海底隧道最小巖石覆蓋厚度確定方法研究

海底隧道最小巖石覆蓋厚度確定方法研究

1海底循環(huán)巖石覆蓋厚度確定巖石最小覆蓋厚度是通過鉆探和爆炸法建造的垂直道路的重要參數(shù)。一方面,巖石覆蓋厚度(隧道拱頂至海底面的高度)過薄,海底隧道工作面面臨嚴(yán)重的失穩(wěn)問題和海水涌入的危險(xiǎn),即使不發(fā)生,也會(huì)使輔助工法的投入增大,間接增加支護(hù)、防滲和排水的費(fèi)用。另一方面,加大巖石覆蓋厚度,意味著隧道埋深增大,增加隧道長(zhǎng)度,作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭壓力也會(huì)增大,因而造價(jià)提高,可見海底隧道巖石覆蓋厚度存在一個(gè)優(yōu)選值。我國(guó)有多條海底隧道正在規(guī)劃和建設(shè)之中,在建的有廈門翔安海底隧道和青島膠州灣海底隧道,擬建的有港、澳、珠海上大通道、大連市區(qū)海灣海底隧道、渤海灣大連至煙臺(tái)海底鐵路隧道、瓊州海峽海底鐵路隧道、臺(tái)灣海峽海底隧道等。如何確定海底隧道的最小巖石覆蓋厚度,既能確保隧道施工與運(yùn)營(yíng)的安全,又能保證隧道的經(jīng)濟(jì)性,是一個(gè)亟待解決的問題。世界已建的海底隧道巖石覆蓋厚度經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。日本青函公路隧道全長(zhǎng)53.85km,海底部分長(zhǎng)23.0km,位于火山巖、堆積巖中,有多處裂縫、斷層,水深140m,最小巖石覆蓋厚度為100m。該值的確定是根據(jù)當(dāng)時(shí)日本水下采煤的安全規(guī)程,即隧道最小埋深不小于60m,鑒于該規(guī)程并沒有考慮水深這一因素,為了安全起見,最后將最小覆蓋層厚度定為100m。日本關(guān)門海底鐵路隧道是世界上最早的海峽隧道。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)1.14km,隧道高度為5.75m,最大坡度為2.0%~2.5%,海水深14m,隧道覆蓋平均厚約11m,而靠海底填石和填黏土進(jìn)行隧道開挖的覆蓋層厚度最薄處僅有9.5m。挪威是世界上采用鉆爆法修建海底隧道最多的國(guó)家,在過去30年中建成了40條海底隧道,累計(jì)100多公里,主要是為近海石油工業(yè)服務(wù),包括管道隧道、電纜隧道,另外還有2條在建,十多條在規(guī)劃。挪威海底隧道多建在前寒武紀(jì)的硬巖中,最典型的是花崗片麻巖。對(duì)于海底隧道最小巖石覆蓋厚度,挪威公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定要大于50m,如果小于50m,則必須進(jìn)行詳細(xì)地地質(zhì)勘探及特別分析,并報(bào)告國(guó)家公路管理局批準(zhǔn)。實(shí)際上,大部分挪威海底公路隧道的最小巖石覆蓋厚度都小于50m,最淺的只有23m。海底隧道最小巖石覆蓋厚度影響因素較多,有海水深度、巖石強(qiáng)度、灌漿壓力、隧道斷面、施工方法等,目前還沒有成熟的理論公式或計(jì)算方法來確定合理的最小巖石覆蓋厚度,通常采用工程類比法和數(shù)值分析法確定。工程類比法有挪威建設(shè)經(jīng)驗(yàn)法、日本最小涌水量法和國(guó)內(nèi)頂水采煤法;數(shù)值分析法通常采用有限元法、有限差分法、離散元法、斷裂損傷有限元法等。本文詳細(xì)分析了上述各種方法的適用條件,依據(jù)權(quán)函數(shù)法、挪威經(jīng)驗(yàn)法,綜合分析給出海底隧道最小巖石覆蓋厚度建議值,并結(jié)合青島膠州灣海底隧道,開展相應(yīng)的工程類比及數(shù)值分析研究。