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3.6km,海底地段長度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行覆蓋工程的覆蓋層厚度最薄處僅有9.5m,該隧道已經運行了五十余年。挪威是世界上采用鉆爆法修建海峽海底隧道最多的國家。我國陸地上的地下工程在國際上具有很高的水平,鐵(公)路隧道總長近3000km,居世界之首。近些年來,跨江河的水底交通隧道已有很多成功的工程范例。隨著國家現代化的發(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關鍵因素,同時也影響到隧道的工程造價和安全。根據隧道的交通流量以及國家有關規(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。對于修建海底隧道,不管覆蓋層厚度如何,技術上都沒有什么問題,但如果覆蓋層厚度太小,水壓會相對減小,但有可能出現冒頂、塌方的重大事故;如果上覆層太厚,相對于冒頂破壞來說比較安全,但水壓增大,有可能出現突水,為此不得不加大對隧道結構設計的要求,同時隧道的長度也會相應的增加。各國在修建海底隧道時,對隧道最小巖石覆蓋厚度上的決定,并沒有一個統(tǒng)一的遵循準則,且不同海底隧道的地質條件也不盡相同。因此,借鑒各個國家修建海底隧道時,確定最小巖石覆蓋層厚度的經驗,對象山港海底某隧道最小巖石覆蓋厚度和選線方案進行優(yōu)化研究。2海底相對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),總體呈不對稱“W”字型。南深陡北淺緩;距后華山南岸1.7km處為海底相對隆起區(qū)段,該區(qū)段水深最淺達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,局部地段為礫質潮間地帶。后華山南岸基巖山地東側發(fā)育一壓性斷裂,可見糜棱石、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,未見晚近期活動跡象。3國內外確定巖石覆蓋最小厚度的方法3.1海底滲漏水預測日本對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涌水量,通過選取不同的巖石覆蓋層厚度計算對應的涌水量,得到涌水量和覆蓋層厚度的曲線。曲線上對應最小涌水量的巖石覆蓋厚度為最小巖石覆蓋厚度,例如關門隧道、青函隧道、早崎瀨戶隧道及長島海峽隧道。日本在修建青函海底隧道時,由于上部靜水壓力過大,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隧道,但同時避免施工過程中突水造成的坍塌等事故。工程施工前,由京都大學小林博士對海底部分滲漏水等進行了預測。假定深為h的海底,當開挖無限長的圓柱形隧道,直徑r0相對開挖深度h足夠小時,滲漏量方程式由達西定律可得: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;Pb為海底水頭(水深);P0為隧道主體砌壁面水頭。日本隧道建設公司簡化式(1),得到預測涌水量的公式(2):Q=2πkLH+hln(2hr)(2)Q=2πkLΗ+hln(2hr)(2)其中:k為透水系數(m/sec);L為隧道延長(m);h為巖石厚度(m);H為水深(m);r為隧道半徑(m);對于準備修建的海底隧道,式(2)中H、r和L是一定的值,對于隧道的透水系數,認為隧道處于各項同性的介質中。因此,可利用式(2)對巖石厚度取偏微分,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Q取最小值時,?Q?h=0(4)h=re2eHh(5)?Q?h=0(4)h=re2eΗh(5)日本海底大多數為裸露巖石,較少有淤泥等粘土類沉積層,因此該方法比較適合海底隧道沒有淤泥質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。對于海底含沉積層的隧道計算出的厚度,將會顯得保守。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驗。海底地質條件非常復雜,無法制定統(tǒng)一的規(guī)范來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已建海底隧道的經驗。挪威的海底隧道研究學者根據挪威已建的海峽海底隧道經驗,統(tǒng)計出如圖1表示的經驗曲線,即分別對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系曲線。對圖1完整巖石和破碎巖石曲線回歸分析得到挪威經驗公式: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驗分析結果,對挪威及其他國家的海峽海底隧道的規(guī)劃設計起著重要的指導作用。該方法實用性較廣,但它是一種經驗方法,只是根據隧道地質情況給出保證隧道安全的巖石覆蓋厚度范圍,無法確保該厚度是否是最經濟、最佳的厚度。3.3基巖柱抗水層模式國內在頂水采煤方面積累了豐富的經驗,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采上限的確定有相似之處,值得借鑒?？紤]海底隧道的特點,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驗,并結合隧道的地質條件。