CN109577992B - 一种海底隧道复合注浆参数的确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海底隧道复合注浆参数的确定方法及系统。本发明根据围岩变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比；根据渗水量阈值确定加固圈渗透系数；根据加固圈渗透系数和浆脉结构层厚度、复合加固区厚度确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力；根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定抗压刚度和抗弯刚度；根据抗压刚度和抗弯刚度确定注浆率。本发明综合考虑了海底隧道加固和堵水的双重要求，可有效降低海底隧道注浆设计的主观性，用于指导海底隧道复合注浆的工艺实现，最终实现了注浆设计的科学化和精细化，提高了海底隧道的安全性能。

Description

一种海底隧道复合注浆参数的确定方法及系统

技术领域

本发明涉及海底隧道注浆领域，特别是涉及一种海底隧道复合注浆参数的确定方法及系统。

背景技术

海底隧道承受持续高水压作用，穿越不良地质体和地层结构界面通常成为海底隧道建造的控制性工程。为了保证海底隧道穿越不良地质体的安全施工，常采用注浆加固或冻结法辅助施工，其中注浆加固由于工艺技术成熟、设备简单、造价相对较低且效果良好等优点而成为首选加固措施。常见的注浆加固工艺为填充、挤压、渗透、劈裂注浆，而海底隧道地质条件复杂，且存在无限水源补给，地层注浆需同时满足加固和堵水的双重作用要求。而现有单一注浆方法所形成的注浆加固体随机性高，注浆参数凭经验确定，注浆效果较差，无法同时满足加固和堵水的双重要求，因此诱发了多起安全事故，工期也被大大延误。

发明内容

本发明的目的是提供一种海底隧道复合注浆参数的确定方法及系统，综合考虑了海底隧道加固和堵水的双重要求，能够有效降低海底隧道注浆设计的主观性，可用于指导海底隧道复合注浆的工艺实现，最终实现了注浆设计的科学化和精细化，提高了海底隧道的安全性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种海底隧道复合注浆参数的确定方法，所述确定方法包括：

根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示隧道需要复合注浆时，获取所述围岩的变形量阈值和渗水量阈值；

根据所述变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比；

根据所述渗水量阈值确定加固圈渗透系数；

根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力；

根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度；

根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

可选的，所述根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，具体包括：

获取隧道围岩渗透系数、隧道涌水的水头高度、隧道开挖引起的渗流场变化半径、隧道半径、围岩物理力学参数、渗水量阈值和变形量阈值；

根据所述隧道围岩渗透系数、所述水头高度、所述渗流场变化半径和所述隧道半径预测所述围岩的原始渗水量；

根据所述围岩物理力学参数预测围岩的原始最大变形量；

根据所述原始渗水量、所述原始最大变形量、所述渗水量阈值和所述变形量阈值判断是否满足复合注浆条件，获得第一判断结果，所述复合注浆条件为原始最大变形量大于变形量阈值，且所述原始渗水量大于所述渗水量阈值；

当所述第一判断结果表示满足复合注浆条件时，则确定隧道需要复合注浆。

可选的，所述根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力之前，还包括：

根据所述浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比校核复合注浆后围岩的变形量是否小于或者等于所述变形量阈值，且复合注浆后围岩的渗水量是否小于所述渗水量阈值。