根據(jù)縱斷面地質(zhì)條件的變化,選擇若干控制海底隧道垂直線路的斷層帶、完整巖石帶作為關(guān)鍵剖面,給出這些關(guān)鍵剖面最小巖石覆蓋厚度的建議值,為設(shè)計(jì)部門隧道選線提供參考。2泉函數(shù)法的原理2.1預(yù)測(cè)的巖石覆蓋厚度日本對(duì)采用鉆爆法施工的隧道,主要依據(jù)涌水量確定埋深,通過選取不同的巖石覆蓋層厚度計(jì)算出對(duì)應(yīng)的涌水量后得到涌水量和巖石覆蓋厚度的曲線,對(duì)應(yīng)曲線上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)門隧道、青函隧道、早崎瀨戶隧道及長(zhǎng)島海峽隧道最小巖石覆蓋厚度都是通過最小涌水量法確定的。涌水量的計(jì)算預(yù)測(cè)公式為式中:k為滲透系數(shù)(m/s);L為隧道延長(zhǎng)(m);h為巖石覆蓋厚度(m);H為海水深度(m);r為隧道有效半徑(m)。對(duì)于擬建的海底隧道某剖面,式(1)中海水深度、隧道有效半徑和隧道延長(zhǎng)是定值,因此可以得到最小巖石覆蓋厚度和海水深度、隧道有效半徑之間的關(guān)系式:2.2海底循環(huán)巖柱的最小高度海底隧道最小巖石覆蓋厚度和頂水采煤安全開采上限有類似之處?？紤]海底隧道的特點(diǎn),海底隧道最小巖石覆蓋厚度的選擇,可結(jié)合隧道的地質(zhì)條件,借鑒頂水采煤安全防水煤巖柱高度的確定方法。對(duì)海底隧道安全施工與運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響的有地表海水、松散層水體或基巖含水層水體,根據(jù)頂水采煤的經(jīng)驗(yàn),確定海底隧道最小巖石覆蓋厚度應(yīng)從分析上覆水體的類型、特征、賦存條件及上覆巖層的水文地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu),并根據(jù)隧道施工圍巖的破裂規(guī)律,包括破裂形態(tài)和破裂范圍,綜合確定最小巖石覆蓋厚度。為了保證海底隧道施工安全,必須預(yù)留足夠厚的防水巖柱,安全防水巖柱的最小高度應(yīng)該大于隧道上覆巖體的破裂帶高度和保護(hù)層厚度之和,其中保護(hù)層厚度從松散層底部的隔水層頂面向下計(jì)算,若松散層底部無隔水層應(yīng)從基巖頂面向下計(jì)算。防水巖柱的厚度還應(yīng)包括含水的風(fēng)化帶厚度,如圖1所示。安全防水巖柱高度采用以下經(jīng)驗(yàn)公式:式中:H為防水巖柱高度(m);h為隧道破裂帶高度(m);s為保護(hù)層厚度(m);a為表面裂隙帶深度(m)。式(3)中表面裂隙帶深度是根據(jù)地質(zhì)勘探資料覆蓋巖層表面風(fēng)化程度、裂隙展布分析來確定,可以采用如下經(jīng)驗(yàn)方法確定保護(hù)層厚度和隧道破裂帶高度:(1)隧道開挖的范圍隧道上覆巖體破裂帶高度是確定海底隧道最小埋深的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。確定隧道圍巖破裂范圍可采用頂水采煤導(dǎo)水裂隙帶高度確定的思想,但隧道開挖與頂水采煤不同。一方面,煤層開采一般是大面積地將煤炭資源采出,開采范圍在走向和傾向上都比較長(zhǎng),而隧道的開挖只是在線路走向方向延伸較長(zhǎng),隧道寬度的數(shù)量級(jí)別較煤層開采工作面傾向要小得多。另一方面,當(dāng)前大部分礦山采用的是垮落法開采,即煤層采出后,頂板垮落破碎填充采空區(qū),垮落帶上部巖體的破壞程度隨采空區(qū)的距離增大而逐漸減弱,形成導(dǎo)水裂隙帶,而隧道開挖必須及時(shí)支護(hù)防止巖體破壞,并充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力,因此隧道開挖導(dǎo)致的圍巖破裂范圍一般較小。