海底隧道修建技术国际研讨会资料大断面海底隧道异常变形控制措施研究修改.ppt

大断面海底隧道异常变形控制措施研究 曾 超,中国.厦门路桥建设集团有限公司 二00七年十一月,2019/5/27,N0.2,一、基本情况 二、海底隧道陆域段异常变形分类 三、海底隧道异常变形原因分析 四、异常变形对策研究和现场应用效果分析 五、结论,主要内容,2019/5/27,N0.3,一、基本情况,1、研究背景 2、研究方法,2019/5/27,N0.4,翔安隧道是中国大陆第一条海底隧道，全长约6050m，跨越海域总长约4200m，陆域段长约1850m。在陆域段，行车隧道主要采用CRD法和双侧壁导坑法施工，服务隧道采用台阶法开挖。隧道断面大，地质条件复杂，施工期间，部分隧道断面的拱顶下沉、水平收敛以及临时支撑位移超过了设计（或规范）要求，出现了异常变形。 鉴于此，作者带领的课题组以现场量测数据为基础，并结合数值分析，研究了各类异常变形的原因，并提出了相应的对策，以期为海底隧道的后续施工提供一些有益的结论和建议。,1、研究背景,2019/5/27,N0.5,海底隧道工程地理位置示意图,2019/5/27,N0.6,海底隧道工程地质条件,2019/5/27,N0.7,2、研究方法,（1）现场监测,位移监测的测点布置图,应力监测的测点布置图,2019/5/27,N0.8,（2）现场试验,表1-2 现场试验分组及试验内容,2019/5/27,N0.9,（3）数值解析,表1-3 海底隧道变更措施研究计算工况表,返回,2019/5/27,N0.10,二、海底隧道陆域段异常变形分类,1、拱顶下沉异常 2、水平收敛异常 3、中隔壁变形异常,2019/5/27,N0.11,1、拱顶下沉异常情况,五通端A1标左线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）,五通端A2标右线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）,（一）拱顶下沉量测情况,2019/5/27,N0.12,翔安端A3标左线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）,翔安端A4标右线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）,2019/5/27,N0.13,2、水平收敛异常情况,行车隧道跨度约16.84m，服务隧道跨度约7.92m。洞周水平相对收敛允许值以两测点间距离的0.8作为控制基准。以下各表红字部分表示该断面的实测数据超过基准值。,表2-2 五通端A1标左线隧道部分断面水平收敛,2019/5/27,N0.14,表2-3 五通端A1标服务隧道部分断面水平收敛,表2-4 五通端A2标右线隧道部分断面水平收敛,2019/5/27,N0.15,3、中隔壁变形异常情况,根据厦门东通道大断面海底隧道陆域段施工安全评价研究成果，当中隔墙上部变形超过100mm或下部变形超过40mm时，即认为中隔墙变形异常。以下各表红字部分表示实测数据超过允许值。,表2-9五通端A1标左线隧道部分断面中隔墙变形,2019/5/27,N0.16,表2-10 五通端A2标右线隧道部分断面中隔墙变形,表2-11 翔安端A3标左线隧道部分断面中隔墙变形,2019/5/27,N0.17,三、海底隧道异常变形原因分析,1、异常变形区段施工条件 2、地质条件对异常变形影响分析 3、封闭距离和封闭时间对异常变形影响分析 4、整体下沉对异常变形影响分析 5、其它因素对异常变形影响分析 6、异常变形原因综合分析,2019/5/27,N0.18,1、异常变形区段施工条件,表3-1 拱顶下沉异常区段开挖、支护参数统计,由前面研究可知,厦门海底隧道异常变形的类型及其在纵断面上的分布，各类异常变形区段的地质条件、开挖方法、支护及预支护参数见如下各表：,2019/5/27,N0.19,表3-2 水平收敛异常区段开挖、支护参数统计,表3-3 中隔墙变形异常区段开挖、支护参数统计,2019/5/27,N0.20,2、地质条件对异常变形影响分析,厦门海底隧道陆域段施工中所遇到的围岩有粘性土、砂性土、全强风化花岗闪长岩、全强风化黑云母花岗岩。 异常变形区段的地质条件复杂，围岩强度低、含水量大、埋深浅，拱部围岩不能形成承载拱，使得支护受力很大，支护变形严重，甚至使支护开裂、混凝土剥落，严重的甚至还会引起坍塌。,图3-1掌子面围岩沿结构面塌落图,图3-2掌子面围岩受水影响而滑塌,2019/5/27,N0.21,掌子面土体浸水崩解试验,厦门海底隧道掌子面处水量较大，而由于水的浸泡会导致掌子面围岩强度进一步降低，围岩稳定性变差。