海水长期侵蚀下海底隧道加锚节理岩体锚固锈蚀损伤演化机理研究

Due to long-term erosion of seawater, corrosion demage appearing in anchored jointed rock mass which cause failure of anchorage support structure of subsea tunnel at intermittent joints development area. It’s a serious threat to safety of subsea tunnel. Although the issue has been considered at design, the design also just stay in the experience level because of the lack of adequate understanding on corrosion damage evolution mechanism of jointed rock anchoring structure. So the failure law and model of corrosion damage of anchored jointed rock mass under long-term erosion of seawater are studied by field monitoring, laboratory test, theoretical analysis and numerical simulation. Based on a great number of data of laboratory test and theoretical analysis, failure criterion and empirical formula of corrosion damage of anchored jointed rock mass under long-time erosion of seawater are reward. The corrosion damage evoluion mechanism of anchored jointed rock mass is revealed. The numerical method is established to analyze performance deterioration of anchorage support structure by embedding failure criteria of corrosion damage into mature numerical analysis program. Stability and durability of anchored rock mass at intermittent joints development area in Jiaozhou bay of Qingdao and indoor physical model of anchored jointed rock mass are analyzed. The numerical method and relevant analysis model proposed are improved. The research results provide important theoretical basic data for parameters optimization of anchor design, risk evaluation of operation safety and disaster control of sub-sea tunnels at intermittent joints development area. It has important theoretical significance and practical value.

由于海水长期侵蚀作用，海底隧道加锚节理岩体锚固锈蚀，造成锚固支护结构的失效破坏，严重威胁隧道安全；尽管设计时已考虑该问题，但由于对加锚节理岩体锚固锈蚀损伤演化机理缺乏充分认识，设计还仅仅停留在经验的层面上。本项目结合现场监测数据，通过室内试验、理论分析和数值计算等手段，研究海水长期侵蚀下节理岩体锚固锈蚀损伤失效规律和模式。基于大量的试验数据和理论分析，提出海水长期侵蚀下海底隧道节理岩体锚固锈蚀损伤失效判据及其经验性公式；揭示节理岩体锚固锈蚀损伤演化机理。在已有数值分析程序中嵌入节理岩体锚固锈蚀损伤失效判据，建立分析锚固支护结构工作性能退化的数值方法；对青岛胶州湾海底隧道节理发育区加锚岩体及室内加锚节理岩体相似模型进行安全性和耐久性分析，进而完善相应模型和数值方法。研究成果可为海底隧道节理发育区布锚参数优化及其运营安全风险评估和灾害控制提供理论基础，具有重大的理论意义和实用价值。

随着我国经济高速发展，海底隧道的需要也越来越大，目前已建海底隧道5条，在建和规划海底隧道多条，比如琼州海峡海底隧道和渤海湾海底隧道等。海底隧道节理发育区的锚固结构因饱受氯离子长期侵蚀、自身的复杂性、工作中的高应力性、施工过程中质量的难以控制性及其隐蔽性等特点，使腐蚀成为影响海底隧道锚固支护结构安全的一个关键问题。本项目主要研究内容包括：1）基于大量的试验、数值模拟及理论分析等结果，提出海水长期侵蚀下海底隧道岩锚锈蚀损伤失效判据及其经验性公式。2）基于电化学腐蚀原理和法拉第定律，结合胶州湾海底隧道节理岩体数据，开展电化学加速腐蚀作用下的海底隧道加锚节理岩体相似模型试验，利用现场和模型试验数据完善本项目建立的数值分析方法。3）通过所建立的腐蚀度与腐蚀电流持续时间标定关系，在加锚区进行电化学加速腐蚀的物理模型试验，通过加锚区监测传感器采集数据，研究应力-渗流-腐蚀耦合作用下加锚节理岩体强度衰减规律及锚固锈蚀损伤演化。4）在已有的数值分析程序中导入锚固锈蚀损伤失效判据，分析验证海底隧道节理岩体锚固锈蚀损伤的数值方法的正确性；揭示海水长期侵蚀下岩锚锈蚀损伤演化作用机理。通过研究取得如下重要成果：1）建立了电化学加速腐蚀环境下，加锚节理岩体锈蚀度、锈蚀电流、锈蚀时间及氯离子浓度等之间的标定关系曲线；2）建立了半贯穿节理加锚岩体锈蚀反向半椭圆模型，提出了蚀坑深度及锈蚀产物外扩区厚度计算公式；3）分析了半贯穿节理加锚岩体锈蚀材料运移规律；4）建立了半贯穿节理加锚岩体点蚀作用下粘结滑移本构模型；5）建立了半贯穿节理加锚岩体点蚀率与极限强度损失之间的对应关系。本项目取得了大量的分析断续节理作用下加锚节理岩体锈蚀损伤的关键试验数据。本项目的研究成果将对分析海底隧道加锚节理岩体的安全性及耐久性分析有重要意义，为海底隧道节理岩体布锚参数优化提供重要的基础数据和理论支撑。