台山核电取水隧道科研立项申请表Word文档下载推荐.docx

1、3、社会发展；4、其他预期主要成果形式1、论文论著；2、研究报告；3、新产品；4、新设备；5、新材料；6、新工艺或方法；7、软件；9、其他。主题词（不超过三组）海底隧洞、泥水盾构、复合地层经费合计（万元）申请股份公司拨款 自 筹 其 他单位概况申请单位名称单位性质 1-公司本部；2-附属单位；3-派出机构；4-分公司； 5-合资公司；6-其它。单位详细地址职工总数正高工 高 工 中 级 初 级博 士研究生主要参加人员 姓 名 性 别 出生年月 学 历职务/职称工作单位全时率内 容 提 要 （ 不 超 过 400字 ）广东台山核电站一期工程1、2号引水隧道工程是我国第一条采用盾构法施工的海底隧道

2、。隧道由两个长度为4.3306km，直径9.03m的水下隧道组成，两端分别联接大襟岛和台山陆地，基岩地层以陆端的燕山期花岗岩和大襟岛端泥盆系粉砂岩、角岩组成，中、强风化带上覆盖有淤泥、粉砂、粗砂、粘土软弱沉积层。隧道穿越多条断层，两端约270m为、级基岩，采用钻爆法施工，中间4061（4058）m为级及以下围岩，采用盾构法施工，衬砌结构采用双层复合衬砌。海底隧道穿越地层是典型的复合地层，盾构施工面临巨大的安全风险，直接影响施工安全、质量与进度。目前，盾构法施工在陆域地铁建设中积累了大量经验和技术成果，对于复合地层，盾构法施工技术在广州和深圳地铁建设中获得了良好的技术经济效果。但海域盾构法施工无

3、形中增加了施工的难度和风险，许多陆域盾构施工中研发的成果和积累的经验无法直接推广应用于海域盾构施工中。对于水下复合地层盾构法施工，目前国内外尚无成功的工程实例可供参考。本课题拟围绕泥水盾构开挖面稳定、长距离盾构施工纵向稳定性与施工控制、复合衬砌环向与纵向受力、孤石群精准探测与预处理技术、长距离海底隧道盾构施工风险管理等5个专题开展研究，通过海底隧道盾构施工关键技术的深入研发，直接指导台山核电取水隧道的施工，保证本工程的顺利建设，通过直接参与课题研究培养一批技术骨干，为集团储备技术力量，同时研发成果将为类似工程提供技术参考，积累施工经验，预期将收到良好的技术经济效果。国 内 外 现 状1、海底隧

4、洞复合地层泥水盾构施工开挖面稳定性国内外研究现状在盾构工法应用较早的国家如日本、德国、英国、荷兰及法国等，关于开挖面稳定相关理论研究已经取得不少研究成果，与之相比，我国盾构施工技术起步较晚，相关研究还处于初始阶段。盾构施工开挖面稳定相关研究主要包括极限切口水压或土仓压力的确定、开挖面破坏模式及机理研究、开挖面支护压力控制与施工对周围环境影响的理论研究等。1.1理论分析研究目前，开挖面稳定性理论研究主要侧重于开挖面极限支护压力的确定。国内外学者在分析开挖面失稳破坏模式的基础上提出了许多计算模型。根据开挖面失稳破坏机理，开挖面极限支护压力的计算模型主要分为微细观分析模型和宏观力学分析模型，其中宏观

5、力学分析模型大体又分为塑性极限理论分析方法及基于仓筒理论的楔形体力学分析模型。（1） 微观破坏分析模型该模型主要分析泥水盾构法在无黏性或低黏性地层中开挖面土体单个颗粒由于重力作用失去稳定脱离整个土体，而相邻颗粒随后继续失去稳定，逐渐发展最终导致局部或整个开挖面破坏。H. Mller-Kirchenbauer（1977）通过分析泥水盾构开挖面上某一微小的无黏性土单元在重力及支护泥水介质作用力的相互关系，并且利用悬浊液屈服强度与提供的颗粒黏滞阻力梯度关系，得到满足颗粒稳定所需的支护泥水介质的屈服强度。型来分析盾构隧道开挖面的极限支护力。盾构施工中，当压力舱内泥水（或塑流状渣土）作用于开挖面土体时，

