海底隧道复合衬砌水荷载与内力研究

《Water》：Research and Application of Water Load and Internal Forces in Composite Linings of Subsea Tunnels

　　

海底隧道衬砌上的水荷载受渗流、结构变形与注浆圈共同影响，然而既有解析研究常将各因素分离处理。研究人员建立了深埋海底隧道周边稳态饱和渗流的解析模型，将围岩、注浆圈、初期支护（primary lining）与二次衬砌（secondary lining）划分为不同水力区，各区赋予恒定渗透系数（permeability coefficient），并将解析结果与数值模拟对比，吻合良好。参数分析表明：增大注浆圈厚度或降低其渗透系数可减小二次衬砌背后水压力及衬砌应力，该效应在较高允许排水量下更显著，但超出一定参数范围后逐渐减弱。珠江口隧道（Zhujiangkou Tunnel）现场监测显示，衬砌背后水压力最大相对误差为6.89%，支持了所提解析方法的适用性。

研究背景方面，海底隧道承受持续高水压力与充沛地下水补给，弱围岩中过大外水压力可能超越衬砌承载力并形成渗流通道，威胁防水系统长期性能。山岭隧道多采用顺坡排水，而海底隧道依赖逆坡排水配合泵站抽排，排量过大会推高施工与运营成本。既有解析模型多将围岩、注浆圈、衬砌简化为均质或等效边界，未能充分耦合各结构层水力交互，且渗流分析与结构响应常割裂研究，难以直接评估由水压力诱发的衬砌内力。为此，研究人员以"堵水限排"为原则，开展能同时显式考虑围岩、注浆圈、初支与二衬水力属性及界面条件、并嵌入排水效应的解析研究。

该论文发表于《Water》，研究人员采用的关键技术方法包括：建立圆形隧道稳态饱和渗流圆柱坐标解析模型，基于达西定律（Darcy’s law）与拉普拉斯方程推导水头分布与单位长度排水量公式；构建轴对称弹性连续体位移-应力控制方程，引入渗流体积力与初支前预收敛系数（pre-convergence coefficient ω），通过位移连续与界面接触条件组装线性方程组求解界面接触压力；以珠江口隧道断层影响段为样本来源，采用FLAC3D建立三维流固耦合数值模型（围岩概化为含泥构造角砾岩），分三阶段迁移零孔压边界验证解析解；依托珠江口隧道DK47+740至DK74+760段现场监测（水压计、钢应力计、混凝土应变计）校核解析结果。

研究结果部分，2 解析方法中，2.1 基本假设给出各介质各向同性均质、平面应变、稳态渗流、二衬不透水等前提；2.2 基本模型定义R₀–R₄几何半径与H_n、P_n、K_m、E_m、ν_m等参数；2.3 解析解推导从瞬态饱和渗流控制方程退化为拉普拉斯方程，得水头h(r)与排水量q，由允许排水量q₀与最大排水量q_max关系确定限排工况，再将水压力代入轴对称弹性方程，联合位移连续与预收敛边界解出P₁–P₃及衬砌内力；2.4 计算流程汇总几何、渗流、力学、排水与ω等输入到输出的步骤。3 数值模拟验证中，3.1 数值模型采用160 m×160 m×100 m域、305400单元、等效排水层渗透系数K_eq表征盲管；3.2 注浆圈渗透系数变化显示K₄/K₃增大则水压系数下降、β应力折减系数减小，解析与数值差<5%；3.3 注浆圈厚度t_g由0增至5 m时，限排条件下水压系数与β均下降并趋平台，q₀≥0.3 m³/(m·d)时应力最大降幅约50%，解析与数值差<2%。4 珠江口隧道案例中，4.1 隧道概况给出长13.69 km、最大埋深115 m、穿越断裂带与弱风化花岗岩；4.2 应用效果显示断层段设计排水0.5 m³/(m·d)、注浆圈厚3.5 m，实测排水0.54 m³/(m·d)、二衬背后最大水压125.3 kPa，计算与监测最大相对误差6.89%，混凝土应力低于强度限值。

讨论与结论翻译：针对部分封堵与受控排水运行的海底隧道，研究人员提出评估二衬背后水压力及结构响应的解析方法，经数值模拟与珠江口隧道现场监测验证。主要结论如下：（1）限排条件下，增大注浆圈厚度或降低其渗透系数可减小二衬背后水压力与衬砌应力，数值验证中解析与数值差异低于5%，现场水压最大相对误差约6.89%；（2）无排水时注浆不降低静水压力，仅通过地层加固有限减小结构应力；（3）较高允许排水量提升衬砌水压与应力对注浆厚度及渗透系数的敏感性，但超出一定范围效益递减，故应经济选取注浆厚度、注浆渗透系数与允许排水的组合，而非单纯最大化厚度或最小化渗透系数。该研究为海底隧道堵水限排设计提供了可解析、可现场校核的水力-力学耦合评价工具。