项目组在现场做了浸水软化试验，研究土体试样在一定时间内浸水后的散落情况，可以定性和定量研究水对围岩力学指标的影响。,a取样 b试样 c 进行试验 图3-5 崩解试验过程,2019/5/27,N0.22,表3-6 翔安端试样各阶段崩解时间及崩解量,表3-7 五通端试样各阶段崩解时间及崩解量,2019/5/27,N0.23,图3-6 各种土样崩解曲线,2019/5/27,N0.24,由上分析可见： （）海底隧道陆域段围岩条件差，有一些区段，施工阶段获得的围岩力学参数比设计阶段获得的围岩力学参数低。 （）两端掌子面土体稳定性受水影响较大，尤其是翔安端掌子面，土体快速散落在水中，自稳时间更短。 （）翔安掌子面围岩在浸水后崩解量主要发生在521min，且能达到100；而五通端掌子面围岩遇水后120min时崩解量最大为18.5。说明施工阶段翔安端掌子面必须做好排水工作，以免掌子面下方土体浸水坍塌使得上方土体悬空而失稳。,2019/5/27,N0.25,2、封闭距离和封闭时间对异常变形影响分析,表3-10 五通端各断面封闭距离及封闭时间统计,2019/5/27,N0.26,表3-11 翔安端各断面封闭距离及封闭时间统计,2019/5/27,N0.27,通过对统计数据的分析得出以下结论： (1)封闭距离和封闭时间对拱顶下沉影响较大，是拱顶下沉异常的主要原因之一。 (2)五通端行车隧道拱顶下沉受断面整体封闭距离影响较大，封闭距离越长，断面拱顶下沉也越大，封闭距离宜控制在40m以内，而且封闭时间也应该控制在35天左右。 (3)翔安端行车隧道各断面的拱顶下沉受封闭时间影响较大。当隧道遇到特殊情况必须停止掌子面开挖时，应该先封闭部临时仰拱。翔安端部封闭时间应控制在5天左右，其整体封闭时间应该控制在40天以内，整体封闭距离控制在3545m范围内为宜。,2019/5/27,N0.28,3、整体下沉对异常变形影响分析,在地质条件较好的情况下，拱顶下沉一般在全环封闭后很快趋于稳定。然而由于东通道海底隧道中基底围岩承载力较差，在现场量测发现，许多断面在全环封闭后，拱顶下沉仍然有较大的增长，出现了整体下沉。如断面ZK12+400，在部封闭后，仍然发生了较大的整体下沉：,部封闭,部封闭,图3-11 ZK12+400断面发生整体下沉的典型曲线,(1)全环封闭后的整体下沉,2019/5/27,N0.29,表3-12 五通端全环封闭后的整体下沉统计,表3-13 翔安端全环封闭后的整体下沉统计,2019/5/27,N0.30,由上分析可见： （1）五通端发生异常变形的断面中，整体下沉对部拱顶下沉影响较大，占总变形量的12.1以上；对部拱顶下沉影响也较大，占总变形量的9.1以上。 （2）翔安端左线隧道拱顶下沉受整体下沉影响较大，统计的断面中，整体下沉占到下沉量的10以上。尤其是ZK12+429ZK12+400断面、部的总下沉量受整体下沉影响达17和29以上。,2019/5/27,N0.31,4、其它因素对异常变形影响分析,（2）排水措施,（1）早期缺乏施工经验,厦门东通道海底隧道是中国大陆第一条海底隧道，由于其断面大，地质条件复杂，主要采用CRD法和双侧壁导坑法施工，国内外对这两种工法的施工特点和结构变形规律研究还不够充分，早期对开挖时各部的受力和变形认识不足。,施工中先后尝试了真空井点降水法、电渗降水法，直到翔安端采用连续墙止水和排水措施后，才比较好的保证了隧道施工不受地下水的影响。事实证明，连续墙止水和排水措施可以减少异常变形。,2019/5/27,N0.32,5、异常变形原因综合分析,表3-15 海底隧道各类异常变形的原因,返回,2019/5/27,N0.33,四、异常变形对策研究和现场应用效果分析,1、系统锚杆的效果分析 2、加强临时支护的效果分析 3、锁脚锚管的效果分析 4、仰拱注浆的效果分析 5、降水的效果分析(连续墙止水) 6、组合方案的效果分析 7、调整封闭时间及距离的效果分析 8、工法变更效果分析 9、海底隧道各类异常变形的对策,2019/5/27,N0.34,表4-2 变更前后支护内力及安全系数对比（变更前/变更后）,由上述分析可知，厦门海底隧道围岩力学参数较低，受水的影响程度较大，而且埋深浅。在此情况下，系统锚杆对减小隧道洞周位移、塑性区范围，提高支护安全性等方面的作用不能有效发挥。,2019/5/27,N0.35,2、加强临时支护的效果分析,I14工字钢变更为I18工字钢，喷射混凝土厚度由16cm变更为20cm，这提高了临时支护的刚度和强度。,表4-3 临时支护加强前后的支护结构位移对比,临时支护变更前后位移对比见上表，临时支护加强后，拱顶下沉略有减小（6%10%） ，水平收敛变化不大。