差或取值偏于保守。因此亟需一种完整的、系统的钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，本专利技术综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算根据工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全等单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值，为海底隧道的钻爆法施工提供参考。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值。进一步的，进行岩土工程勘察，收集隧道选线区域的地质文献资料，进行详细的工程地质测绘、工程地质物探和工程地质钻探，调查隧道选线地域的地形地貌、地质构造、气象条件、岩层性质、不良地质分布与水文条件要素，并进行原位实验及室内实验等，获取相应的土力学、水力学参数。岩土力学实验包括抽水和压水实验、孔内波速实验、单轴抗压试验和三轴剪切试验，以获取岩层物理力学参数及渗透性参数。海底隧道的岩土工程勘察应结合海底隧道超前预报技术，根据海底隧道具体的地质条件，确定超前预报方法。进一步的，利用工程类比法进行土力学、水力学参数综合比选，得到确定出的隧道初始埋深值作为参照。进一步的，工程类比法包括顶水采煤值法、挪威修建海底隧道经验值法或日本最小涌水量法。进一步的，分别考虑围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破振动荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全及其他影响因素，确定出各单一因素主导影响下的隧道合理埋深值。对围岩的应力分布进行计算与分析，利用数值分析软件模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深产生的不同时效变形、应力状态的变形特性和力学响应，分别确定不同隧道埋深值下的隧道塑性区的范围，由此得到由围岩稳定性确定的隧道埋深值。由岩石断裂损伤确定海底隧道埋深值时，运用断裂力学及损伤力学理论，运用断裂损伤三维有限元计算机软件，模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深引起的隧道塑性区和节理损伤演化区的响应，由此得到由岩石断裂损伤确定的隧道埋深值。由爆破振动荷载和地震荷载确定海底隧道埋深值时，在围岩稳定性分析、岩石断裂损伤分析的基础上，运用计算机软件模拟分析拟建海底隧道的震动造成的动力响应及应力状态的变形特性，进行循环计算，得到由爆破振动荷载确定的隧道埋深值。由排水设计与成本确定海底隧道埋深值时，考虑隧道涌水量对排水设计与成本的影响，最小涌水量对应最小排水设计成本，综合运用日本最小涌水量数值计算与海底隧道流固耦合实验，确定最小涌水量对应的隧道埋深值。由隧道施工安全确定海底隧道埋深值时，进行海底隧道流固耦合模型试验，得到模型在不同隧道埋深下的位移、应力和渗透性参数，并进行隧道涌水量的模拟预测，以此获得由隧道施工安全确定的海底隧道埋深值。进一步的，根据钻爆法海底隧道的施工场地条件，进行多层次因素综合分析，分析各影响因素对拟建海底隧道埋深的重要性关系，根据层次分析法计算出各影响因素的权重值。具体包括：建立递阶层次结构，用影响钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素两两重要性程度之比的形式表示出任意两个影响因素的相对重要性程度的等级，按钻爆法施工海底隧道合理埋深的影响因素的两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵，进而进行一致性检验，利用几何平均法计算各影响因素的权重值。进一步的，影响因素还可包括环境保护要求、海水侵蚀、工程造价、工程项目管理、海水潮汐和施工技术水平中的任一或多种。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算根据工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全等单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值，为海底隧道的钻爆法施工提供参考，形成了完整、系统的计算方法。本专利技术克服了钻爆法修建海底隧道时影响因素众多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值。

【技术特征摘要】
1.一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：综合考虑施工场地的水文地质与工程地质条件，分别计算在工程类比法、围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破荷载与地震荷载、排水设计与成本和隧道施工安全的单一因素影响下的隧道埋深，层次分析各影响因素的重要性，采用权重分析法对钻爆法修建海底隧道时合理埋深的影响因素进行权重计算，由此得到钻爆法修建海底隧道的合理埋深值。2.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：进行岩土工程勘察，收集隧道选线区域的地质文献资料，进行详细的工程地质测绘、工程地质物探和工程地质钻探，调查隧道选线地域的地形地貌、地质构造、气象条件、岩层性质、不良地质分布与水文条件要素，并进行原位实验及室内实验，获取相应的土力学、水力学参数。3.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：岩土力学实验包括抽水和压水实验、孔内波速实验、单轴抗压试验和三轴剪切试验，以获取岩层物理力学参数及渗透性参数。4.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：分别考虑围岩稳定性、岩石断裂损伤、爆破振动荷载与地震荷载、排水设计与成本、隧道施工安全及其他影响因素，确定出各单一因素主导影响下的隧道合理埋深值。5.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：对围岩的应力分布进行计算与分析，利用数值分析软件模拟分析钻爆法修建海底隧道时不同隧道埋深产生的不同时效变形、应力状态的变形特性和力学响应，分别确定不同隧道埋深值下的隧道塑性区的范围，由此得到由围岩稳定性确定的隧道埋深值。6.如权利要求1所述的一种钻爆法修建海底隧道合理埋深的计算方法，其特征是：由岩石断裂损伤确定海底隧道埋深值时，运用...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛翊国，公惠民，曲传奇，张开，葛尚奇，郭永建，李广坤，马新民，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37