海底隧道最小巖石覆蓋厚度的確定方法

海底隧道最小巖石覆蓋厚度的確定方法

1海底循環(huán)隧道—概況這座鐵路隧道于1936年9月竣工，1944年完成，是世界上首次建成的鐵路隧道之一。該隧道是一雙孔上下行鐵路隧道,全長(zhǎng)3.6km,海底地段長(zhǎng)度1.14km,隧道高度5.75m,最大坡度2.0～2.5%,海水深14m,隧道覆蓋的平均厚度約11m,而其靠海底填石和填粘土進(jìn)行覆蓋工程的覆蓋層厚度最薄處僅有9.5m,該隧道已經(jīng)運(yùn)行了五十余年。挪威是世界上采用鉆爆法修建海峽海底隧道最多的國(guó)家。我國(guó)陸地上的地下工程在國(guó)際上具有很高的水平,鐵(公)路隧道總長(zhǎng)近3000km,居世界之首。近些年來(lái),跨江河的水底交通隧道已有很多成功的工程范例。隨著國(guó)家現(xiàn)代化的發(fā)展,有多條海峽海底隧道正在規(guī)劃之中。最小巖石覆蓋層厚度和選線坡度是決定隧道線型的兩個(gè)關(guān)鍵因素,同時(shí)也影響到隧道的工程造價(jià)和安全。根據(jù)隧道的交通流量以及國(guó)家有關(guān)規(guī)程,確定最大坡度以后,最小巖石覆蓋厚度就成為隧道選線的決定性因素。對(duì)于修建海底隧道,不管覆蓋層厚度如何,技術(shù)上都沒(méi)有什么問(wèn)題,但如果覆蓋層厚度太小,水壓會(huì)相對(duì)減小,但有可能出現(xiàn)冒頂、塌方的重大事故;如果上覆層太厚,相對(duì)于冒頂破壞來(lái)說(shuō)比較安全,但水壓增大,有可能出現(xiàn)突水,為此不得不加大對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,同時(shí)隧道的長(zhǎng)度也會(huì)相應(yīng)的增加。各國(guó)在修建海底隧道時(shí),對(duì)隧道最小巖石覆蓋厚度上的決定,并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的遵循準(zhǔn)則,且不同海底隧道的地質(zhì)條件也不盡相同。因此,借鑒各個(gè)國(guó)家修建海底隧道時(shí),確定最小巖石覆蓋層厚度的經(jīng)驗(yàn),對(duì)象山港海底某隧道最小巖石覆蓋厚度和選線方案進(jìn)行優(yōu)化研究。2海底相對(duì)起落架地段海底地形崎嶇不平,水下岸坡上有沖刷槽,局部有基巖隆起帶,水下槽溝局部具深潭、深溝形態(tài),總體呈不對(duì)稱(chēng)“W”字型。南深陡北淺緩;距后華山南岸1.7km處為海底相對(duì)隆起區(qū)段,該區(qū)段水深最淺達(dá)22.0m,水底地形坡度較緩。兩岸為波狀起伏的基巖丘陵區(qū),海拔高程一般30～139m,南端為基巖海岸地貌,相對(duì)高差4～20m,有暗礁及海蝕溝槽發(fā)育,最深處約47m,局部地段為礫質(zhì)潮間地帶。后華山南岸基巖山地東側(cè)發(fā)育一壓性斷裂,可見(jiàn)糜棱石、高嶺土～綠泥石化、壓碎石,褶曲、斷層面等,是雁行排列的北東向小型斷裂,未見(jiàn)晚近期活動(dòng)跡象。3國(guó)內(nèi)外確定巖石覆蓋最小厚度的方法3.1海底滲漏水預(yù)測(cè)日本對(duì)利用鉆爆法施工的隧道,確定最小巖石覆蓋層厚度主要依據(jù)涌水量,通過(guò)選取不同的巖石覆蓋層厚度計(jì)算對(duì)應(yīng)的涌水量,得到涌水量和覆蓋層厚度的曲線。曲線上對(duì)應(yīng)最小涌水量的巖石覆蓋厚度為最小巖石覆蓋厚度,例如關(guān)門(mén)隧道、青函隧道、早崎瀨戶(hù)隧道及長(zhǎng)島海峽隧道。日本在修建青函海底隧道時(shí),由于上部靜水壓力過(guò)大,為了減少作用在覆蓋層上的靜水壓力到合理的值,允許部分海水滲漏進(jìn)隧道,但同時(shí)避免施工過(guò)程中突水造成的坍塌等事故。工程施工前,由京都大學(xué)小林博士對(duì)海底部分滲漏水等進(jìn)行了預(yù)測(cè)。