,2019/5/27,N0.36,3、锁脚锚管效果分析,表4-5 变更前后的位移对比,施作锁脚锚管前后的位移对比见表4-5，加锁脚锚管后、部拱顶下沉分别减小15.9和17.8，上部水平收敛略有增大，下部水平收敛减小了12.2。这表明采用锁脚锚管可以减小拱顶下沉和下部水平收敛。,（1）位移分析,2019/5/27,N0.37,（2）现场应用效果分析,五通端左线隧道在ZK6+6906+710段部的左边墙和中隔墙各增设2排42注浆锁脚锚管。,表4-7 增设锁脚锚杆前后拱顶下沉对比（现场监测）,4-3 变更前后拱顶下沉曲线,锁脚锚管,部封闭,2019/5/27,N0.38,4、仰拱注浆效果分析,仰拱注浆前后的位移对比见表4-8，仰拱注浆后、部拱顶下沉分别减小16和20.5，而水平收敛变化较小，这表明采用仰拱注浆可以一定程度减小拱顶下沉，但对控制水平收敛效果不明显。,（1）位移分析,表4-8 变更前后的位移对比,2019/5/27,N0.39,（2）现场应用效果分析,五翔安端服务隧道NK12+42112+380断面在隧道全环封闭后进行了仰拱注浆，断面拱顶下沉曲线见如下各图：,4-5 NK12+400断面拱顶下沉曲线及回归曲线,仰拱注浆,下部封闭,2019/5/27,N0.40,4-6 NK12+380断面拱顶下沉曲线及回归曲线,仰拱注浆,下部封闭,表4-10 仰拱注浆效果分析（现场监测）,2019/5/27,N0.41,5、降水效果分析(连续墙),变更前后的位移对比见表4-11，降水(连续墙)以后，部、部拱顶下沉分别减小42.1和55.8，上、下部水平收敛分别减小25.8和6.3。这表明该措施可以很好的减小隧道结构变形。,（1）位移分析,表4-11 变更前后的位移对比,2019/5/27,N0.42,（4）现场应用效果分析,表4-13翔安端左线隧道变更前后各断面封闭距离、时间及下沉量统计,2019/5/27,N0.43,表4-14翔安端右线隧道变更前后各断面封闭距离、时间及下沉量统计,降水（连续墙）后，翔安端左线隧道封闭时间有所减小，各断面的拱顶下沉量明显降低。翔安端右线隧道的封闭时间和封闭距离都变化不明显，各断面的拱顶下沉量在降水后有所降低。,2019/5/27,N0.44,6、组合方案施工效果分析,在异常变形比较严重地段，为有效控制隧道结构变形，确保隧道安全施工，常需要同时采用多种工程措施。厦门海底隧道工程措施变更统计情况参见报告中表4-14，可归结为以下六种组合：,表4-14 组合方案内容,2019/5/27,N0.45,现场应用效果分析,A)方案三及方案四施工效果分析,断面ZK6+680在施工过程中采用了锁脚锚管、临时仰拱注浆和加固中隔墙等工程措施，该断面CRD1部的拱顶下沉曲线及各工程措施的施作时间见下图。,4-9 断面ZK6+680CRD1部的拱顶下沉曲线,锁脚、注浆,加固中隔墙,2019/5/27,N0.46,B)方案五及方案六施工效果分析,与用降水（连续墙）的断面ZK12+030相比，断面ZK12+130施工时没有能够充分降水，图4-10、图4-11为分别为两个断面CRD1及CRD3部拱顶下沉曲线：,4-10 两断面CRD1部的拱顶下沉曲线,4-11 两断面CRD3部的拱顶下沉曲线,方案五及方案六中工程措施可以有效控制隧道结构拱顶下沉，其中CRD1部的拱顶下沉量减小了约45，CRD3拱顶下沉量也减小了约55。,2019/5/27,N0.47,7、调整封闭时间及距离施工效果分析,封闭距离和封闭时间对拱顶下沉影响较大，基于五通端和翔安端各2个断面位移监测结果，研究封闭距离和封闭时间对拱顶下沉的影响：,4-12 ZK6+745断面CRD部拱顶下沉时程曲线图,部封闭,部封闭,部封闭,部封闭,2019/5/27,N0.48,4-13 ZK7+000断面CRD部拱顶下沉时程曲线图,部封闭,部封闭,部封闭,部封闭,ZK6+745断面，部封闭时拱顶下沉为48.0mm，部封闭时拱顶下沉243.5mm，该断面最终拱顶下沉为304.9mm。其整体封闭距离和时间分别为54.5m和35天。 ZK7+000断面，部封闭时拱顶下沉为11.6mm，部封闭时拱顶下沉为106.9mm，最终拱顶下沉为112.7mm。其整体封闭距离和时间分别为36.5m和22天。,2019/5/27,N0.49,8、工法变更效果分析,（1）CRD法结构变形规律研究,本次分析选取5个应用CRD法施工的断面和8个双侧壁导坑法施工的断面进行对比分析，它们具有相似的断面形式、围岩等级、地质条件及埋深等。,表4-17 各部开挖引起的CRD1拱顶下沉量,2019/5/27,N0.50,表4-18 各部开挖引起的CRD3拱顶下沉量,2019/5/27,N0.51,由上述比较可见： A）在CRD法施工时，CRD1部开挖所引起的拱顶下沉量约为其最终预测拱顶下沉量的4050 。 B）CRD2部的开挖对1部拱顶下沉的影响据第