新型海底隧道模型试验系统的研制及断层涌水试验研究
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摘要
近些年来,随着我国基础建设事业的飞速发展,跨海交通越来越受到人们的重视,海底隧道因其在航运、水文地质等诸多方面的优势而得到空前繁荣。
海底隧道由于其修建位置的特殊性及复杂性,较普通山岭隧道具有更大的风险及难度,且研究难度较大。目前对它的研究仍停留在理论分析及数值模拟上,对于其模型试验方面的探索还比较少。本文针对这一研究空白,重点对海底隧道模型试验系统进行创新发展,对含断层的海底隧道工况进行模拟研究,并最终将其应用于青岛胶州湾海底隧道。本文在前人研究的基础上,主要开展了以下几方面的工作：
(1)在传统地质力学模型试验的基础上,基于流固耦合相似理论,通过大量对比试验,研制出围岩及断层新型流固耦合相似材料,其中围岩相似材料以水泥和凡士林作为胶结剂,砂、重晶石粉和滑石粉为骨料,硅油为调节剂；断层相似材料选择石膏和凡士林作为胶结剂,石英砂和滑石粉为骨料,考虑固体变形和渗透性相似条件,结合脆性破坏特征分析,解决了材料遇水崩解和模拟相似度差等问题。
(2)研发了新型可拓展海底隧道模型试验系统,主要由模型试验台架、水压控制加载系统、多元信息监测系统、模型试验数据采集及分析系统组成。模型试验台架以钢结构结合钢化玻璃为主要框架,整体尺寸：长×宽×高=3000mm×1200mm×2700mm,配以自主设计的渗水流速采集装置、实时显示系统,可模拟不同尺寸、类型要求的突涌水试验。
(3)基于上述新型流固耦合相似材料及海底隧道模型试验系统,开展了青岛胶州湾海底隧道断层突涌水试验,捕捉到了围岩及断层处的渗流场、位移场、应力场的微小信息变化,揭示了围岩及断层受力和变形的时空演化规律及断层涌水变化规律,再现了隧道开挖对隧道稳定性的影响,相似材料满足试验要求,模型试验系统稳定可靠。试验发现隧道开挖对围岩及断层的位移场、应力场和渗流场影响明显,各监测数据在开挖到监测面时,发生突变；在涌水发生时刻,也发生监测量的激增。随着开挖的推进,各监测量都经历了稳定、突变、稳定三个阶段。
In recent years, with the rapid development of the basic infrastructure of China, the cross-sea transport has raised more and more public attention. the Cross-Harbour Tunnel makes great progress because of its advantages in shipping, hydrogeology, and many other aspects.
Compared with ordinary mountain tunnel, Cross-Harbour Tunnel is difficult to research and has greater risk due to its particularity and complexity. Recently, the study still remains in the theoretical analysis and numerical simulation, and exploration of the model test is still in its infancy. For this research gap, the emphasis is developing the model test system of the undersea tunnel, simulating the project conditions of the Cross-Harbour Tunnel with fault and applying it in Qingdao Kiaochow Bay Subsea Tunnel, which make a series of research results.
(1) Based on traditional geomechanical model test and similarity theory of fluid-solid coupling, the research in this dissertation developed the new fluid-solid coupling similar materials of surrounding rock and fault, through large numbers of comparative test. The rock similar material uses cement and vaseline as cementing agent, sand, barite powder and talcum powder as the aggregate, silicone oil as modifier. While the fault similar material selects gypsum and vaseline as cementing agent, quartz sand and talcum powder as the aggregate. Considering the similar conditions of deformation and permeability, combined with the analysis of damage characteristics of brittle materials, the problem that the material disintegration in water has been solved.
(2) The research develops a new scalable model test bench, with the steel structure and toughened glass as the main framework. Overall dimensions:length*width*height=3000mm*1200mm*2700mm, suit with the independent design seepage flow acquisition device, can simulate the different sizes and types water inrush test. This test has also developed a software system which collects and analyzes the data.
(3) Based on the new fluid-solid coupling similar materials and the Subsea tunnel model test system, The Qingdao Kiaochow Bay Subsea Tunnel fault water inrush test has been done, which captured the information of the seepage field, displacement field, stress field of the surrounding rock and fault, reproducing the influence of tunnel excavation on the stability of the tunnel. The similar material meets the test requirements and the test system is stable and reliable. The test revealed that the excavation of the tunnel has a profound effect on displacement field, stress field and seepage field of the surrounding rock and fault, and the monitoring data have experienced three stages, which are steady stage, mutation stage and steady stage.