根據(jù)海底隧道的巖性和地質(zhì)情況,可按下列兩種方法確定隧道破裂帶高度:①根據(jù)隧道開挖要使圍巖擾動(dòng)最小的原理,同時(shí)考慮安全系數(shù),隧道破裂高度取100R(R為炮孔半徑)。②根據(jù)巖石爆破力學(xué),按下式計(jì)算:式中:k為地基系數(shù);w為單個(gè)最危險(xiǎn)藥包的最小抵抗線;F(n)為相應(yīng)藥包爆破指數(shù)的函數(shù)。(2)層壓采厚的確定保護(hù)層的厚度可根據(jù)頂水采煤的經(jīng)驗(yàn)確定,在頂水采煤中,保護(hù)層的厚度取決于水體類型、煤層傾角、埋藏條件和覆蓋巖體性質(zhì)等綜合因素,一般取幾倍的分層采厚。由于隧道開挖和煤層開采的方式不同,應(yīng)用這種方法確定的保護(hù)層厚度一般偏大,已在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)作適當(dāng)?shù)恼蹨p。保護(hù)層厚度也可根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式確定:式中:h1為水頭高度(m);h2為坑道寬度(m);f為普氏系數(shù),查表或取樣試驗(yàn)獲得。2.3基于強(qiáng)度破壞理論的圍巖穩(wěn)定性分析數(shù)值方法有多種,各種計(jì)算方法只是手段,而不是判斷圍巖穩(wěn)定的依據(jù)。要想通過數(shù)值分析,判斷圍巖是否穩(wěn)定,還必需建立圍巖穩(wěn)定性判據(jù)。目前已有的圍巖穩(wěn)定性判別方法較多,大體歸納為以下兩類:(1)圍巖強(qiáng)度判據(jù)是以應(yīng)力狀態(tài)的變化作為依據(jù),在隧道地下結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析中得到廣泛應(yīng)用,其理論基礎(chǔ)是強(qiáng)度破壞理論,如Mohr-Coulomb或Drucker-Prager準(zhǔn)則等。(2)圍巖變形量或變形速率判據(jù)是以位移的變化作為依據(jù),在國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范中,圍巖穩(wěn)定性判據(jù)多以變形量或變形速率為主,認(rèn)為圍巖變形量或變形速率超過一定值巖體即發(fā)生破壞。目前主要通過應(yīng)力擾動(dòng)、位移收斂等數(shù)值方法確定海底隧道最小巖石覆蓋厚度,然后根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分析綜合判斷。筆者對(duì)不同巖石覆蓋厚度的隧道開挖圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的彈塑性數(shù)值模擬和對(duì)變形、應(yīng)力、塑性區(qū)穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于海底隧道某剖面,隨著巖石覆蓋厚度的增加,拱頂位移是先減小,后增加,存在最小值,而最小位移所確定的巖石覆蓋厚度下的隧道圍巖更穩(wěn)定,因此認(rèn)為拱頂最小位移所對(duì)應(yīng)的巖石覆蓋厚度為合理的最小巖石覆蓋厚度。2.4海底產(chǎn)權(quán)之最小涌水量法確定海底隧道最小巖石覆蓋厚度時(shí)應(yīng)該從圍巖穩(wěn)定性和隧道涌水量?jī)煞矫婵紤]。首先,由于海底隧道的特殊性,圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要;其次,對(duì)于海底隧道施工安全來說,防突水也十分重要;最后,隧道涌水量影響排水費(fèi)用。