假定深為h的海底,當(dāng)開(kāi)挖無(wú)限長(zhǎng)的圓柱形隧道,直徑r0相對(duì)開(kāi)挖深度h足夠小時(shí),滲漏量方程式由達(dá)西定律可得:Q=2πkPb?P0ln(2h/r0)(1)Q=2πkΡb-Ρ0ln(2h/r0)(1)式中:Q為滲水量;k為滲透系數(shù);Pb為海底水頭(水深);P0為隧道主體砌壁面水頭。日本隧道建設(shè)公司簡(jiǎn)化式(1),得到預(yù)測(cè)涌水量的公式(2):Q=2πkLH+hln(2hr)(2)Q=2πkLΗ+hln(2hr)(2)其中:k為透水系數(shù)(m/sec);L為隧道延長(zhǎng)(m);h為巖石厚度(m);H為水深(m);r為隧道半徑(m);對(duì)于準(zhǔn)備修建的海底隧道,式(2)中H、r和L是一定的值,對(duì)于隧道的透水系數(shù),認(rèn)為隧道處于各項(xiàng)同性的介質(zhì)中。因此,可利用式(2)對(duì)巖石厚度取偏微分,最終得到最小巖石覆蓋厚度和水深、隧道半徑之間的關(guān)系式(5):?Q?h=2πkL{ln(2hr)?1h(H+h)[ln2h4]2}(3)?Q?h=2πkL{ln(2hr)-1h(Η+h)[ln2h4]2}(3)當(dāng)Q取最小值時(shí),?Q?h=0(4)h=re2eHh(5)?Q?h=0(4)h=re2eΗh(5)日本海底大多數(shù)為裸露巖石,較少有淤泥等粘土類(lèi)沉積層,因此該方法比較適合海底隧道沒(méi)有淤泥質(zhì)粘土沉積層或有沉積層存在,但其中存在較好的水力通道的隧道。對(duì)于海底含沉積層的隧道計(jì)算出的厚度,將會(huì)顯得保守。3.2挪威海底循環(huán)巖石覆蓋厚度研究挪威海底地層多以硬巖為主,修建海底隧道多采用鉆爆法施工,隨著多條海底隧道的建成,挪威隧道修建承包商積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。海底地質(zhì)條件非常復(fù)雜,無(wú)法制定統(tǒng)一的規(guī)范來(lái)確定隧道的最小巖石覆蓋層厚度,大部分海底隧道的修建都是根據(jù)已建海底隧道的經(jīng)驗(yàn)。挪威的海底隧道研究學(xué)者根據(jù)挪威已建的海峽海底隧道經(jīng)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)出如圖1表示的經(jīng)驗(yàn)曲線,即分別對(duì)較好的巖石和較差的巖石,確定了海底隧道巖石覆蓋厚度與海水水深的關(guān)系曲線。對(duì)圖1完整巖石和破碎巖石曲線回歸分析得到挪威經(jīng)驗(yàn)公式:破碎巖石:完整巖石:hr為巖石覆蓋層厚度;hw為海水深度;以上挪威海底隧道最小巖石覆蓋厚度的經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)果,對(duì)挪威及其他國(guó)家的海峽海底隧道的規(guī)劃設(shè)計(jì)起著重要的指導(dǎo)作用。該方法實(shí)用性較廣,但它是一種經(jīng)驗(yàn)方法,只是根據(jù)隧道地質(zhì)情況給出保證隧道安全的巖石覆蓋厚度范圍,無(wú)法確保該厚度是否是最經(jīng)濟(jì)、最佳的厚度。3.3基巖柱抗水層模式國(guó)內(nèi)在頂水采煤方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),且海底隧道的最小安全巖石覆蓋厚度的確定與煤礦安全開(kāi)采上限的確定有相似之處,值得借鑒。考慮海底隧道的特點(diǎn),海底最小巖石覆蓋厚度的選擇主要借鑒采煤中安全防水煤巖柱的選擇經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合隧道的地質(zhì)條件。安全防水煤巖柱屬于隔離煤柱,安全防水煤巖柱的最小高度Hw,應(yīng)大于導(dǎo)水裂隙帶的高度Hd與保護(hù)層厚度Hp之和(見(jiàn)圖2),即:Hw≥Hd+HpΗw≥Ηd+Ηp防水煤巖柱保護(hù)層厚度是防止導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入水體或含水層,其厚度應(yīng)從松散底部的隔水層頂面向下計(jì)算。