可选的，所述根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力之前，还包括：

根据注浆浆液的扩散路径确定复合注浆圈的力学模型；

根据所述复合注浆圈的力学模型确定复合注浆圈截面的最大正应力和最小正应力；

获取复合注浆圈的单轴抗压强度和单轴抗拉强度；

校核所述复合注浆圈是否满足安全评价条件，所述安全评价条件为所述最大正应力小于所述单轴抗压强度，且所述最小正应力小于所述单轴抗拉强度。

一种海底隧道复合注浆参数的确定系统，所述确定系统包括：

第一判断模块，用于根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，获得第一判断结果；

变形量阈值和渗水量阈值获取模块，用于当所述第一判断结果表示隧道需要复合注浆时，获取围岩的变形量阈值和渗水量阈值；

复合注浆圈参数确定模块，用于根据所述变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比；

加固圈渗透系数确定模块，用于根据所述渗水量阈值确定加固圈渗透系数；

注浆压力确定模块，用于根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力；

抗压刚度和抗弯刚度确定模块，用于根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度；

注浆率确定模块，用于根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

可选的，所述第一判断模块具体包括：

参数获取单元，用于获取隧道围岩渗透系数、隧道涌水的水头高度、隧道开挖引起的渗流场变化半径、隧道半径、围岩物理力学参数、渗水量阈值和变形量阈值；

原始渗水量确定单元，用于根据所述隧道围岩渗透系数、所述水头高度、所述渗流场变化半径和所述隧道半径预测所述围岩的原始渗水量；

原始最大变形量确定单元，用于根据所述围岩物理力学参数预测围岩的原始最大变形量；

第一判断单元，用于根据所述原始渗水量、所述原始最大变形量、所述渗水量阈值和所述变形量阈值判断是否满足复合注浆条件，获得第一判断结果，所述复合注浆条件为原始最大变形量大于变形量阈值，且所述原始渗水量大于所述渗水量阈值；

复合注浆确定单元，用于当所述第一判断结果表示满足复合注浆条件时，确定隧道需要复合注浆。

可选的，所述确定系统还包括：

变形量及渗水量校核模块，用于根据所述浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比校核复合注浆后围岩的变形量是否小于或者等于所述变形量阈值，且复合注浆后围岩的渗水量是否小于所述渗水量阈值。

可选的，所述确定系统还包括：

注浆圈力学模型确定模块，用于根据注浆浆液的扩散路径确定复合注浆圈的力学模型；

最大正应力和最小正应力确定模块，用于根据所述复合注浆圈的力学模型确定复合注浆圈截面的最大正应力和最小正应力；

抗压和抗拉强度确定模块，用于获取复合注浆圈的单轴抗压强度和单轴抗拉强度；

安全校核模块，用于校核所述复合注浆圈是否满足安全评价条件，所述安全评价条件为所述最大正应力小于所述单轴抗压强度，且所述最小正应力小于所述单轴抗拉强度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的海底隧道复合注浆参数的确定方法及确定系统，首先根据围岩的原始渗水量和原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，确定需要复合注浆时，根据围岩的变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比；根据渗水量阈值确定加固圈渗透系数；根据加固圈渗透系数和浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力；根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度；根据抗压刚度和抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。可见，本发明提供的海底隧道复合注浆参数的确定方法及确定系统综合考虑了海底隧道加固和堵水的双重要求，能够有效降低海底隧道注浆设计的主观性，可用于指导海底隧道复合注浆的工艺实现，最终实现了注浆设计的科学化和精细化，提高了海底隧道的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种海底隧道复合注浆参数的确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种海底隧道复合注浆参数的确定系统的结构框图；

图3为本发明实施例提供的复合注浆圈的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的注浆圈整体受力分析示意图；

图5为本发明实施例提供的不同注浆压力下注浆前后地层渗流率对比图；

图6为本发明实施例提供的复合体弹性模量与注浆率关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种海底隧道复合注浆参数的确定方法及确定系统，综合考虑了海底隧道加固和堵水的双重要求，能够有效降低海底隧道注浆设计的主观性，可用于指导海底隧道复合注浆的工艺实现，最终实现了注浆设计的科学化和精细化，提高了海底隧道的安全性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种海底隧道复合注浆参数的确定方法的流程图。如图1所示，一种海底隧道复合注浆参数的确定方法，所述确定方法包括：

步骤S1：根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，获得第一判断结果。

具体地，步骤S1：根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，具体包括：

获取隧道围岩渗透系数、隧道涌水的水头高度、隧道开挖引起的渗流场变化半径、渗流场变化半径、围岩物理力学参数、渗水量阈值和变形量阈值。围岩物理力学参数包括：重度、弹性抗力系数、变形模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力和计算摩擦角。