6、支承介质会渗入到开挖面一定深度，一方面影响支护力的大小及分布，另一方面导致开挖面地层超孔隙水压力的产生。Monnet J& Chaffois S（1989）对砂砾地层条件下支护介质渗入、孔隙压力变化及有效支护压力减小3者相互作用对开挖面的稳定影响结合楔型体受力模型做了详细分析，此研究取得了较为合理的结果。Anagnostou G & KovriK （1994，1996）利用同样的计算模型，把理想状态下泥膜看成是不透水的“密封”，研究了地层抗剪强度、地层渗透系数、泥水黏度、泥水重度、泥水压力、隧道的几何尺寸及开挖面稳定性安全系数的相互关系，并重点分析了泥水渗入地层的时间效应。魏纲（2005）进一

7、步修正了三维楔型体模型，假定开挖面失稳时滑动块形状为一梯形楔型体，而不是三角形楔型体，滑动块体上部为一梯形棱柱土体，该模型最小支护力计算结果比三维楔型体模型计算结果小，更接近离心模型试验结果。由于三维模型计算较为复杂，为了简化计算，日本Fujita（1995）提出了二维对数螺旋线滑动模型，假定盾构前方因开挖释放而形成滑动面，由洞顶的滑动宽度求出盾构前进方向的松弛范围，计算出松动土压力，然后假定开挖面前部的滑动面始于开挖面下部，拱顶高度为铅直的对数螺线滑动面，通过假定各种松动范围，利用绕对数螺线中心O旋转得力矩平衡得到求解支护压力方程，即可求出最大的控制水平力极为满足开挖面稳定的极限支护压力。1

8、.2 模型试验研究理论分析得出的极限支护力的合理与否需要经过现场实际工程的检验，然而现场工程中开挖面的失稳应尽量避免，鉴于此，模型试验在盾构隧道开挖面稳定性的研究中得到了广泛的应用。Chambon & Corte（1994）通过离心试验模拟均质砂土层中开挖面支护压力（两种施加模式）逐渐减小，研究不同埋深情况下开挖面的破坏形式。Atkinson & Potts （1977）应用了1g离心模型试验，假定隧道横断面为平面应变，研究了砂土中无衬砌隧道发生坍塌的极限支护压力问题；Mair（1979，1997）在总结前人研究成果的基础上，在黏土地层进行了盾构隧道开挖面稳定相关离心试验研究。国内由于离心试验

9、模型设备的限制，使得模拟盾构施工离心试验比较少。从已有的研究现状可以看出，国内外进行的比较多的是小尺寸的模型试验，而且多是针对土压平衡盾构开展的开挖模拟试验，对泥水盾构水下隧道的动态开挖模拟试验研究刚刚起步。对支护压力过大导致开挖面支护介质突然消失的研究（浅覆土江中段开挖面失稳）有待深入。（4） 在强透水地层中，土体中的渗流力对开挖面的稳定有着较大的影响，结合土体的渗透性考虑开挖面水土作用耦合作用更为符合工程实际，目前此类问题研究有待深入。（5） 盾构隧道开挖面失稳的发展与施工参数（如掘进速度、排土速度或排泥速度、切口压力等）密切相关，而这些因素则是工程中更为关心的问题，考虑掘进参数对开挖面稳

10、定性的影响更有现实意义。2、高水压复合地层长距离海底隧洞泥水盾构施工纵向稳定性分析及施工控制研究国内外对盾构隧道的衬砌设计理论研究主要集中在衬砌结构上的外荷载的确定、结构与地层之间相互作用模型、衬砌结构的试验方法和力学模型的建立等方面，并有较多的研究成果；但是对于在大直径、复杂水文地质条件下大型跨江海盾构隧道工程的研究还不多见，是当前一段时期内急待解决、也必须解决的技术难题。通常隧道设计视为平面应变状态，以横断面的受力状态为设计依据,它的纵向受力状态一般不作考虑。我国地下铁道及铁路隧道设计规范中推荐使用荷载结构模型，而未考虑纵向沉降的影响；在上海市地基基础设计规范1999版中对盾构隧道纵向沉降

