海底隧道接線工程穿越淺埋破碎巖層地表沉降規(guī)律與變形控制研究

王渭明，王 丹

(山東科技大學 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

海底隧道接線工程穿越淺埋破碎巖層地表沉降規(guī)律與變形控制研究

王渭明，王 丹

(山東科技大學 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

青島膠州灣海底隧道接線工程施工以CRD法穿越破碎巖層。為有效控制接線工程引起的地表沉降，通過理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場跟蹤測試，采用非線性擬合方法揭示了施工引起的地面沉降規(guī)律，得出了預測地表變形的計算公式，依據(jù)地表沉降規(guī)律提出了關(guān)鍵加固措施及加固參數(shù)，依據(jù)8項評價指標分析了各項加固措施的效果，給出了兩種工程加固對策，最終采用增加錨桿密度、設(shè)置超前注漿小導管及隧道拱底注漿加固，取得了較理想的加固效果，保證了接線工程安全、快速穿越破碎地層。

海底隧道 接線工程 破碎巖層 沉降公式 加固效果

膠州灣海底隧道位于青島端的接線工程，屬于大斷面隧道施工，沿線穿越居民密集區(qū)，多處穿越住宅區(qū)，民用公共設(shè)施、軍用設(shè)施繁多，市政管線密集，變形控制要求嚴格。地質(zhì)條件復雜，巖層主要為破碎巖，地表土層較厚，穿越多處斷層破碎帶。隧道覆跨比在0.15～0.55，屬于淺埋，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復雜，工期短。

地下工程不同于其他巖石工程［1］，由于開挖擾動導致圍巖回彈變形產(chǎn)生應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出徑向應(yīng)力減小、切向應(yīng)力增大的加載卸載復雜效果［2］。為有效控制接線工程地表沉降，通過理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場跟蹤測試，采用非線性擬合方法揭示施工引起的地面沉降規(guī)律，得出預測地表變形的計算公式，并提出有效控制地表沉降的關(guān)鍵加固措施及加固參數(shù)，保證接線工程安全、快速穿越破碎地層［3］。

1 工程概況

膠州灣海底隧道接線工程，起于海底隧道青島端終點，以分離式雙洞隧道沿云南路、四川路向北，于東平路出地面后通高架，在山西路上方匯合后通向快速路。隧道設(shè)計開挖斷面高9 m，寬14.6 m，隧道埋深10～19 m，云南路接線隧道埋深在4～30 m。工程地貌為灣口海床及兩岸濱海低山丘陵區(qū)，地貌類型為侵蝕堆積緩坡。地層為Ⅴ級強風化花崗巖，沿線地貌單元較多。各地貌單元巖土層自上而下依次為亞黏土雜填土、含黏性土粗砂、強風化花崗巖、弱風化花崗巖、微風化花崗巖。部分地帶出現(xiàn)微小充填型構(gòu)造，主要為煌斑巖、細粒花崗巖和細晶巖。地下水類型主要為基巖裂隙水，具承壓性，無腐蝕性，水位在8～10 m。

2 地表沉降規(guī)律分析

隧道開挖引起地表沉降是地層出現(xiàn)損失導致的地層移動傳遞到地表的結(jié)果［4］。不同的巖土層性質(zhì)、開挖支護方式及隧道埋深都會誘發(fā)不同程度的地表沉降。目前，國內(nèi)外對隧道施工引起的地表沉降的預算主要有經(jīng)驗法、模型試驗法［5-6］、數(shù)值模擬法［7］等。以膠州灣海底隧道青島端接線工程YK1+280—YK1+ 370段CRD法施工為背景，利用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討地表沉降規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型建立

基于孔洞開挖對圍巖可能造成的擾動范圍［8］，選取數(shù)值模型尺寸(縱向×橫向×豎向)為50 m×190 m ×50 m。下邊界為固定鉸支座，四周為水平鏈桿(透水)，上部為自由邊界(如圖1)。服從摩爾-庫倫屈服準則，考慮靜水壓力作用。

