廈門東通道海底隧道施工變更措施研究

宋南濤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院，四川成都610031)

廈門東通道海底隧道目前施工開挖所遇到的圍巖有粘性土、砂性土、全強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖、全強(qiáng)黑云母花崗巖，對(duì)各種圍巖開挖中都遇到許多問(wèn)題。粘性土圍巖主要分布于翔安端進(jìn)口段，具體分布于ZK12+260～12+485、NK12+340～12+510、YK12+330～12+510。該圍巖強(qiáng)度軟弱，且含水量高，在施工中主要以擠入變形為主，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大;同時(shí)由于圍巖本身滲透性差，故施工中的注漿和抽水都比較困難。在該段圍巖中多處因變形過(guò)大而換拱，如YK12+417、ZK12+443等斷面。

由于異常變形頻頻出現(xiàn)，隧道在修建初期可謂困難重重，為了整治異常變形情況，現(xiàn)場(chǎng)采用了多種變更措施。本文通過(guò)有限差分法分析了隧道支護(hù)的施工力學(xué)行為;通過(guò)對(duì)各變更措施中的初期支護(hù)的安全性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)了變更措施的效果;最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，給出理想的變更組合方案。

1 變更措施及計(jì)算參數(shù)

1.1 變更措施

廈門東通道海底隧道主要采用的施工變更措施有:①加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù):臨時(shí)支護(hù)采用I18工字鋼，噴射混凝土厚度由16 cm變更為20 cm;②拱頂120°加小導(dǎo)管;③系統(tǒng)錨桿;④鎖腳錨管;⑤仰拱注漿:注漿加固范圍為臨時(shí)仰拱或者仰拱下部1.5 m。⑥大管棚加固;⑦連續(xù)墻降水:在隧道外側(cè)修建連續(xù)墻來(lái)降水，以提高拱部圍巖參數(shù)。計(jì)算中錨桿、鎖腳錨管均采用結(jié)構(gòu)單元cable進(jìn)行模擬，其力學(xué)參數(shù)見表3。

1.2 計(jì)算參數(shù)

隧道的支護(hù)參數(shù)見表1，本次計(jì)算綜合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料對(duì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)表

表2 圍巖及變更加固后的物理力學(xué)參數(shù)

表3 42中空注漿錨管參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算模型

各種變更措施的數(shù)值模擬中均采用Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ－Ⅳ的開挖順序。計(jì)算模型模擬陸域Ⅴ級(jí)圍巖地段，模型范圍選取為:上部取拱頂以上13 m，下部取至隧道仰拱以下60 m。左右各取60 m，約為4倍洞徑左右。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。計(jì)算中，用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)。襯砌類型為S5b，詳見表1。計(jì)算模型總單元數(shù)為3 526個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 274個(gè)。具體如圖1所示，初期支護(hù)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)見圖2。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 變更前初期支護(hù)的受力和安全系數(shù)分析

圖1 S5b計(jì)算模型圖

變更前，初期支護(hù)在Ⅰ部和Ⅱ部開挖中都能保證安全，且全截面受壓控制，能夠充分發(fā)揮材料特性。Ⅲ部開挖后，初期支護(hù)左拱肩、左墻腳安全系數(shù)分別為2.5和2.1，已不能滿足要求。另外右拱肩處安全系數(shù)也較小。Ⅳ部開挖后，左墻腳安全系數(shù)僅為1.2，仰拱和右拱肩處安全系數(shù)也較小，分別為1.4和1.7。整個(gè)開挖過(guò)程中，Ⅲ部和Ⅳ部開挖對(duì)初期支護(hù)安全影響最大，兩側(cè)拱肩、墻腳和仰拱都是薄弱環(huán)節(jié)，尤其是左側(cè)墻腳是最不利位置。另外，Ⅰ部拱頂圍巖位移為118.6 mm，Ⅲ部拱頂圍巖為202.5 mm。周邊塑性區(qū)范圍較大，拱部塑性區(qū)貫通地面。初期支護(hù)的內(nèi)力和安全系數(shù)見圖3。

圖2 初期支護(hù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖3 變更前初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