若松散層底部無(wú)隔水層,就應(yīng)從基巖頂面向下計(jì)算。因此防水煤巖柱中的保護(hù)層是由松散層和基巖組成或全部由基巖組成。在實(shí)際生產(chǎn)中,根據(jù)不同的隔離條件,不同的覆巖類(lèi)型,確定保護(hù)層厚度時(shí)可參考表1進(jìn)行計(jì)算。該法借鑒國(guó)內(nèi)海底采煤中防水安全煤柱的確定方法,確定海底隧道的最小巖石覆蓋厚度,該法較適于含有水力通道較好的粘土類(lèi)沉積層的海底隧道的修建。但對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的選擇還需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不斷積累經(jīng)驗(yàn)。4優(yōu)化隧道的最小巖石厚度和選線方案4.1不同法分析的巖石覆蓋厚度對(duì)比結(jié)合隧道地層條件,同時(shí)考慮隧道采取上下臺(tái)階式分步開(kāi)挖,且隧道上覆基巖屬于中硬巖性,故隧道巖石覆蓋厚度中保護(hù)層的厚度取為三倍的A。因此,采煤經(jīng)驗(yàn)確定象山港該海底隧道的巖石覆蓋厚度為19.6m。根據(jù)地質(zhì)剖面圖,選取地質(zhì)條件較差的三個(gè)剖面(圖3)K26+420,K27+920,K28+920進(jìn)行工程類(lèi)比。按挪威經(jīng)驗(yàn)公式法、日本最小涌水量法及頂水采煤確定合理預(yù)留安全煤柱的方法,得到三個(gè)地質(zhì)剖面的最小巖石安全覆蓋層厚度(表2,圖4,圖5),并結(jié)合隧道的選線坡度及線型合理性,得到對(duì)應(yīng)三種方法最小巖石覆蓋層厚度的隧道底板線。利用圖4和圖5對(duì)隧道最小巖石覆蓋厚度進(jìn)行類(lèi)比分析,可知:(1)比較設(shè)計(jì)初值和挪威經(jīng)驗(yàn)完整巖石和破碎巖石所得的巖石覆蓋厚度,剖面K28+920的設(shè)計(jì)初值比完整巖石的值都小,該剖面巖石厚度取值偏小;剖面K27+920的設(shè)計(jì)初值落在完整巖石和破碎巖石所取值之間,且接近于完整巖石,分析該剖面的地質(zhì)條件知,該剖面的值基本可以保證安全;剖面K26+420的設(shè)計(jì)初值比破碎巖石的值都大,結(jié)合該剖面的地質(zhì)條件分析,K26+420剖面的巖石覆蓋厚度可適當(dāng)?shù)臏p小。(2)頂水采煤預(yù)留安全煤巖柱的曲線表明,為保證隧道施工過(guò)程中盡量避免出現(xiàn)突水的現(xiàn)象,需要上述三個(gè)薄弱剖面的巖石覆蓋厚度應(yīng)大于頂水采煤的經(jīng)驗(yàn)值;(3)根據(jù)最小涌水量預(yù)測(cè)公式的假定,該法要求隧道上覆巖層的巖性變化不要太大,結(jié)合圖3,隧道所選三個(gè)較差的地質(zhì)剖面所穿越巖層基本處于凝灰?guī)r中,其上覆層是風(fēng)化程度不等的凝灰?guī)r,因此最小涌水量預(yù)測(cè)得到的巖石覆蓋厚度基本上反映出海底基巖海水滲漏量最小的位置,所以隧道應(yīng)盡量穿過(guò)該區(qū)域。綜合考慮以上三種方法,并對(duì)隧道地質(zhì)條件與調(diào)研的挪威海底隧道的地質(zhì)情況比較,發(fā)現(xiàn)隧道的巖性變化很小,斷層破碎帶較少,巖體較完整,對(duì)挪威經(jīng)驗(yàn)公式法的完整巖石和破碎巖石的取值進(jìn)行平均,并比較挪威均值是否滿足防水的要求,發(fā)現(xiàn)挪威均值可很好的滿足,建議在挪威經(jīng)驗(yàn)均值和最小涌水量預(yù)測(cè)值之間的范圍內(nèi)取值進(jìn)行隧道的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬。4.2調(diào)整方案下的方案選擇控制海底隧道選線的因素很多,設(shè)計(jì)院一般根據(jù)工程地質(zhì)條件、征詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)等因素先提出一條初步的設(shè)計(jì)路線。