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.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 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 3 一 基本情况 1 研究背景2 研究方法 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 5 海底隧道工程地理位置示意图 2020 1 24 N0 6 海底隧道工程地质条件 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 8 2 现场试验 表1 2现场试验分组及试验内容 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 23 图3 6各种土样崩解曲线 2020 1 24 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5 21min 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 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 26 表3 11翔安端各断面封闭距离及封闭时间统计 2020 1 24 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35 45m范围内为宜 2020 1 24 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 11ZK12 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 429 ZK12 400断面 部的总下沉量受整体下沉影响达17 和29 以上 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 37 2 现场应用效果分析 五通端左线隧道在ZK6 690 6 710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 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 39 2 现场应用效果分析 五翔安端服务隧道NK12 421 12 380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 5NK12 400断面拱顶下沉曲线及回归曲线 仰拱注浆 下部封闭 2020 1 24 N0 40 4 6NK12 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 2020 1 24 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 12ZK6 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 2020 1 24 N0 48 4 13ZK7 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 2020 1 24 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 2020 1 24 N0 50 表4 18各部开挖引起的CRD3拱顶下沉量 2020 1 24 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40 50 B CRD2部的开挖对1部拱顶下沉的影响据第