2.2.2 各種變更措施的效果分析

由于變更前隧道的施工安全不能完全保證，需要采取變更措施。變更措施應(yīng)針對(duì)支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，既要提高支護(hù)的安全系數(shù)，也要減小拱頂圍巖位移。下面就對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)采用過(guò)的變更措施的效果，限于篇幅，只列出Ⅳ部開挖完成后初期支護(hù)的內(nèi)力、安全系數(shù)和拱部圍巖位移，詳見表4。

(1)仰拱注漿、大管棚和連續(xù)墻降水:由于能夠改善巖性，提高圍巖承載力，針對(duì)了海底隧道異常變形的主要原因——地質(zhì)條件。故整個(gè)支護(hù)的安全性都有一定程度提高，采用大管棚和連續(xù)墻降水，拱部最大圍巖位移可以減小50%。

(2)系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨管:從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，鎖腳錨管的作用明顯，可以改善原設(shè)計(jì)中薄弱環(huán)節(jié)(仰拱、墻腳和拱部)的安全性。而在海底隧道中系統(tǒng)錨桿作用不明顯。

(3)提高臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度:該措施可以提高臨時(shí)支護(hù)的安全性，卻不能提高初期支護(hù)的安全性。說(shuō)明這種措施在海底隧道中不能單獨(dú)使用，應(yīng)該與其他措施共同使用，才能達(dá)到預(yù)期效果。

(4)組合方案的效果分析:在實(shí)際變更中，往往是兩種或者兩種以上的變更措施一起使用，組合方案采用連續(xù)墻降水+仰拱注漿+鎖腳錨管+加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。采取連續(xù)墻降水可以改善拱部圍巖特性。仰拱注漿和鎖腳錨管可以提高底部圍巖力學(xué)參數(shù)，并減小支護(hù)的整體下沉。提高臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度可以提高臨時(shí)支護(hù)安全性。采取該方案后，支護(hù)彎矩有較大幅度減小，尤其是原設(shè)計(jì)受拉控制的地方，彎矩大幅減小，而軸力有所增大，這使得整個(gè)支護(hù)受力更合理，安全性有很大提高，其中左墻腳安全系數(shù)由1.2提高到1.9，右側(cè)拱肩安全系數(shù)由1.7提高到6.2。另外，該方案能更好的控制拱頂圍巖位移。

總之，施工變更措施應(yīng)該首先要改善巖性，其次提高支護(hù)強(qiáng)度。另外，單一的變更措施不能完全保證隧道在整個(gè)開挖過(guò)程中的安全性。所以在實(shí)際變更中，應(yīng)針對(duì)要解決的主要問(wèn)題，選取了幾種最有效的變更措施，共同作用。對(duì)于組合方案，這里主要是提供一些參考和借鑒。海底隧道中的變更措施應(yīng)該按提高圍巖力學(xué)特性－增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度的順序來(lái)制定。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

限于篇幅，這里只列出ZK12+430斷面的現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，以及施工過(guò)程中的變更措施，從而可以驗(yàn)證上面所述的變更措施效果和選取方法。

3.1 ZK12+430斷面變更記錄

(1)2006年1月底，針對(duì)該斷面Ⅰ部拱頂下沉較大，已超過(guò)設(shè)計(jì)變形量，于是采取割除該段大管棚，并在中隔墻上設(shè)置斜撐。

(2)2006年2月，針對(duì)ZK12+405～12+430斷面的沉降異常，采取以下處理措施:對(duì)縱向裂縫部位先用I20b工字鋼進(jìn)行加密支頂度;沿縱向裂縫在上下各施作兩排徑向6 m長(zhǎng)42的錨管，間距50 cm、排距50 cm;增加系統(tǒng)小導(dǎo)管，42×3.5，L=4 m，0.5 m×0.5 m的間距;對(duì)仰拱底部采用小導(dǎo)管注漿加固，導(dǎo)管規(guī)格42×3.5，L=2 m，間距0.5 m×0.5 m 的，梅花型布置。

(3)2006年3月，對(duì)ZK12+429～12+445段采用系統(tǒng)錨管注漿加固。

(4)2006年4月，對(duì)ZK12+424～12+445段Ⅱ、Ⅳ底部增設(shè)一道20b鋼支撐;對(duì)該段底部注漿加固，以提高底部圍巖承載力;做好洞頂兩側(cè)超前井點(diǎn)降水試驗(yàn)，加大井直徑，井壁可用鋼筋籠外套塑料布，以增加透水性。