根据所述隧道围岩渗透系数、所述水头高度、所述渗流场变化半径和所述渗流场变化半径预测所述围岩的原始渗水量。

根据所述围岩物理力学参数预测围岩的原始最大变形量。

根据所述原始渗水量、所述原始最大变形量、所述渗水量阈值和所述变形量阈值判断是否满足复合注浆条件，获得第一判断结果，所述复合注浆条件为原始最大变形量大于变形量阈值，且所述原始渗水量大于所述渗水量阈值；

当所述第一判断结果表示满足复合注浆条件时，则确定隧道需要复合注浆。

当所述第一判断结果表示隧道需要复合注浆时，执行步骤S2。

步骤S2：获取所述围岩的变形量阈值和渗水量阈值。

步骤S3：根据所述变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比。

步骤S4：根据所述渗水量阈值确定复合注浆圈渗透系数。

步骤S5：根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力。

步骤S6：根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度。

步骤S7：根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

本实施例中，执行步骤S5：根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力之前之前，还包括：

根据所述浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比校核复合注浆后围岩的变形量是否小于或者等于所述变相量阈值，且复合注浆后围岩的渗水量是否小于所述渗水量阈值；

根据注浆浆液的扩散路径确定复合注浆圈的力学模型；

根据所述复合注浆圈的力学模型确定复合注浆圈截面的最大正应力和最小正应力；

获取复合注浆圈的单轴抗压强度和单轴抗拉强度；

校核所述复合注浆圈是否满足安全评价条件，所述安全评价条件为所述最大正应力小于所述单轴抗压强度，且所述最小正应力小于所述单轴抗拉强度。

图2为本发明实施例提供的一种海底隧道复合注浆参数的确定系统的结构框图。如图2所示，一种海底隧道复合注浆参数的确定系统，所述确定系统包括：

第一判断模块1，用于根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，获得第一判断结果。

具体地，所述第一判断模块1具体包括：

参数获取单元，用于获取隧道围岩渗透系数、隧道涌水的水头高度、隧道开挖引起的渗流场变化半径、隧道半径、围岩物理力学参数、渗水量阈值和变形量阈值；

原始渗水量确定单元，用于根据所述隧道围岩渗透系数、所述水头高度、所述渗流场变化半径和所述隧道半径预测所述围岩的原始渗水量；

原始最大变形量确定单元，用于根据所述围岩物理力学参数预测围岩的原始最大变形量；

第一判断单元，用于根据所述原始渗水量、所述原始最大变形量、所述渗水量阈值和所述变形量阈值判断是否满足复合注浆条件，获得第一判断结果，所述复合注浆条件为原始最大变形量大于变形量阈值，且所述原始渗水量大于所述渗水量阈值；

复合注浆确定单元，用于当所述第一判断结果表示满足复合注浆条件时，确定隧道需要复合注浆。

变形量阈值和渗水量阈值获取模块2，用于当所述第一判断结果表示隧道需要复合注浆时，获取围岩的变形量阈值和渗水量阈值。

复合注浆圈参数确定模块3，用于根据所述变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比。根据所述渗水量阈值确定复合注浆圈渗透系数。

加固圈渗透系数确定模块4，用于根据所述渗水量阈值确定加固圈渗透系数。

注浆压力确定模块5，用于用于根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度、复合加固区厚度分别确定劈裂注浆压力和渗透注浆压力。

抗压刚度和抗弯刚度确定模块6，用于根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度。

注浆率确定模块7，用于根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

本实施例中，所述确定系统还包括：

变形量及渗水量校核模块，用于根据所述浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比校核复合注浆后围岩的变形量是否小于或者等于所述变形量阈值，且复合注浆后围岩的渗水量是否小于所述渗水量阈值。