11、进行了一定的考虑，提出盾构隧道纵向不均匀沉降的影响是不可忽视的，尤其是盾构工作井和区间隧道的连接处，隧道底部下卧土层特性及分层突变处，覆土厚度急剧改变处等，都会有较明显的不均匀沉降，并提出在设计中应按照预估的沉降差，设置适量的沉降缝。对处于高水压复杂地层中的盾构隧道而言，其结构本身是由管片在环向和纵向通过螺栓连接而成的非连续性柔性结构，隧道与周围土体存在复杂的共同作用，隧道埋深、地层沿隧道纵向分布的情况、作用在隧道纵向上的荷载等也并非一致。目前，通过现场实测、解析计算、数值模拟等研究手段，在盾构隧道纵向沉降的诱发因素及防治措施、隧道纵向有效刚度、隧道与土体间的共同作用模型等方面进行了大量的研究

12、，已取得了一些成果，但还远远不足以应用到设计和指导施工。目前对盾构隧道进行纵向结构分析的理论模型，一般假定隧道横向为匀质圆环，以弹簧模拟隧道与土体的相互作用。尽管隧道的纵向结构问题是一个三维问题，计算相当复杂，但目前大多数纵向结构分析主要将隧道纵向问题视为一维问题，忽略横向变形的影响，将隧道简化为一维弹性地基模型进行求解。现有理论分析方法有以下几种：纵向梁-弹簧模型、纵向等效连续化模型、改进纵向等效连续化模型、三维骨架模型、土与隧道间的相互作用有限元模型、梁-接头不连续模型与管片环间剪切模型、隧道纵向结构与土体共同作用的解析模型、隧道纵向结构三维壳-弹簧数值模型。现有的分析模型多仅对衬砌管片进

13、行分析，并未考虑环向、纵向变形对复合衬砌结构内衬的影响，更未考虑在施工过程中整个衬砌管片结构的持续变形以及这个变形对内衬施做时机的影响。这些理论分析模型未充分考虑在施工过程中，在盾构机掘进过程中对衬砌结构的轴线压力作用下，由于盾构机姿态控制和上浮控制误差对整个衬砌结构的纵向稳定性问题的研究。因此，对使用期较长的长大盾构隧道展开纵向稳定性和纵向结构的分析方法和对施工过程中盾构掘进以及内衬施做时机的分析，已是长大隧道设计中已经面临和必须解决的问题。3、盾构掘进前方孤石探测与超前处理技术研究现状地下孤石（球状风化岩）或孤石群是复合地层的典型代表之一，也是目前盾构施工过程中遇到的最大难题之一。针对盾构

14、过孤石（群）时的施工问题，尽管采取了许多措施，在一些问题上有所突破，但总体效果不是很理想，目前仍处于摸索阶段，并且尚未找到一种切实有效的施工方法。孤石（球状风化体）是发生在花岗岩残积层、全风化及强风化层中或由于重力和水力搬运作用下形成的一种常见地质现象，就是在风化程度较高的岩层或残积地层中夹杂有风化程度较低的球状体，是一种球状类未完全风化物，其主要特征是：（1）体量小，一般直径从几十厘米至几米不等；（2）孤石与周围岩体强度相差甚大，周边风化或残积土层的强度要小很多，孤石的单轴抗压强度大部分为80120Mpa，甚至更高；（3）孤石大部分赋存在全风化强风化岩体或残积土层中，空间分布具有较大的随机性

15、，很难找到规律性，对其存在的可能性及确切的位置难以预测。上述有关孤石的探测和超前处理技术都是针对陆域盾构隧道，广东台山核电站一期工程1、2号引水隧道工程是我国第一条采用盾构法施工的海底隧道，目前尚无针对海域盾构隧道孤石的探测和超前处理的成功经验可以借鉴，水域孤石勘探通常比陆上更复杂、施工难度更大，而详勘和补勘结果发现隧道穿越地层约60%的区域分布有孤石，将对于泥水盾构施工带来难以接受的巨大风险，将直接影响施工安全、质量与进度。对复合地层盾构机适应性问题的探讨，以及进行复合地层盾构施工技术研究，至今仍是世界隧道建设中的重大课题。因此，对盾构掘进中孤石的超前探测、破碎和预处理技术进行研究，将对降低

