海底隧道修建技术国际研讨会资料海底隧道会议讲稿

海底隧道不良地质体及结构界面的变形控制技术 张顶立北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心 穿越不良地质体和地层结构界面是海底隧道建设的控制性工程 不良地质体及结构界面的稳定性及其与海水的连通状况不仅影响到施工技术难度和工程风险 而且也是隧道埋置深度等参数设计的控制性因素 海底隧道不良地质段工程特点 1 风险性大 易于出现突水等灾难性事故 2 施工进度慢 施工方法复杂 通常还要带水施工 3 需要特殊的支护和超前预支护手段 4 需采取特殊的防排水方案和技术措施 因此一直以来 在海底隧道的规划 设计 施工和运营阶段 不良地质段都是重点考虑的内容 有时甚至会影响到隧道方案的可行性 这已为世界多项越江跨海工程的实践所证实 海底隧道透水机制分析 海底隧道所面临的主要问题是施工过程中的突涌水事故和运营过程中的渗漏水 其中施工阶段的水害防治更为人们所关注 而事实上 海底隧道施工中的突涌水事故多发生在不良地质段及地层结构界面的位置 海底隧道突水的主要形式 地层界面与海水沟通隧道接近透水界面 开挖引起界面错动 加固效果不理想 地层过度变形引起地层开裂地层过度变形造成破坏后丧失隔水功能 地层沉降不协调造成松动和膨胀 渗透系数呈量级增加 地层坍塌诱发海水涌入冒顶使顶板厚度减小 爆破等作业使冒顶范围增大 坍塌诱发结构界面滑移 上述所造成的结果对海底隧道施工都将是灾难性的 但其预防的措施和监测的内容则有所不同 海底隧道突涌水控制的关键 由分析可见 上述3种形式的隧道突水都与隧道施工引起的地层变形密切相关 因此海底隧道不良地质段施工中除对不良地质体进行可靠的注浆加固外 严格控制地层变形也是其核心内容之一 隧道施工引起的地层变形 无论采用何种开挖方法 地层沉降均是逐步发展的 并且各施工步序的影响是不同的 其中CRD工法中的 部开挖影响最大 而双侧壁导坑法施工时的侧导下部开挖影响最大 因此上述2个施工步序应作为地层沉降控制的重点 这对地层总沉降量的控制是最为有效的 地层变形的传递关系 隧道开挖面前方因较大的水平变形而引发地表沉降 而此时对应位置的拱顶因尚处于三维受力状态而沉降很小 甚至小于对应位置的地表沉降量 随开挖面接近 拱顶沉降迅速增大 而后稳定在拱顶下沉值的87 左右 显然地表沉降量包含失水固结所引起的部分 在海域隧道施工中 海床沉降和隧道上方土体的实际拱顶沉降量都难以直接监测到 通常是在隧道内监测隧道开挖后的拱顶下沉量 这样一方面测到的仅为部分沉降量 因大部分沉降在隧道已经发生 另一方面由于初支背后的空隙以及松散地层的压缩 这些都造成所测得的拱顶结构沉降小于实际的拱顶地层沉降量 如图所示 显然 建立地表沉降 拱顶地层沉降与实测拱顶下沉之间的关系可通过实测拱顶下沉状况对海床的沉降状况作出判断 隧道施工过程中的拱顶下沉 地层水平变形 地层水平变形分析 随着隧道的开挖 隧道周围地层首先发生水平位移和沉降 进而向外传递 地层软弱时可影响到开挖面前方数十米的范围 隧道上覆地层的侧向和轴向水平位移值分布 其总体规律是地表的水平位移最大 接近隧道层位的位移值较小 与地层沉降相反 采用双侧壁法施工的水平位移远大于CRD工法时的对应值 因此采用双侧壁法施工时应重点加强水平支撑 以有效地控制水平变形 地表裂缝扩展过程 裂缝扩展特点 地表起裂位置约在开挖面前方20 40 地表开裂顺序为 起裂 开裂加速 开裂稳定 CRD施工时超前5m左右裂缝展开加剧 掌子面通过7m后裂缝展开趋势变缓 掌子面通过25m后裂缝处于稳定状态 此时裂缝宽度约为15mm 双侧壁时裂缝的展开较为剧烈 展开速度几乎保持恒定 左 右侧导通过10m后 裂缝处于稳定状态 此时裂缝宽度约为30mm 水平位移矢量的梯度方向为地表裂缝扩展方向 即裂缝法线方向与位移矢量平行 地表开裂伴随着地层的变形而发展 显然其裂缝状态 规模及展布情况与地层变形密切相关 地表开裂受水平位移的影响更加明显 由于水平位移的分布不同造成了裂缝的发育深度的差异 海底段施工时裂缝的发育深度对施工安全影响更加明显 CRD与双侧壁工法的比较 根据实测结果 CRD法施工时的水平位移为20 50mm 地表开裂1 15mm 双侧壁法施工时的水平位移40 70mm 相应的地表开裂为1 30mm 因此 CRD工法比双侧壁法更有利于控制地层开裂 超前帷幕注浆对地层沉降的影响 加固后的地层强度和刚度均得到不同程度的提高 