綜上分析,提出海底隧道最小巖石覆蓋厚度的確定原則:數(shù)值計(jì)算值依據(jù)據(jù)圍巖穩(wěn)定性確定;頂水采煤值是根據(jù)預(yù)留安全煤巖柱,防止施工突水確定;依據(jù)排水成本較小確定最小涌水量(為簡(jiǎn)化敘述,數(shù)值方法確定的最小巖石覆蓋厚度值簡(jiǎn)稱為數(shù)值計(jì)算值,最小涌水量方法確定的最小巖石覆蓋厚度值簡(jiǎn)稱為最小涌水量值;依次類推)。依據(jù)重要性,根據(jù)研究者經(jīng)驗(yàn)分別給出數(shù)值計(jì)算值0.5權(quán)重、頂水采煤值0.3權(quán)重和最小涌水量值0.2權(quán)重,最后加權(quán)確定最小巖石覆蓋厚度綜合分析建議值,即3海底循環(huán)巖石覆蓋厚度挪威巖層條件多以硬巖即古老的火成巖和變質(zhì)巖為主,由于經(jīng)歷了多次地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了許多斷層、軟弱帶,而海底隧道的地質(zhì)條件非常復(fù)雜,大部分被水包圍,很難詳盡了解海底的巖性,挪威工程師在建造海底隧道中選擇隧道最小巖石覆蓋厚度時(shí),充分考慮了斷層及軟弱帶對(duì)隧道施工的影響,并結(jié)合已建海底隧道的綜合分析經(jīng)驗(yàn)。1993年NilsenB.根據(jù)挪威已建的海底隧道經(jīng)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)得出如圖2表示的經(jīng)驗(yàn)曲線,對(duì)比后確定了海底隧道最小巖石覆蓋厚度與海水深度的關(guān)系曲線。由圖2可知,隨著海水深度的增加巖石覆蓋厚度也相應(yīng)增加。巖性的好壞對(duì)確定巖石覆蓋厚度有明顯的影響,相同的海水深度對(duì)應(yīng)的較好巖石與較差巖石時(shí),覆蓋厚度相差較大,海水深度從0~200m,巖石覆蓋厚度相差10~20m。由圖還可以看出,挪威修建的海底隧道巖石覆蓋厚度在較差巖石中一般不會(huì)超過70m,而在較好的巖石中巖石覆蓋厚度一般不超過40m。基巖縱波波速能綜合反映了隧道圍巖強(qiáng)度和完整性,基巖縱波波速越高、巖石強(qiáng)度越高、完整性越好。根據(jù)圖2所示的挪威經(jīng)驗(yàn)曲線,假定擬建的海底隧道某剖面巖石的縱波波速與最小巖石覆蓋厚度存在線性關(guān)系,比較擬建的海底隧道基巖縱波波速與挪威較差巖石和較好巖石的縱波波速,按縱波波速線性插值得到擬建海底隧道最小巖石覆蓋厚度的建議值:4工程應(yīng)用4.1膠州灣隧道青島膠州灣隧道工程是連接青島市主城與輔城的重要通道,南接薛家島,北連團(tuán)島,下穿膠州灣灣口海域。膠州灣隧道為城市快速道路隧道,設(shè)雙向6車道,設(shè)計(jì)車速為80km/h。該隧道工程(含接線隧道)全長(zhǎng)約7800m,其中膠州灣隧道長(zhǎng)約6170m,海底段長(zhǎng)約3950m。接線隧道長(zhǎng)約1700m。膠州灣隧道行車隧道為左右線設(shè)置,隧道中線間距為55m,左右線之間每200~250m設(shè)置人行橫洞,每750m左右設(shè)置車行橫洞。在左右線間中部平行設(shè)置服務(wù)隧道(接線隧道不設(shè)置服務(wù)隧道)。隧道中設(shè)置地下泵站,隧道靠海岸兩端地面各設(shè)置風(fēng)井。隧道出口(薛家島)附近設(shè)置管理所一座,出口外870m處設(shè)置收費(fèi)站。團(tuán)島端出地面設(shè)置有進(jìn)、出地下匝道。在施工期間在薛家島岸邊設(shè)置有斜井一個(gè)。為了縮短隧道長(zhǎng)度,洞內(nèi)兩端縱坡一般都采用較大的上岸坡率,最大縱坡控制在3.9%。