16、工程风险，确保施工安全和进度很有益处。4、海底隧洞复合衬砌结构环向与纵向受力分析及内衬施做时机影响分析研究然而，大量的工程实际表明，在软土地基上用盾构法修建的隧道，由于纵向荷载分布不均匀、地基不均匀沉降、临近隧道打（压）桩、地震引起的砂土液化等许多因素引起隧道的纵向弯曲，从而导致接缝张开，并产生渗漏水事故。因此，对软土地层盾构隧道纵向沉降的性态及相应控制方法进行研究不仅在设计方面具有一定的理论价值，而且在施工中也具有相当大的实用价值，开展盾构隧道结构纵向设计的相关问题研究具有重大现实意义。台山海底隧道所处地形复杂多变，地质条件较为复杂，本工程的盾构需掘进全岩地段、半岩半土段、全土段及半土半砂段

17、；掘进的岩石段包括中风化、强风化、全风化花岗岩和粉砂岩段，土层段包括粘土、粉质粘土、粉砂混粉质粘土、砾砂混粉质粘土、粗砾砂等多种地层，其中需要通过含微承压水的砂层段、饱和软粘性土地段。大襟岛侧矿山法隧洞段受到f6断层的影响，易发生涌水、突泥和坍塌。总体来讲，工程地质条件相对复杂。在这种复杂的地层中，衬砌结构的受力极为复杂，不能仅仅按照常规的平面应变模型来进行分析，必须考虑衬砌结构管片在隧道轴线纵向的受力情况。此外，在复杂地层中，衬砌结构受纵向的地质条件和岩土性质影响，会产生不同程度的不均匀沉降，这就会导致衬砌结构在沿隧道轴线方向的受力不均，如果但这种沉降未稳定时，施做内衬，将会使内衬或内部结构

18、承受较大的应力影响，从而使内衬或内部结构出现开裂甚至渗漏现象，这在上海崇明越江隧道中已有发生。因此在不同地质条件下，考虑土介质流固耦合、土-隧道结构相互作用等因素，分析高水压作用下衬砌管片环向和纵向的受力规律，并在此基础上，提出合理的内衬施做时机，以确保隧道工程的顺利完成。5、海底隧洞泥水盾构施工风险管理技术与应用研究现状自上个世纪70年代以后，风险分析在地下工程项目领域的应用研究取得了一定的成果。然而主要以理念的建立和定性的研究为主，定量的研究主要侧重于结构和岩土体介质材料的可靠度计算方面。90年代，在丹麦发生了哥本哈根地铁工程坍塌事件，人们把注意力集中到和地下工程相关的大型工程风险分析上。

19、从此以后，在西方发达国家风险管理逐渐成为大多数地下工程项目必要的组成部分。进入90年代中后期，工程安全风险管理在地下工程中的应用研究在美国、欧洲正在积极开展。国际隧道协会（ITA）于1999年成立研究小组，在大量的研究、讨论和调查后，于2003年完成了隧道风险管理指南，该事件成为地下工程项目风险管理的里程碑。指南的目的在于对所有从事隧道和地下工程的人员提供风险识别和管理的指导，为隧道工程的风险管理提供了一套参照标准和方法。它为业主和承包商提供了从设计到竣工运营整个工程实施过程中各阶段的风险管理目标（风险接受标准、定性的风险评估）等，并指出，目前的风险管理过程可以进一步通过在地下工程发展过程中采

20、用系统的风险管理技术加以改进。目前，风险管理正成为国际上大型项目建设发展中的一个例行程序。主 要 研 究 内 容 与 研 究 方 法专题1：复合地层海底隧洞泥水盾构施工开挖面稳定技术研究（1） 泥水盾构施工开挖面稳定性理论研究考虑到大直径水下盾构开挖面前方土体的复杂性，研究盾构施工中开挖面前方土体位移产生的应力传递效应，寻求大断面隧洞开挖时盾构前方土压力的更合理计算方法，从而确定大直径盾构开挖时的泥水压力设定值；基于盾构隧洞开挖面失稳形式，建立改进的楔型体模型，考虑滑动面的形状、泥水渗入地层影响及产生超孔隙水压影响，对模型各参数进行敏感性分析，进一步明确开挖面失稳破坏模式及其发展过程。（2）