隧道围岩的破坏区范围减小 变形明显降低 在水压不大于1 0MPa时 海底隧道正洞 通常3车道 的注浆加固圈厚度不小于6m 小断面服务通道的有效加固圈厚度不小于5m 在开挖过程中要保持正面注浆 以防止开挖面坍塌 初支背后回填注浆作用明显 初支形成后 背后的空隙对地层沉降影响明显 而回填注浆对控制地层沉降至关重要 而且非常有效 注浆时机对沉降也具有明显影响 显然 及时回填注浆后地层沉降得到了有效控制 这也是海底隧道不良地质段控制地层沉降较为有效和经济的技术措施 不良地质段的地层沉降控制 不良地质段的安全施工是核心技术之一 在准确探测不良地质体的基础上对其进行可靠的加固无疑是非常重要 也是隧道施工的前提 然而对加固后地层及结构界面变形量的控制则是不良地质段隧道施工的重要内容和关键环节 因为许多安全事故都与此有关 由于隧道开挖造成隧道上方海床不均匀沉降出现拉破坏区 进而开裂 隧道周围的地层中则出现塑性破坏区 而上述两破坏区的沟通则必然造成海水的渗入和涌入 形成灾难 因此上述两破坏区的沟通与否则成为海底隧道安全施工的关键 地层沉降控制指标的确定 根据不良地质体的力学参数和赋水状况 参考陆域类似地层的监测结果 计算出地层极限变形值 获得满足地层不发生开裂的注浆预加固方案 在拟定加固方案下建立隧道拱顶下沉与海床沉降 开裂的对应关系 以此确定拱顶沉降控制值 按照隧道初支结构与围岩的作用关系 确定出初支结构的允许变形量 以此与地层的允许沉降值共同作为地层沉降的控制标准 根据允许的极限变形值分别设定预警值和报警值 以此作为地层沉降的管理标准 地层沉降控制方案的确定 在隧道施工中 地层变形是逐渐累积的 每步工程活动都会造成变形的增大 每项施工活动步骤所产生的变形是不同的 有时差异很大 并且具有明显的规律性 不同应力路径所产生的变形量是不同的 即施工顺序不同 其阶段变形和最终变形量都可能是不同的 因此 海底隧道穿越不良地质体施工时 为了确保施工安全 通常是将地层沉降的总体控制目标分解到每个施工步序 即分别给出阶段控制目标 再由此分别设定相应的预警和报警值 F1风化槽地段拱顶下沉控制方案Arch crownsettlementcontrolschemeunderweatheredslotF1 地层沉降控制措施 超前帷幕注浆加固 分别在不良地质体到达之前和结束之后各5m左右的范围开始和结束注浆 同时在必要时进行超前小导管注浆加固 隧道开挖后及时初喷混凝土 尽早施作初期支护 并在距掌子面1 0 2 5m范围内进行初支背后回填注浆 以实现初期支护与围岩的密贴 上台阶施工时要及时施作锁脚锚管并严格注浆 杜绝初期支护结构的整体沉降 下台阶施工时应尽可能减少上部结构的无支护时间 以控制总体沉降量 出现小范围的冒顶和渗水要及时封堵 以避免大范围的地层坍塌和漏涌水 保持上覆地层的完整性 隧道穿越不良地质段及结构界面的施工要点 穿越不良地质段和地层结构界面是海底隧道施工中安全风险最大的地段 应引起高度重视 坚持以超前地质预报为基础 注浆加固和堵水为重点 地层稳定性控制为核心 重点解决好以下几个方面的关键问题 施工要点 超前预报 重点解决结构界面及不良地质体的位置 规模 性质及其与海水连通性 注浆加固是海底隧道施工的灵魂 效果评价指标主要包括渗流量降低率 加固体强度和稳定性等3个方面 其中渗流量的变化最为直接 加固体稳定性则更为关键 加强地层及结构变形监测 为施工的调整和完善提供依据 径向注浆范围一般应不小于2 3m 这不仅可防止施工期间的渗漏水及控制地层变形 而且所形成注浆加固圈渗透系数大幅降低 加强关键工序的质量控制和管理 尤其注重注浆加固效果 初期支护 塌方及冒顶的处理 背后回填注浆等 针对不良地质段的隧道施工特点 制定相应的紧急预案 并考虑可操作性 以使事故损失减到最小 主要结论与认识 不良地质体及地层结构界面是海底隧道施工中最为薄弱的环节 核心问题是控制地层的稳定性 而控制地层变形是关键 因多数安全事故都与此有关 受隧道施工的影响在海床位置和隧道周围分别产生拉破坏区和塑性区 两破坏区的沟通即造成隧道突水 突水通常由地层结构界面滑移 地层过渡变形和地层坍塌等3种方式诱发 都以地层变形表现出来 隧道施工必然引起海床的不均匀沉降和水平变形 进而造成海床地层开裂 由此可通过对地层变形量的控制来实现海床地层的完整 主要结论与认识 超前地质预报是不良地质段隧道安全施工的基础 应在地质勘察的基础上加强施工阶段的地质工作 采取长短结合 综合探测