注浆圈力学模型确定模块，用于根据注浆浆液的扩散路径确定复合注浆圈的力学模型。

最大正应力和最小正应力确定模块，用于根据所述复合注浆圈的力学模型确定复合注浆圈截面的最大正应力和最小正应力。

抗压和抗拉强度确定模块，用于获取复合注浆圈的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。

安全校核模块，用于校核所述复合注浆圈是否满足安全评价条件，所述安全评价条件为所述最大正应力小于所述单轴抗压强度，且所述最小正应力小于所述单轴抗拉强度。

本发明提供的海底隧道复合注浆参数的确定系统的工作过程如下：

(1)隧道围岩抗渗性预测和稳定性判别。

通过前期的地质勘查，测定隧道工程赋存围岩的物理力学参数、岩土体结构面的力学特性和分布特征及水文地质条件，对围岩原始渗水量Q进行预测，并参考现有工程经验确定排水量控制标准(渗水量阈值)[Q]，若Q>[Q]，则表明需要采用注浆加固以增强围岩堵水性能。进一步采用数值模拟方法对围岩的原始最大变形量u_max进行预测，参考隧道设计规范确定隧道变形控制标准[u]，若u_max>[u]，则表明需要采用注浆加固以满足加固要求。若以上二者仅满足其一，则注浆圈只需满足堵水或加固要求，若以上二者均不满足，则注浆圈需同时满足堵水和加固的双重要求，若以上二者均满足，则无需进行隧道注浆。

某海底隧道全长6050m，其中海域段约4200m。其中ZK4+955～ZK5+019段主隧道开挖断面面积约150m²，采用等效面积法将其近似为半径r₀＝6.9m的圆形洞室。隧道穿越V级围岩断裂破碎带，隧道顶板厚度初始值取为实际覆盖层厚度H₀＝35m，海水深度45m，隧道开挖引起渗流场变化范围的半径为R₀＝80m，则隧道涌水的水头高度为h₀＝R₀＝80m，上覆土层平均容重为γ＝20kN/m³，海水重度为γ_w＝10kN/m³，围岩渗透系数为ks＝1.2e-4cm/s，计算可得围岩的原始渗水量为：

参考日本青函海底隧道和挪威海底隧道规范对允许排水量的规定，分别为0.274m³/(m·d)和0.432m³/(m·d)，本工程穿越V级围岩断裂破碎带时与工况挪威海底隧道相近，因此允许渗水量阈值取为[Q]＝0.4m³/(m·d)，很显然Q>[Q]，必须采用注浆加固措施以满足隧道堵水要求。

根据工程地质资料所得围岩参数进行数值模拟计算，可得隧道最大变形量为u_max＝191mm，结合规范对Ⅴ级围岩隧道初期支护极限位移的规定，取隧道围岩变形控制标准值(变形量阈值)为[u]＝100mm，显然u_max>[u]，因此隧道注浆加固需同时满足堵水和加固的双重功能。

(2)确定注浆圈宏观力学参数。

加固圈的宏观力学参数包括物理力学参数、几何参数以及水力参数。为了安全起见，加固圈内不允许出现破坏区，因此设计中所要考虑的物理力学参数主要包括弹性模量E和泊松比μ，几何参数则是指注浆圈的厚度t，水力参数即渗透系数k，其中，弹性模量E和泊松比μ决定了注浆圈的稳定性，主要对应加固功能要求，注浆圈的厚度t和渗透系数k决定了注浆圈的堵水性能。复合注浆后若围岩的变形量大于变形量阈值，则需要调整注浆圈的物理力学参数，若复合注浆后围岩的渗水量大于渗水量阈值，则需要调整注浆圈的厚度以使其满足要求。

采用数值模拟、理论分析或工程类比中的某一种或几种方法确定注浆圈物理力学参数和厚度，进一步结合地下水力学渗流力学理论得出隧道渗水量与渗透系数的关系，从而根据排水量控制标准得出加固圈渗透系数要求。