21、泥水盾构施工开挖面稳定性模型试验研究开展不同土层、埋深、直径、水压力、支护压力和刀盘结构等条件下开挖面稳定性的室内模型试验研究，研究分析以上各因素对大直径水下盾构开挖面稳定性的作用规律。（3） 泥水盾构施工开挖面稳定性数值仿真试验基于大型三维数值仿真软件FLAC3D和ADINA等，研究掘进参数（地层条件、隧洞埋深、隧洞直径、支护压力和刀盘结构等）对大直径水下盾构隧洞开挖面稳定性的影响，并于模型试验结果相互验证；建立不同开挖面支护压力与隧洞围岩的变形与破坏关系，研究不同土层及隧洞情况下，开挖面支护压力控制对盾构掘进的影响。（3） 泥水盾构施工开挖面稳定性控制措施结合开挖面稳定分析研究成果，对台山

22、核电取水隧洞盾构工程的开挖面稳定性进行分析，盾构推进参数，为施工掘进及刀具更换过程中开挖面支护压力的调控提出相关建议，提出大直径水下盾构开挖面稳定性的施工控制措施。专题2：海底隧洞泥水盾构纵向稳定性及施工控制研究（1）长大盾构隧洞施工过程中纵向稳定性分析建立隧洞纵向地层性态的类别划分方法，研究高水压复合地层长距离海底隧洞施工过程中隧洞纵向稳定性，解决沿隧洞纵向因地层变化、施工注浆效果波动、隧洞结构刚度等所引起的结构质量隐患，以达到有效控制施工过程中盾构结构纵向失稳问题，确保隧洞结构施工过程中的安全。（2）长大盾构施工过程中姿态控制及掘进参数选择研究在盾构隧洞纵向稳定性理论分析的基础上，通过工程

23、类比、现场试验及监测技术，对不同地层、施工条件下盾构姿态控制技术进行研究，选择合理的掘进参数，确保盾构施工安全，提高施工速度。（3）盾构掘进同步注浆及防止隧洞上浮技术研究研究分析台山海底隧洞选址地质水文、掘进线路参数，在盾构隧洞纵向稳定性理论分析的基础上，提出不同地质条件、不同掘进段的同步注浆注浆材料的类型及其相应的工作性能（凝结时间、流动性、保水抗稀释性能等）、力学性能（抗压强度、抗折强度）和耐久性能（水渗透系数、收缩率、稀释率、水蚀性）等相关技术参数；通过计算机仿真模拟施工过程中管片位移上浮情况，采用与现场试验相结合的研究手段，对同步注浆参数（注浆压力、注浆量、注浆速度）进行研究，对施工组

24、织和管理予以指导。专题3：海底隧洞泥水盾构施工孤石探测与预处理施工技术研究（1）海域泥水盾构隧洞孤石（群）探测技术研究针对取水隧洞60%的区域存在大量球状风化物的难题。通过水上磁法、电法、地震、旁测声纳等多种水域探测技术的综合比较，采用目前比较成熟的水域地震反射波勘探技术，具体采用地震映像法和多道多次覆盖方法技术两种方法进行水域地震勘探，对取水隧洞沿线，特别是海域区段进行球状风化体、基岩面起伏与埋深及侵入隧洞限界的范围进行精确定位探测，以指导盾构安全施工。（2）高强度孤石（群）海上预处理技术研究根据地震勘探和辅助钻孔探测的孤石（群）的埋深、体量和位置，综合考虑采取破除、移走、整体固化等技术思路

25、进行掘进前的预处理，降低盾构施工中的风险。通过优化比选孤石超前处理方法，制定初步孤石（群）超前处理方案，并通过事前试验研究，优化孤石（群）超前处理方案。对于探测到的孤石群，提前采集与孤石周围软基性质相同的土样，制定孤石注浆固化试验方案，开展一系列的现场室内注浆固化试验，分析其不同浆液和配比的固化效果，通过技术经济指标的对比，确定合理的注浆配比范围，为孤石群的固化处理提供基础。对于大体量的孤石，制定水下爆破试验方案，并在现场选择近岸处代表性大体量的孤石进行系统的水下爆破试验，优化不同风化程度和硬度孤石爆破的孔距、排距、炸药单耗等水下爆破参数。应用系统理论对水下爆破效果和参数进行理论研究，客观地揭