海底隧道由于其修建位置的特殊性及复杂性,较普通山岭隧道具有更大的风险及难度,且研究难度较大。目前对它的研究仍停留在理论分析及数值模拟上,对于其模型试验方面的探索还比较少。本文针对这一研究空白,重点对海底隧道模型试验系统进行创新发展,对含断层的海底隧道工况进行模拟研究,并最终将其应用于青岛胶州湾海底隧道。本文在前人研究的基础上,主要开展了以下几方面的工作：
(1)在传统地质力学模型试验的基础上,基于流固耦合相似理论,通过大量对比试验,研制出围岩及断层新型流固耦合相似材料,其中围岩相似材料以水泥和凡士林作为胶结剂,砂、重晶石粉和滑石粉为骨料,硅油为调节剂；断层相似材料选择石膏和凡士林作为胶结剂,石英砂和滑石粉为骨料,考虑固体变形和渗透性相似条件,结合脆性破坏特征分析,解决了材料遇水崩解和模拟相似度差等问题。
(2)研发了新型可拓展海底隧道模型试验系统,主要由模型试验台架、水压控制加载系统、多元信息监测系统、模型试验数据采集及分析系统组成。模型试验台架以钢结构结合钢化玻璃为主要框架,整体尺寸：长×宽×高=3000mm×1200mm×2700mm,配以自主设计的渗水流速采集装置、实时显示系统,可模拟不同尺寸、类型要求的突涌水试验。
(3)基于上述新型流固耦合相似材料及海底隧道模型试验系统,开展了青岛胶州湾海底隧道断层突涌水试验,捕捉到了围岩及断层处的渗流场、位移场、应力场的微小信息变化,揭示了围岩及断层受力和变形的时空演化规律及断层涌水变化规律,再现了隧道开挖对隧道稳定性的影响,相似材料满足试验要求,模型试验系统稳定可靠。试验发现隧道开挖对围岩及断层的位移场、应力场和渗流场影响明显,各监测数据在开挖到监测面时,发生突变；在涌水发生时刻,也发生监测量的激增。随着开挖的推进,各监测量都经历了稳定、突变、稳定三个阶段。
In recent years, with the rapid development of the basic infrastructure of China, the cross-sea transport has raised more and more public attention. the Cross-Harbour Tunnel makes great progress because of its advantages in shipping, hydrogeology, and many other aspects.
Compared with ordinary mountain tunnel, Cross-Harbour Tunnel is difficult to research and has greater risk due to its particularity and complexity. Recently, the study still remains in the theoretical analysis and numerical simulation, and exploration of the model test is still in its infancy. For this research gap, the emphasis is developing the model test system of the undersea tunnel, simulating the project conditions of the Cross-Harbour Tunnel with fault and applying it in Qingdao Kiaochow Bay Subsea Tunnel, which make a series of research results.
(1) Based on traditional geomechanical model test and similarity theory of fluid-solid coupling, the research in this dissertation developed the new fluid-solid coupling similar materials of surrounding rock and fault, through large numbers of comparative test. The rock similar material uses cement and vaseline as cementing agent, sand, barite powder and talcum powder as the aggregate, silicone oil as modifier. While the fault similar material selects gypsum and vaseline as cementing agent, quartz sand and talcum powder as the aggregate. Considering the similar conditions of deformation and permeability, combined with the analysis of damage characteristics of brittle materials, the problem that the material disintegration in water has been solved.
(2) The research develops a new scalable model test bench, with the steel structure and toughened glass as the main framework. Overall dimensions:length*width*height=3000mm*1200mm*2700mm, suit with the independent design seepage flow acquisition device, can simulate the different sizes and types water inrush test. This test has also developed a software system which collects and analyzes the data.
(3) Based on the new fluid-solid coupling similar materials and the Subsea tunnel model test system, The Qingdao Kiaochow Bay Subsea Tunnel fault water inrush test has been done, which captured the information of the seepage field, displacement field, stress field of the surrounding rock and fault, reproducing the influence of tunnel excavation on the stability of the tunnel. The similar material meets the test requirements and the test system is stable and reliable. The test revealed that the excavation of the tunnel has a profound effect on displacement field, stress field and seepage field of the surrounding rock and fault, and the monitoring data have experienced three stages, which are steady stage, mutation stage and steady stage.
引文
[1]王梦恕等.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010.
[2]王育奎.海底隧道渗流场分布规律及涌水量预测方法研究[D].济南：山东大学,2011.