根据工程经验，当海底隧道半径r₀＝6.9m时该隧道穿越断层破碎带时段注浆圈厚度为t＝6m，为了达到控制渗透注浆浆液扩散的目的，根据最大变形量阈值确定浆脉结构层厚度为1m，注浆圈内浆脉结构弹性模量为E_s＝2GPa，浆脉结构泊松比为ν_s＝0.35，挤压地层弹性模量为E_sg＝1.5GPa，泊松比为μ_sg＝0.4，采用数值模拟方法计算可得注浆加固后围岩变形量为u＝78mm<[u]＝100mm，满足围岩稳定性要求。

注浆加固后隧道渗水量Q计算公式为：

式中，r_g为注浆圈半径且r_g＝r₀+t；k为围岩渗透系数，k′表示注浆圈(加固圈)渗透系数。

则将[Q]＝0.4m³/(m·d)代入式(2)可得加固圈渗透系数k′应小于等于5.87e-7cm/s方能满足堵水要求。

(3)复合加固体安全性评价。

图3为本发明实施例提供的复合注浆圈的结构示意图。如图3所示，由于复合注浆加固体由劈裂注浆形成的浆脉与渗透注浆形成的加固地层两部分构成，因此加固圈力学参数由浆脉与加固地层两部分组成。通过图3所示的注浆体对应的力学模型对注浆圈进行安全性评价，若满足要求则表明步骤(2)中所确定的注浆圈力学参数合理，否则需加强注浆圈的物理力学参数并重新进行分析。

图4为本发明实施例提供的注浆圈整体受力分析示意图。根据实际浆液扩散路径，建立图4所示的注浆圈受力力学模型，采用工程中常用的位移释放的方法建立数值模型确定注浆圈在水平方向p_x和竖直方向p_y所受的围岩荷载，则注浆圈整体受力大小为：

式中，M为注浆圈所受弯矩，N为注浆圈所受剪力，Q为注浆圈所受轴力，R为注浆圈半径，θ为分析点径向与水平方向夹角，A＝π²+(π²-8)n，

m＝(1-λ)/(1+λ)，n＝DR2/K，q＝(q_x+q_y)/2，λ为侧压力系数，有λ＝q_x/q_y，参数D为图5所示的复合壳体的抗压刚度，参数K为图5所示的复合壳体的抗弯刚度，可表示为：

式中，E_s、ν_s分别为浆脉结构弹性模量和泊松比；t_s为浆脉结构层厚度；b为结构纵向单位长度；t_c为复合加固区厚度；μ为复合加固区(注浆圈)泊松比；E_sg为复合加固区内加固地层(挤压地层)的弹性模量；E_mi和a_mi分别为复合加固区(注浆圈)内各脉干弹性模量和宽度；N为脉干数，与注浆孔数值相等；R_c为复合加固区中心半径。

对于受压构件，截面最大正应力σ_max和最小正应力σ_min可由下式求得：

为了保证加固圈受力安全，σ_max和σ_min应同时分别小于加固圈单轴抗压强度σ_c和抗拉强度σ_t，加固圈单轴抗压强度σ_c和抗拉强度σ_t可通过注浆试验后的岩芯取样进行单轴压缩或拉伸试验获得，在本实施例中测得σ_c＝15MPa，σ_t＝1.5MPa，而计算可得σ_max＝3.42Mpa，σ_min＝0.56Mpa，因此注浆圈受力安全。

(4)确定注浆参数和注浆工艺。

通过数值模拟建立注浆圈宏观力学参数与注浆参数之间的对应关系，从而确定注浆压力与注浆量，注浆孔的布置则需保证注浆孔浆液扩散范围相互联通，消除注浆盲区，即注浆孔距应小于浆液扩散半径。在实施复合注浆时，首先采用高压劈裂注浆在设计注浆区域形成浆脉结构层，该结构层起到防止海水涌入以及后续浆液的止浆墙的作用，再采用低压渗透注浆对浆脉结构内部的岩土体进行加固形成图3所示的复合加固体。

根据加固圈渗透系数和浆脉结构层厚度确定劈裂注浆压力；根据加固圈渗透系数和复合加固区厚度确定渗透注浆压力；根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度；根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