本文在初選的設(shè)計(jì)路線的基礎(chǔ)上,主要考慮巖石最小覆蓋層厚度和選線坡度兩個(gè)關(guān)鍵因素,對(duì)初選的設(shè)計(jì)線路進(jìn)行優(yōu)化,保證隧道在滿足安全的條件下,線路長(zhǎng)度最短,即建設(shè)費(fèi)用最低。從圖3和表3可知該海底隧道設(shè)計(jì)線型不同段坡度值。分析圖4地質(zhì)剖面,為保證隧道的巖石覆蓋層厚度滿足安全的要求,選K28+920作控制剖面,以K28+920不同方法巖石覆蓋厚度作為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)設(shè)計(jì)選線坡度對(duì)另外兩個(gè)剖面的巖石覆蓋厚度值進(jìn)行調(diào)整(表2中括號(hào)內(nèi)帶下劃線的粗斜體數(shù)),得到兩個(gè)地質(zhì)剖面、線型分界處和隧道進(jìn)出洞口剖面的隧道底板高程(表4)。根據(jù)調(diào)整的巖石覆蓋厚度得不同方法下巖石覆蓋厚度與海底里程關(guān)系、不同方法下隧道底板線高程曲線(圖6)。最小巖石覆蓋厚度類(lèi)比分析表明,隧道巖石覆蓋厚度在涌水量預(yù)測(cè)值和挪威經(jīng)驗(yàn)均值之間選取比較合理,隧道的底板線在涌水量底板線和挪威均值底板線之間選取比較合理。但比較表2中調(diào)整值和預(yù)測(cè)值,當(dāng)隧道底板線在涌水量底板線和挪威均值線之間時(shí),調(diào)整后的K27+920和K26+420剖面的巖石覆蓋厚度值過(guò)于保守。為選擇最優(yōu)的隧道底板線,對(duì)海底隧道來(lái)說(shuō),除考慮隧道的安全外,還應(yīng)兼顧隧道的經(jīng)濟(jì)因素。因此,調(diào)整K27+920和K26+420剖面表2中挪威經(jīng)驗(yàn)均值和最小涌水量調(diào)整值為表2中的初始預(yù)測(cè)值,其它剖面的巖石覆蓋厚度值不變,得到兩條調(diào)整坡度后的隧道底板線,比較挪威經(jīng)驗(yàn)均值和最小涌水量預(yù)測(cè)值對(duì)應(yīng)的不同坡度下的底板線長(zhǎng)度(表5)知,隧道的坡度調(diào)整后底板線的長(zhǎng)度將分別縮短762.82m和788.84m,坡度調(diào)整后的所有剖面的巖石覆蓋厚度滿足安全的要求。根據(jù)挪威海底隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和隧道地質(zhì)條件,統(tǒng)計(jì)得到挪威海底隧道每延米建設(shè)經(jīng)費(fèi)在40000-120000元之間浮動(dòng)(挪威2000年隧道建設(shè)水平)。因此對(duì)該隧道,坡度調(diào)整后兩條新的隧道線路至少將會(huì)節(jié)約資金3000萬(wàn)元;而且調(diào)整后坡度在容許選線坡度內(nèi)(參照挪威標(biāo)準(zhǔn),最大坡度控制在8%內(nèi))。因此建議隧道最優(yōu)的選線方案在調(diào)整坡度后最小涌水量預(yù)測(cè)值和挪威經(jīng)驗(yàn)均值確定的新的海底隧道底板線之間的范圍內(nèi)選取(圖8)。5種方法的對(duì)比(1)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外海底隧道調(diào)研分析表明,并不是三種方法都適合所有海底隧道巖石覆蓋厚度的預(yù)測(cè)。其中日本最小涌水量預(yù)測(cè)法適合沉積層較少或者沉積層水力聯(lián)系較好,而且?guī)r層均質(zhì)、各項(xiàng)同性的海底隧道;挪威經(jīng)驗(yàn)法適用性較廣,但它只是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)得到保證隧道安全的巖石覆蓋厚度的范圍值;頂水采煤經(jīng)