按照勘察報告地層分為兩層，參數(shù)如表1。初噴混凝土及襯砌采用Shell單元模擬，力學參數(shù)及厚度可以通過參數(shù)自定義來改變;鋼支撐分別采用梁結(jié)構(gòu)

Plates單元模擬;超前管棚及錨桿支護采用 Anchor單元模擬;通過提高注漿范圍內(nèi)圍巖的物理力學參數(shù)模擬注漿。

圖1 數(shù)值模型及邊界示意

2.2 結(jié)果分析

由YK1+280端墻開始，首先開挖支護①②至YK1+370，然后從YK1+370開挖支護③④至YK1+ 280。圖2為巖層主應(yīng)力與豎向位移云圖?？梢缘玫?隧道拱肩及曲墻拱拱腳處均發(fā)生應(yīng)力集中，由于橫向及豎向支撐的存在，曲墻與拱頂位置最大主應(yīng)力均較大，分別為320 kPa和280 kPa，鋼支撐容易發(fā)生偏移及破壞。隧道最大豎向位移未發(fā)生在拱頂處，而是在拱頂兩邊的拱肩位置，沉降擴展至地表，隧道中心線處沉降值較兩邊小，沉降槽呈W形。

圖2 CRD法開挖引起的主應(yīng)力與豎向位移

為了更直觀地反映隧道CRD法開挖引起的地表沉降規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場4個監(jiān)測斷面的實測數(shù)據(jù)(表2)繪制了地表沉降值隨距隧道中心線距離的沉降變化曲線(圖3)。可見形狀與數(shù)值模擬沉降槽相一致，利用Origin9.0采用非線性進行擬合，得到了適用于此地質(zhì)條件下CRD法施工引起的地表橫向沉降公式。

表2 代表斷面的地表橫向監(jiān)測點沉降實測值 mm

圖3 各斷面地表監(jiān)測點沉降

3 地表沉降控制措施及效果

3.1 加固措施

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合隧道所處的具體地質(zhì)條件，擬定5種加固措施:①加長拱肩錨桿;②增加錨桿密度;③增加初噴混凝土剛度;④施作超前注漿小導管;⑤隧道拱底注漿加固。施作方法及支護參數(shù)見表3。

3.2 評價指標及效果分析

為了更直觀地比較各種加固措施的效果，確定了8項評價指標:①拱頂襯砌最大沉降;②襯砌水平收

表3 施作方法及支護參數(shù)

加固措施效果分析:

1)加長拱肩錨桿。較長錨桿可將碎裂巖層串聯(lián)起來，起到懸吊加固圍巖效果，等效于提高圍巖等級，改善拱肩圍巖受力狀態(tài)，使得塑性破壞區(qū)面積減小幅度達到26.7%;使圍巖整體性得到提高，與支護結(jié)構(gòu)共同作用，對控制隧道襯砌的縱、橫向不均勻變形效果顯著，分別減小30.1%和28.9%。

2)增加錨桿密度使開挖擾動范圍內(nèi)土體的抗剪強度得到提高，使拱頂沉降值減少26%，說明錨桿錨固力起到作用;且對減小地震縱、橫向的不均勻沉降效果明顯，分別達到33.3%和32.7%，對隧道安全具有重要意義。

3)增加初噴混凝土剛度可以提高襯砌受壓、受扭的能力，對減少襯砌受扭效果明顯，襯砌最大扭轉(zhuǎn)角減少量達40.3%，提高了襯砌安全系數(shù)。襯砌聯(lián)合水平鋼支撐，保證了圍巖壓力穩(wěn)定傳遞至水平支撐，釋放了圍壓壓力，使襯砌水平收斂減少32%。

4)超前注漿小導管的施作使8項指標減少量均達到25%以上，是加固效果最好的一項措施。超前支護加固了隧道上部巖土體，形成臨時穩(wěn)定承壓拱，在一定程度上隔斷了隧洞施工對上部圍巖的擾動，使襯砌拱頂沉降減少了40%，有效控制了塑性區(qū)的擴展，使塑性破壞區(qū)面積減少了37.2%。