渗透注浆极限压力表达式为：

式中：σ_c—饱和土体抗压强度；γ—饱和土容重，有

m为土体孔隙介质的渗透率，η为动力粘滞性系数；H—注浆孔长度；μ—挤压地层泊松比；k₀—静止侧压力系数；r₀—注浆孔半径，t_c为复合加固区厚度，p_max表示渗透注浆极限压力。

劈裂注浆压力表达式为：

式中，μ₀、l为与加固圈渗透系数有关的参数，δ为注浆孔处浆脉厚度，u为浆液平均流速；h_p为浆液不受剪切作用的范围，c为浆液锋面界限压力，τ_s为静切力，R_m为浆脉结构层厚度，p_u表示劈裂注浆压力。

将复合注浆圈等效为弹性模量为E₀、泊松比为μ₀的介质，则由式(4)可得

而经过大量数值模拟(图6)可得注浆率表达式为：

采用数值模拟软件PFC2.0对不同注浆压力和注浆率下注浆圈的力学参数变化规律进行分析，如图5所示，注浆后渗透系数明显小于注浆前的渗透系数，能满足堵水要求。根据图6可得，注浆率为40％时复合体弹性模量为1.55GPa，为了能满足强度要求，注浆率(即注浆量与地层空隙体积的比值)应大于40％。为了保证浆液流动无盲区存在，注浆孔间距设置为2m。

本发明基于现有隧道设计规范和工程经验，综合考虑海底隧道加固和堵水的双重要求，提出了海底隧道复合注浆参数的确定方法及确定系统，可实现海底隧道注浆的动态化设计。首先根据地质勘查资料和项目需求目标，并结合规范对隧道预留变形量的要求确定隧道变形控制值，参考相关工程经验确定隧道允许渗水量，从而对隧道围岩抗渗性进行预测和稳定性进行判别。再采用数值模拟、理论分析或工程类比中的某一种或几种方法确定加固圈物理力学参数和厚度，进一步结合地下水力学渗流力学理论得出隧道渗水量与渗透系数的关系，从而根据排水量控制标准得出加固圈渗透系数要求。然后建立注浆加固体复合壳体力学模型，对加固体稳定性进行评价，从而可判断所确定的加固体参数是否合理，进一步建立加固体力学性能与注浆参数的对应关系，从而指导复合注浆的工艺实现，最终实现了注浆设计的科学化和精细化。本发明提供的海底隧道复合注浆参数的确定方法及确定系统，能够有效降低隧道注浆设计的主观性，提高其科学性，保证了海底隧道的安全施工。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种海底隧道复合注浆参数的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：

根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示隧道需要复合注浆时，获取所述围岩的变形量阈值和渗水量阈值；

根据所述变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比；

根据所述渗水量阈值确定加固圈渗透系数；

根据加固圈渗透系数和浆脉结构层厚度确定劈裂注浆压力；根据加固圈渗透系数和复合加固区厚度确定渗透注浆压力；

根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度；

根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，具体包括：

获取隧道围岩渗透系数、隧道涌水的水头高度、隧道开挖引起的渗流场变化半径、隧道半径、围岩物理力学参数、渗水量阈值和变形量阈值；根据所述隧道围岩渗透系数、所述水头高度、所述渗流场变化半径和所述隧道半径预测所述围岩的原始渗水量；

根据所述围岩物理力学参数预测围岩的原始最大变形量；

根据所述原始渗水量、所述原始最大变形量、所述渗水量阈值和所述变形量阈值判断是否满足复合注浆条件，获得第一判断结果，所述复合注浆条件为原始最大变形量大于变形量阈值，且所述原始渗水量大于所述渗水量阈值；

当所述第一判断结果表示满足复合注浆条件时，则确定隧道需要复合注浆。

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度确定劈裂注浆压力；所述根据所述加固圈渗透系数和复合加固区厚度确定渗透注浆压力之前，还包括：