26、示了水下爆破参数与爆破效果之间的关系。（3）泥水盾构穿越孤石群掘进参数优化研究盾构掘进过程中，如果遇到孤石掘进扭矩、推力将发生波动，扭矩和推力急剧上升，掘进速度将迅速下降。拟通过观察并分析盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化，由此可以及时判断前方是否有孤石（群）的分布，为孤石的超前处理提供条件。统计并总结正常掘进时刀盘转速、推进速度、贯入度、刀盘扭矩、总推力等参数之间的相关性，由掘进参数发生的变化，判断地层的变化。经过统计分析确定并及时调整穿越孤石群的合理匹配的各项掘进参数。专题4：复合衬砌结构受力分析及稳定性影响分析研究（1）选取典型断面。现场测试结构受力状况，获得海底隧洞双层，建立平

27、面模型，考虑岩土介质的流固耦合，和岩土-隧洞的共同作用特性，分析高水压作用下不同地层中衬砌管片的受力规律，并考虑在不同受力组合状态下内衬与衬砌管片相互作用体系的内力变化规律。（2）建立三维模型，分析考虑管片错缝拼装，考虑复杂地层应纵向荷载分布不均、地基不均匀沉降以及土层性质变化等影响引起的管片内力变化规律，（3）在以上分析的基础上，结合以往工程实例，着重进行内衬施作时机影响分析研究，分析内衬施加后整个复合衬砌的内力重分布规律，分析各种影响因素作用下可能的内衬的裂缝情况及相应的预防措施。专题5：海底隧洞泥水盾构施工风险管理与应用研究针对台山核电海底隧洞盾构施工的特点和难点，就建设期内的主要风险进

28、行辨识、分析和估计，开展风险评估理论研究，研究主要风险的评估方法；建立海底隧洞工程建设的风险安全预警标准，根据工程的实时进展状况，给出各阶段的风险等级、风险排序、风险规避措施及控制建议等，建立实时动态风险预警预案系统；针对海底隧洞盾构施工，研究合理的风险管理模式、风险控制流程及风险控制模式等，最终形成适合于台山核电海底取水隧洞盾构施工的风险管理与控制指南。（1）海底隧洞泥水盾构施工风险识别结合台山核电取水隧洞的复合地质条件和环境条件，基于全面性、综合性、科学性和独立性的原则，考察、了解各种风险事件存在和可能发生的概率以及损失的严重程度，风险因素及因风险的出现而导致的其他问题。通过严格界定风险内

29、涵并考虑风险因素之间的相关性，筛选出泥水盾构施工过程中潜在的风险源，将风险因素进行综合归类分解，揭示其性质、类型及后果。通过风险辨识建立关键风险清单，通过全面系统的调查分析和科学计算获得各风险因素的相对概率分布，确定其发生后果的严重程度。为损失危害的衡量，风险政策措施的选择提供比较完备的决策信息。（2）复合地层海底隧洞盾构施工风险接收准则的研究通过调研综合分析，建立海底隧洞盾构掘进维数值模型，采用数值模拟研究分析不同风险类别条件下的围岩与结构的变形与破坏模式，建立理论模型，预测影响范围，估计风险损失程度，对于风险损失程度进行估计。通过模拟研究，对影响因素进行敏感性分析，将敏感因素处理为随机变量

30、，通过现场调查、数值模拟试验、现场监测等综合手段，获取计算参数并建立随机变量的统计数据库。针对海底隧洞具体的复合地质条件和环境条件，提出具体的风险接收准则。（3）复合地层海底隧洞盾构施工风险动态分析和安全风险控制在故障树、事件树、决策树、多目标风险以及蒙特卡罗模拟等风险分析方法的基础上，建立具体地质和环境条件下风险辨识动态模型，对风险进行定量评价，特别是建设过程中地质勘察不确定性风险、开挖面失稳风险、开挖面遇孤石及盾构机被卡风险、刀具非正常损坏风险、盾尾密封失效风险、海底换刀风险、隧洞上浮风险、爆破风险等相关风险进行定性与定量相结合评价。根据风险接收准则，建立风险评估模块，进行风险评估，提出相应风险对策，并给出各层次或施工分项的风险水平及其对策。研究风险对策实施结果的评价方法和标准、以及海底隧洞工程参建各方对风险的管理和控制，在施工中形成反馈机制，进行动态的风险管理。技 术 关 键