海底隧道覆盖岩层失稳机理及最小岩石覆盖厚度分析方法研究

海底隧道坍塌失稳是灾难性的，研究覆盖岩层失稳机理及最小岩石覆盖厚度分析方法，保证海底隧道施工安全具有重要意义。以青岛胶州湾隧道工程为背景，拟通过室内实验、现场实验、数值计算和理论分析等手段，收集试验段的勘察、设计和施工等技术资料，开展室内渗透试验、地质素描、钻孔摄像、失稳模型试验研究。研究在稳定海水作用下覆盖岩层裂隙发育和扩展规律，构建覆盖岩层裂隙网络并计算其渗透张量。采用岩体动力学原理研究覆盖岩层在爆破振动、开挖卸荷动力作用下的损伤渗透演化机理，对原始渗透张量进行修正。建立覆盖岩层流-固耦合损伤演化方程，编制三维有限元程序，模拟海底隧道覆盖岩层在海水压力、渗透压力、爆破振动和开挖卸荷作用下破坏过程，研究覆盖岩层失稳机理。建立覆盖岩层稳定性的承压拱力学模型。综合考虑多种因素对覆盖岩层稳定性的影响，修正承压拱力学模型，建立最小岩石覆盖厚度的分析方法。

以在建的青岛胶州湾隧道工程为背景，广泛调查国内外海底隧道覆盖岩层失稳案例，总结和分析了海底隧道失稳的影响因素。开展室内实验、现场实验、数值计算和模型实验，研究了在稳定海水作用下覆盖岩层裂隙发育和扩展规律，构建了覆盖层裂隙网格，得到裂隙网格各向异性渗透张量。采用岩体动力学原理研究了覆盖岩层在爆破振动、开挖卸荷动力作用下的损伤渗透演化机理，修正理论推导的裂隙岩体渗秀张量。建立了覆盖岩层流-固耦合损伤演化方程，编程制了有限元程序。运用数值模拟方法进一步研究了覆盖岩层失稳机理。建立了覆盖岩层稳定性的承压拱力学模型。研制了流-固耦合相似材料，解决了传统相似材料遇水易崩解的技术难题。研制海底隧道模型实验台架、加水密封系统和信息采集系统，开展实验研究，得到了海底隧道覆盖岩层渗流、变形规律。对大量数值模拟计算结果进行分析，提出了最小位移法、强度折减法、离心机法最小岩石覆盖厚度判别准则，建立了最小岩石覆盖厚度的分析方法。