根据所述浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比校核复合注浆后围岩的变形量是否小于或者等于所述变形量阈值，且复合注浆后围岩的渗水量是否小于所述渗水量阈值。

4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述加固圈渗透系数和所述浆脉结构层厚度确定劈裂注浆压力；所述根据所述加固圈渗透系数和复合加固区厚度确定渗透注浆压力之前，还包括：

根据注浆浆液的扩散路径确定复合注浆圈的力学模型；

根据所述复合注浆圈的力学模型确定复合注浆圈截面的最大正应力和最小正应力；

获取复合注浆圈的单轴抗压强度和单轴抗拉强度；

校核所述复合注浆圈是否满足安全评价条件，所述安全评价条件为所述最大正应力小于所述单轴抗压强度，且所述最小正应力小于所述单轴抗拉强度。

5.一种海底隧道复合注浆参数的确定系统，其特征在于，所述确定系统包括：

第一判断模块，用于根据围岩的原始渗水量和所述围岩的原始最大变形量确定隧道是否需要复合注浆，获得第一判断结果；

变形量阈值和渗水量阈值获取模块，用于当所述第一判断结果表示隧道需要复合注浆时，获取围岩的变形量阈值和渗水量阈值；

复合注浆圈参数确定模块，用于根据所述变形量阈值确定复合注浆圈的浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比；

加固圈渗透系数确定模块，用于根据所述渗水量阈值确定加固圈渗透系数；

注浆压力确定模块，根据加固圈渗透系数和浆脉结构层厚度确定劈裂注浆压力；根据加固圈渗透系数和复合加固区厚度确定渗透注浆压力；

抗压刚度和抗弯刚度确定模块，用于根据浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比确定复合注浆圈的抗压刚度和抗弯刚度；

注浆率确定模块，用于根据所述抗压刚度和所述抗弯刚度确定劈裂注浆和渗透注浆的注浆率。

6.根据权利要求5所述的确定系统，其特征在于，所述第一判断模块具体包括：

参数获取单元，用于获取隧道围岩渗透系数、隧道涌水的水头高度、隧道开挖引起的渗流场变化半径、隧道半径、围岩物理力学参数、渗水量阈值和变形量阈值；

原始渗水量确定单元，用于根据所述隧道围岩渗透系数、所述水头高度、所述渗流场变化半径和所述隧道半径预测所述围岩的原始渗水量；

原始最大变形量确定单元，用于根据所述围岩物理力学参数预测围岩的原始最大变形量；

第一判断单元，用于根据所述原始渗水量、所述原始最大变形量、所述渗水量阈值和所述变形量阈值判断是否满足复合注浆条件，获得第一判断结果，所述复合注浆条件为原始最大变形量大于变形量阈值，且所述原始渗水量大于所述渗水量阈值；

复合注浆确定单元，用于当所述第一判断结果表示满足复合注浆条件时，确定隧道需要复合注浆。

7.根据权利要求5所述的确定系统，其特征在于，所述确定系统还包括：

变形量及渗水量校核模块，用于根据所述浆脉结构层厚度、浆脉结构弹性模量、浆脉结构泊松比、挤压地层弹性模量和挤压地层泊松比校核复合注浆后围岩的变形量是否小于或者等于所述变形量阈值，且复合注浆后围岩的渗水量是否小于所述渗水量阈值。

8.根据权利要求5所述的确定系统，其特征在于，所述确定系统还包括：

注浆圈力学模型确定模块，用于根据注浆浆液的扩散路径确定复合注浆圈的力学模型；

最大正应力和最小正应力确定模块，用于根据所述复合注浆圈的力学模型确定复合注浆圈截面的最大正应力和最小正应力；

抗压和抗拉强度确定模块，用于获取复合注浆圈的单轴抗压强度和单轴抗拉强度；

安全校核模块，用于校核所述复合注浆圈是否满足安全评价条件，所述安全评价条件为所述最大正应力小于所述单轴抗压强度，且所述最小正应力小于所述单轴抗拉强度。

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