海底盾构隧道全寿命抗震性能研究

本项目基于海底盾构隧道特点，结合理论分析、数值模拟、室内试验以及振动台模型试验等手段，开展海底盾构隧道全寿命抗震性能研究。通过反应位移法建立海底盾构隧道单/双层衬砌横向分析模型，对比分析单、双层衬砌在不同水平地震作用下隧道内力的分布情况和变形规律,计算表明管片变形、弯矩、轴力呈反对称分布在结构两侧，相同地震动水平时双层衬砌地震附加总内力值高于单层衬砌；建立复合式/叠合式双层衬砌三维实体数值模型，开展地震作用下管片结构与二次衬砌内力及位移的分布特征分析，相同工况下，复合式衬砌管片的轴力、弯矩和二衬的弯矩均大于叠合式衬砌，复合式二衬的轴力小于叠合式二衬轴力；根据相似理论开展单、双层衬砌模型地震响应振动台试验，研究地震作用下单、双层衬砌盾构隧道跨越软硬突变地层的纵向动力响应特征，结果显示：软硬突变地层加速度响应频谱表现出与均匀地层显著不同的“双峰值”现象，管片纵向应变峰值包络线出现明显的“三峰值”，结构应变受地层影响的区域分布于地层交界面两侧2.5-3.5倍隧道直径范围；建立海底盾构隧道不同服役龄期地震响应分析模型，导入不同荷载水平下，随着氯离子侵蚀时间增长隧道结构劣化的本构模型，采用动力时程法分析隧道结构劣化抗震性能，以隧道直径变形率作为圆形盾构隧道的性能量化指标，提出了适用于圆形盾构隧道各性能水平的量化指标；开展隔震材料室内试验，沥青系隔震层能够有效降低衬砌拉、压应力及变形量，隔震层厚度分别为5cm、15cm及30cm时，对应减震率为46.3%、50.4%和58.2%；采用数值模拟及振动台试验，对海底盾构隧道交叉结构地震动力响应特性进行研究，采用刚性连接时，主隧道纵向受影响范围约为3倍横通道宽度，柔性连接可降低结构各处的应变和内力，降低影响范围至1.5-2倍。研究成果可为海底盾构隧道的设计和施工提供重要参考，为今后大量海底盾构隧道全寿命周期的健康服役提供理论和技术支撑。 2100433B

我国连接各大沿海经济区海底隧道工程的规划、建设正渐入高潮，琼州海峡通道、渤海海峡通道等世界级海底隧道的建设已然临近，而我国沿海正处于世界上两大地震带之一的环太平洋地震带上，特别是渤海海峡、台湾海峡、琼州海峡均处于强震活跃区，且近期地震活动频繁，这促使我们更加关注我国海底隧道工程的地震安全性。本项研究结合近海工程场地的地震动特征、海洋地质体、海蚀和盾构隧道的特点，针对海底盾构隧道全寿命抗震性能，研究地震与海蚀耦合作用下，隧道主体与交叉结构的地震响应特征、盾构隧道双层衬砌相互作用力学机制、盾构隧道地震损伤机理及隧道抗震性能随服役龄期的变化规律等关键科学问题，以期建立海底盾构隧道不同服役龄期地震响应分析模型，探明二次衬砌对隧道抗震性能的影响，构建海底盾构隧道全寿命抗震性能评价方法，提出盾构隧道与交叉结构的抗减震措施及关键设计参数，为今后大量海底盾构隧道全寿命周期的健康服役提供理论和技术支撑。

《海底隧道全寿命安全监控量测技术》是在总结近年来我国隧道监控量测技术以及历时5年的厦门翔安海底隧道全寿命安全监测技术研究等多项科研成果基础上完成的，全书共分为7章，主要内容包括概述、海底隧道全寿命安全监测系统设计方法、海底隧道全寿命安全监测位移非接触量测技术、海底隧道结构应力及地震和耐久性监测技术、海底隧道全寿命安全监测控制及管理基准、海底隧道全寿命安全监测信息分析与反馈、海底隧道全寿命安全监测系统开发等。《海底隧道全寿命安全监控量测技术》内容丰富，具有很强的工程实用性。

《海底隧道全寿命安全监控量测技术》可作为公路、铁路和水工隧道监控、设计、施工和管理人员的参考用书，亦可作为土木工程专业（隧道方向）、隧道及地下工程专业本科生、研究生教材用书。

盾构法是土质或软岩地基中海底隧道建设的主要工程方法。海底盾构隧道在高水头和长期波浪、交通荷载及地震荷载等复杂动荷载作用下的隧道受力变形、沉降特性、防水机理和抗震性能尚不清楚，其建设和长期运营急需相关岩土工程设计理论支撑。 本项目针对海底盾构隧道设计中关键科学问题开展基础性研究。从研究潮波作用下海底盾构隧道周围与开挖面前方的孔压响应规律出发，分析了隧道渗透性对隧道周围海床内渗流场的影响，分析了不同潮波要素（波高、潮差、周期、水深）与土层参数对海底盾构隧道附近孔压响应、隧道涌水量、隧道掘进面极限支护压力的影响。通过将潮波循环作用抽象成理论模型中的力学要素，为海底盾构隧道掘进面的支护压力和衬砌外水土压力计算提供了思路。 基于海底隧道周围土体在复杂荷载下的弱化特性和渗透性变化，研究了海底高水头和海水环境对土体力学特性和渗透特性的影响，提出了交通荷载下考虑土体各向异性及非共轴特性的海底隧道沉降计算理论；研究了长期不均匀沉降作用下水下盾构隧道管片接缝的受力和变形机制，揭示了隧道接缝处弹性密封垫的防水失效机制，提出了盾构隧道长期运营中弹性密封垫的防水性能的评价体系，并提出工程对策。构建了非局部-Biot理论模型，得到地震波作用下海底深埋圆形隧道和浅埋圆形隧道的解析解。基于混合物理论，建立了准饱和土中的动力波动方程，导出了四种地震体波的波速及衰减的解析表达式。考虑到实际海床表面的不规则性，通过波函数展开法，求解了不规则海床表面的地震响应问题，获得了解析解。建立了P 波、S 波耦合作用下隧道地震响应模型，获得了随带衬砌和周边土体的应力和位移场的解析表达式。 本项目研究为海底盾构隧道研究提供理论依据和技术支持，为保障国家相关重大交通基础设施的安全提供科学化和前瞻性的理论基础。 2100433B

盾构法是土质或软岩地基中海底隧道建设的主要工程方法。海底盾构隧道在高水头和长期波浪、交通荷载及地震荷载等复杂动荷载作用下的隧道受力变形、沉降特性、防水机理和抗震性能尚不清楚，其建设和长期运营急需相关岩土工程设计理论支撑。. 本项目拟针对海底盾构隧道设计中关键科学问题开展基础性研究，提出波浪、强风暴潮循环作用下海底盾构隧道掘进面的支护压力和衬砌外水土压力计算方法；基于海底隧道周围土体在复杂荷载下的弱化特性和渗透性变化，建立隧道基础纵向沉降计算理论；揭示纵向不均匀沉降作用下水下盾构隧道管片接缝的受力变形机制、防水失效机理和水土流失机制；考虑长线隧道结构抗震多点不同输入的特点，研制多相多场耦合和水-土-隧道结构相互作用的抗震分析软件。本项目研究旨在建立海底盾构隧道岩土工程设计理论，为海底盾构隧道研究提供理论依据和技术支持，为保障国家相关重大交通基础设施的安全提供科学化和前瞻性的理论基础。