[3]张顶立.海底隧道不良地质体及结构界面的变形控制技术[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11)：2161-2168.
[4]宋克志,王梦恕.国内外水下隧道修建技术发展动态及其对渤海海峡跨海通道建设的经验借鉴[J].鲁东大学学报(自然科学版),2009,25(02)：182-187.
[5]张明聚,郜新军,郭衍敬.海底隧道突水分析及其在翔安隧道中的应用[J].北京工业大学学报,2007(03)：273-277.
[6]田元进,郭小红,廖朝华等.大连湾海底隧道工程方案比选[J].中外公路,2008(03)：124-128.
[7]宋克志,邓建俊,王梦恕.烟大渤海海峡隧道的可行性研究初探[J].地下空间与工程学报,2007,04(01).
[8]石新栋,皇甫明,谭忠盛,王秀英.跨琼州海峡隧道方案的探讨[J].隧道建设,2010,v.30；No.13706：625-628.
[9]程振廷,王安媛.跨琼州海峡铁路隧道初议[J].现代隧道术,2008,45(S1)：27-33.
[10]谭忠盛,王梦恕,张弥.琼州海峡铁路隧道可行性研究探讨[J].岩土工程学报,2001,02：139-143.
[11]王梦恕.台湾海峡海底铁路隧道建设方案[J].隧道建设,2008,12(05)：17-526.
[12]徐增德,刘恺.台湾海峡海底隧道建设构想的多目标规划[J].福建师大福清分校学报,2009,9(05)：48-52.
[13]徐继源.日本海下隧道[J].隧道译丛,1990,(5)：54-56.
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[17]薛世峰,仝兴华,岳伯谦,董波,宋惠珍.地下流固耦合理论的研究进展及应用[J].石油大学学报(自然科学版),2000,02：109-114+2.
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[19]朱合华,徐前卫,傅德明等.地层适应性盾构模型试验设计方法初探[J].岩土力学,2006,27(09)：1437-1441.
[20]吴成刚,何川,李讯等.高地应力下隧道结构力学的模型试验研究[J].现代隧道技术,2008S(8)：250-255.
[21]张强勇,陈旭光,林波等.高地应力真三维加载模型试验系统的研制及其应用[J].岩土工程学报,2010,32(10)：1588-1593.
[22]候忠杰,张杰.陕北矿区开采潜水保护固液两项耦合实验及分析[M].湖南科技大学学报,2004,19(4)：1-5.
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[27]林韵梅.实验岩石力学—模拟研究[M].北京：煤炭工业出版社,1984,(2)：1-3.
[28]王汉鹏,李术才,张强勇等.新型地质力学模型试验相似材料的研制[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9)：1842-1847.
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[31]Jacoby WR,Schmeling H.Convection experiments and driving mechanism [J].Geol Rundsch,1981,(70):207-230.
[32]贺显群,刘志祥,李夕兵,陈红江,彭述权.流-固耦合相似材料的研究[J].矿冶工程,2010,30(4)：22-26
[33]李术才,周毅,李利平.地下工程流-固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用[J].岩石力学与工程学报,2012,31(6)：1128-1137.
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[35]梁大开,陶宝祺,李长春.埋入式光纤应变传感器[N].南京航空航天大学学报,1994,26(6)：842-849.
[36]李乐,侯正信.光纤应变传感器的设计[N].电子测量与仪器学报,2004,18(4)：70-76.
[37]王静,刘斌,隋青美等.新型FBG渗压传感器在隧道涌水模型中的应用[J].光电子·激光,2009,20(10)：1286-1289.
[38]汤平,李端有,马水山.光纤渗压计实验研究[N].长江科学院院报,2000,17(4)：52-55.
[39]陈玉,王幼民,许德章.光纤位移传感器的研制与应用[J].仪表技术与传感器,2007(9)：1-3.
[40]蔚立元,李术才,徐帮树等.水下隧道流固耦合模型试验与数值分析[J].岩石力学与工程学报,2011,30(7)：1467-1474.
[41]李树忱,冯现大,李术才等.新型固流耦合相似材料的研制及其应用[J].岩石力学与工程学报,2010,29(2)：281-288.
[42]蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社,2002.
[43]K Kovari, et, al. ISRM suggested methods for determining the strength of rock material in triaxial compression. J.Rock Mech. Min.Sci. & Abstr.,20:285-290,1983.
[44]徐芝纶编.弹性力学[M].北京：人民教育出版社,1980.
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