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,應大于導水裂隙帶的高度Hd與保護層厚度Hp之和(見圖2),即:Hw≥Hd+HpΗw≥Ηd+Ηp防水煤巖柱保護層厚度是防止導水裂隙帶進入水體或含水層,其厚度應從松散底部的隔水層頂面向下計算。若松散層底部無隔水層,就應從基巖頂面向下計算。因此防水煤巖柱中的保護層是由松散層和基巖組成或全部由基巖組成。在實際生產中,根據不同的隔離條件,不同的覆巖類型,確定保護層厚度時可參考表1進行計算。該法借鑒國內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沉積層的海底隧道的修建。但對導水裂隙帶高度的選擇還需要通過現場不斷積累經驗。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比結合隧道地層條件,同時考慮隧道采取上下臺階式分步開挖,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層的厚度取為三倍的A。因此,采煤經驗確定象山港該海底隧道的巖石覆蓋厚度為19.6m。根據地質剖面圖,選取地質條件較差的三個剖面(圖3)K26+420,K27+920,K28+920進行工程類比。按挪威經驗公式法、日本最小涌水量法及頂水采煤確定合理預留安全煤柱的方法,得到三個地質剖面的最小巖石安全覆蓋層厚度(表2,圖4,圖5),并結合隧道的選線坡度及線型合理性,得到對應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對隧道最小巖石覆蓋厚度進行類比分析,可知:(1)比較設計初值和挪威經驗完整巖石和破碎巖石所得的巖石覆蓋厚度,剖面K28+920的設計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的設計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,分析該剖面的地質條件知,該剖面的值基本可以保證安全;剖面K26+420的設計初值比破碎巖石的值都大,結合該剖面的地質條件分析,K26+420剖面的巖石覆蓋厚度可適當的減小。(2)頂水采煤預留安全煤巖柱的曲線表明,為保證隧道施工過程中盡量避免出現突水的現象,需要上述三個薄弱剖面的巖石覆蓋厚度應大于頂水采煤的經驗值;(3)根據最小涌水量預測公式的假定,該法要求隧道上覆巖層的巖性變化不要太大,結合圖3,隧道所選三個較差的地質剖面所穿越巖層基本處于凝灰?guī)r中,其上覆層是風化程度不等的凝灰?guī)r,因此最小涌水量預測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,所以隧道應盡量穿過該區(qū)域。綜合考慮以上三種方法,并對隧道地質條件與調研的挪威海底隧道的地質情況比較,發(fā)現隧道的巖性變化很小,斷層破碎帶較少,巖體較完整,對挪威經驗公式法的完整巖石和破碎巖石的取值進行平均,并比較挪威均值是否滿足防水的要求,發(fā)現挪威均值可很好的滿足,建議在挪威經驗均值和最小涌水量預測值之間的范圍內取值進行隧道的圍巖穩(wěn)定性數值模擬。4.2調整方案下的方案選擇控制海底隧道選線的因素很多,設計院一般根據工程地質條件、征詢專家意見等因素先提出一條初步的設計路線。本文在初選的設計路線的基礎上,主要考慮巖石最小覆蓋層厚度和選線坡度兩個關鍵因素,對初選的設計線路進行優(yōu)化,保證隧道在滿足安全的條件下,線路長度最短,即建設費用最低。從圖3和表3可知該海底隧道設計線型不同段坡度值。分析圖4地質剖面,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準,根據設計選線坡度對另外兩個剖面的巖石覆蓋厚度值進行調整(表2中括號內帶下劃線的粗斜體數),得到兩個地質剖面、線型分界處和隧道進出洞口剖面的隧道底板高程(表4)。根據調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比分析表明,隧道巖石覆蓋厚度在涌水量預測值和挪威經驗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中調整值和預測值,當隧道底板線在涌水量底板線和挪威均值線之間時,調整后的K27+920和K26+420剖面的巖石覆蓋厚度值過于保守。為選擇最優(yōu)的隧道底板線,對海底隧道來說,除考慮隧道的安全外,還應兼顧隧道的經濟因素。因此,調整K27+920和K26+420剖面表2中挪威經驗均值和最小涌水量調整值為表2中的初始預測值,其它剖面的巖石覆蓋厚度值不變,得到兩條調整坡度后的隧道底板線,比較挪威經驗均值和最小涌水量預測值對應的不同坡度下的底板線長度(表5)知,隧道的坡度調整后底板線的長度將分別縮短762.82m和788.84m,坡度調整后的所有剖面的巖石覆蓋厚度滿足安全的要求。根據挪威海底隧道建設經驗和隧道地質條件,統(tǒng)計得到挪威海底隧道每延米建設經費在40000-120000元之間浮動(挪威2000年隧道建設水平)。因此對該隧道,坡度調整后兩條新的隧道線路至少將會節(jié)約資金3000萬元;而且調整后坡度在容許選線坡度內(參照挪威標準,最大坡度控制在8%內)。因此建議隧道最優(yōu)的選線方案在調整坡度后最小涌水量預測值和挪威經驗均值確定的新的海底隧道底板線之間的范圍內選取(圖8)。5種方法的對比(1)通過對國內外海底隧道調研分析表明,并不是三種方法都適合所有海底隧道巖石覆蓋厚度的預測。其中日本最小涌水量預測法適合沉積層較少或者沉積層水力聯系較好,而且?guī)r層均質、各項同性的海底隧道;挪威經驗法適用性較廣,但它只是通過經驗得到保證隧道安全的巖石覆蓋厚度的范圍值;頂水采煤經