表4 各種變更措施效果(軸力/彎矩/安全系數(shù))

3.2 ZK12+430斷面拱頂下沉分析

該斷面CRDⅠ部拱頂下沉?xí)r程曲線見圖4。

圖4 ZK12+430斷面CRDⅠ部拱頂下沉?xí)r程曲線

在第1次變更前，該斷面CRDⅠ部拱頂下沉近似呈直線增長(zhǎng)，拱頂下沉達(dá)到176.2 mm，超過(guò)了設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。從前面的數(shù)值計(jì)算中可以知道，大管棚可以增強(qiáng)支護(hù)的安全性，能有效控制拱頂圍巖位移。在割除大管棚后，管棚形成的保護(hù)圈失去作用，盡管在1月23日～2月17日這段時(shí)間里掌子面并沒(méi)有向前推進(jìn)，拱頂下沉仍以4.5 mm/d的速度增長(zhǎng)?？梢姡?次變更，為了解決侵限問(wèn)題而割除大管棚，并沒(méi)有從根本上減小變形，反而增大了拱頂下沉。

第2次和第3次變更間隔時(shí)間較短，此時(shí)Ⅲ部開挖剛通過(guò)該斷面，由前面分析可以知道，Ⅲ部開挖時(shí)支護(hù)內(nèi)力會(huì)發(fā)生較大的改變。從圖4可以看出，此時(shí)拱頂下沉有突然增大的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)很快平穩(wěn)。此次變更，主要是通過(guò)注漿改善了巖性，提高了圍巖力學(xué)參數(shù)，同時(shí)也加強(qiáng)了支護(hù)強(qiáng)度，這類似于數(shù)值計(jì)算中的組合方案，所以取得了不錯(cuò)的效果，從第2次變更開始到下沉增長(zhǎng)平穩(wěn)，拱頂下沉由284.9 mm增大到315.2 mm，平均下沉速度減小為2.4 mm/d。

第4次變更前，Ⅳ部開挖剛剛通過(guò)，同時(shí)ZK12+420～12+440段Ⅰ部臨時(shí)仰拱和邊墻之間的焊接處被拉脫，使得該段臨時(shí)仰拱隆起，拱頂下沉也有較大增長(zhǎng)。此次變更措施仍是通過(guò)注漿，尤其是對(duì)底部注漿，并進(jìn)行超前井點(diǎn)降水，以提高圍巖力學(xué)參數(shù)，同時(shí)也加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，與組合方案類似，所以效果明顯，拱頂下沉很快平穩(wěn)，并逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比，可以知道在各變更措施中:

(1)大管棚加固可以提高了拱部圍巖的力學(xué)參數(shù)，能起到明顯的保護(hù)圈作用，在提高支護(hù)安全性的同時(shí)，拱部最大圍巖位移可以減小50%。但由于施作場(chǎng)地限制，一般應(yīng)用于進(jìn)口段，洞身段較少采用。

(2)拱部圍巖連續(xù)墻降水能夠改善巖性，提高圍巖承載力，整個(gè)支護(hù)的安全性都有一定程度提高，拱部最大圍巖位移可以減小50%。在海底隧道陸域段應(yīng)該多采用該變更措施。

(3)仰拱注漿和鎖腳錨管能夠有效減小異常變形和提高支護(hù)安全性。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，仰拱注漿可以提高初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的安全性。鎖腳錨管的作用最為顯著，可以改善原設(shè)計(jì)中薄弱環(huán)節(jié)(仰拱、墻腳和拱部)的安全性。在洞身段異常變形較小的斷面應(yīng)該多采用。

(4)系統(tǒng)錨桿在海底隧道中不能起到顯著作用。

(5)提高臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度，在險(xiǎn)情段常采用，可以短時(shí)間內(nèi)約束異常變形，但不能從根本上提高支護(hù)安全性。另外，在海底隧道中這種措施應(yīng)該與其他措施共同使用，才能達(dá)到預(yù)期效果。個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)缺陷類型進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)，依據(jù)反射波的時(shí)間差，只能確定缺陷的位置，對(duì)缺陷程度進(jìn)行定量判斷則較難，這是該技術(shù)值得改進(jìn)的一面。

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