5)拱底加固注漿:隧道開挖時，塑性區(qū)首先由拱底發(fā)生，然后擴展至兩幫及拱頂，底板注漿后提高了拱底圍巖的抗剪強度，穩(wěn)定傳遞由兩幫施加的荷載，限制了塑性區(qū)的擴展，使拱頂襯砌沉降和塑性區(qū)面積分別減少19%和13.5%。

3.3 工程對策的確定

由表3、4可知，增加錨桿長度和增加錨桿密度的單元加固效應(yīng)及機理相似，不必同時使用。為充分利用各加固措施的單元加固效應(yīng)，提高控制圍巖變形能力，綜合考慮各項加固措施下控制指標的具體變化，擬定兩套控制變形的工程對策。對策Ⅰ:加長拱肩錨桿+增加初噴混凝土剛度+拱底注漿加固;對策Ⅱ:增加錨桿密度+施作超前注漿小導管+拱底注漿加固。通過數(shù)值模擬分析其加固效果，見表5。

由表5可知，兩種工程對策均可有效控制各項評價指標，使每一項指標減幅超過24%，并且對隧道不均勻變形的控制更為理想，減小幅度超過30%。且綜合比較兩個對策下各指標的減少量可知，對策Ⅱ在控制指標減少量上更為優(yōu)越，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，在工程

中采用了對策Ⅱ，取得了較為理想的加固效果。

考慮到增加初噴混凝土厚度及等級和超前注漿小導管施工使工程造價明顯增加，且加固效果均較好，為減小工程造價，不必同時使用。類似工程可根據(jù)工程造價和現(xiàn)場施工難度選擇。

表5 兩種工程方案的加固效果

4 結(jié)論

1)利用施工過程中實測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出了適用于青島膠州灣海底隧道青島端接線段YK1+280—YK1+370的地表橫向沉降公式，得出CRD法施工地表最大沉降值未發(fā)生在隧道中心線處，而是靠近中心線兩旁位置，沉降曲線呈馬鞍型。

2)根據(jù)隧道變形及地表沉降規(guī)律提出了5項加固措施，并依據(jù)8項控制指標對各加固措施的效果進行了對比，結(jié)果顯示超前小導管注漿是最為有效的加固措施。

3)結(jié)合現(xiàn)場施工情況，選擇了增加錨桿密度+設(shè)置超前注漿小導管+隧道拱底注漿加固的控制圍巖變形工程對策，依此攻克了破碎地層隧道接線工程的技術(shù)難題，使各項控制指標均控制在允許范圍之內(nèi)。

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Study on ground surface settlement regulation and control of surrounding rock deformation for shallow-buried approach tunnel in fractured rock (linking Jiaozhouwan undersea tunnel to city Qingdao)

WANG Weiming，WANG Dan
(Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China)

T he linking engineering construction of Jiaozhou bay undersea tunnel passes through the fractured rock by CRD method.In order to control the surface settlement caused by linking engineering，the surface settlement rule caused by construction and calculation formula for predicting surface deformation were concluded by adopting nonlinear approximation method through theoretical research，numerical simulation and field test，the key reinforcement measures and strengthening parameters were put forward according to the surface settlement rule，the effect of each reinforcement measure was analyzed based on the eight evaluation index and two kinds of engineering reinforcement measures were presented.T he reinforcement scheme of increasing the anchor density，setting the small pipe of the advanced grouting and grouting at the bottom of the tunnel was applied and ideal reinforcement effect was obtained，which ensure the safety of the linking engineering and passing through the fractured rock quickly.

Undersea tunnel;Linking engineering;Fractured rock;Settlement formula;Reinforcement effect

U456.3+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.07.14

1003-1995(2015)07-0046-04

(責任審編 葛全紅)

2015-02-20;

:2015-05-10

國家自然科學基金項目(41472280);山東省自然科學基金項目(ZR2014EEM029);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20123718110007)

王渭明(1954— )，男，江西臨川人，教授，博士。