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年;城市快速路線等級(jí);設(shè)計(jì)車速為80km/h,雙向6車道;地震烈度按Ⅶ度設(shè)防;最小平曲線半徑為1000m;隧道最大縱坡為3.9%隧道最小縱坡為0.4%;隧道限界高度為5.0m;行車道寬度為2×3.5m+3.75m;瀝青混凝土路面;設(shè)計(jì)荷載為城—A級(jí),汽車超20級(jí),掛車—120級(jí)檢算;設(shè)計(jì)安全等級(jí)為A級(jí);一級(jí)結(jié)構(gòu)防水。4.2地質(zhì)條件描述工程所處膠州灣平均水深為7m,最大水深65m,灣口最大水深42m。海底大部分無覆蓋層,地形起伏較大,基巖為弱風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖與火山巖,且弱風(fēng)化層很薄,巖石完整性好。隧址處無大斷裂構(gòu)造,所發(fā)現(xiàn)斷裂大部分為高角度、中新代脆性斷裂構(gòu)造,以壓扭性為主,其寬度在數(shù)米至數(shù)十米不等。斷層內(nèi)以壓碎巖、碎裂巖、糜棱巖為主。部分?jǐn)嗔丫哂袕埿?斷層兩側(cè)有數(shù)米寬的影響帶。隧道左線、右線縱斷面地質(zhì)條件有較大差異,為簡(jiǎn)化敘述,僅以左線隧道為例。風(fēng)化深槽和斷層破碎帶是控制隧道垂直線路巖石覆蓋厚度的關(guān)鍵剖面。縱斷面海域部分發(fā)育有10條斷層,根據(jù)工程地質(zhì)縱斷面圖初步分析認(rèn)為,左線隧道斷層F2-3、F3-1、F4-1、F4-3基巖風(fēng)化層較厚,類似于風(fēng)化深槽。斷層處大多為Ⅴ級(jí)圍巖,僅占隧道線路長(zhǎng)度的6.2%。斷層帶可以通過注漿加固、超前支護(hù)等輔助工法減小巖石覆蓋厚度。為全面考慮,左線隧道選取上述4個(gè)斷層位置和6個(gè)完整巖石位置作為研究剖面,如圖3所示。每個(gè)剖面的地質(zhì)條件描述見表1。海水深度指最大高潮位水平面至海底深度,最大高潮位高程為+3.11m。簡(jiǎn)化計(jì)算,軟土層包括黏土層、全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層。4.3日本最小涌水量法的原理根據(jù)日本最小涌水量法確定最小巖石覆蓋厚度的經(jīng)驗(yàn)公式(2),計(jì)算出左線隧道分析剖面的最小巖石覆蓋厚度。等價(jià)圓半徑取8m,海水深度見表1。計(jì)算結(jié)果見表2。日本最小涌水量建立在達(dá)西定律線性滲流的基礎(chǔ)上,最小涌水量法取滲水量的極小值時(shí)對(duì)應(yīng)的巖石覆蓋厚度與隧道滲水量絕對(duì)量值無關(guān)。換句話說,最小涌水量法確定的最小巖石覆蓋厚度與圍巖的滲透系統(tǒng)無關(guān),只與海水深度相關(guān)。海水越深,所取的最小巖石覆蓋厚度越大。對(duì)于滲透性高的圍巖,滲水量直接影響隧道防滲、排水費(fèi)用。對(duì)于滲透性很小的圍巖,涌水量也小,不同巖石覆蓋厚度對(duì)應(yīng)的隧道涌水量差值量級(jí)也小,因此由涌水量法確定最小巖石覆蓋厚度意義也就不大。4.4頂水采煤確定的最小巖儲(chǔ)層覆巖網(wǎng)絡(luò)覆蓋厚度對(duì)于膠州灣隧道,選定的典型分析剖面(圖3),根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的相應(yīng)剖面基巖巖性、海水深度,根據(jù)式(5)確定保護(hù)層厚度,見表3。綜合考慮基巖表面裂隙帶高度、保護(hù)層厚度、隧道破裂帶高度,給出頂水采煤確定的最小巖石覆蓋厚度建議值,見表4。表面裂隙帶按下面方法取值:①軟土層厚度大于等于5m時(shí),表面裂隙帶厚度按軟土層厚度取值;②軟土層厚度小于5m,表面裂隙帶厚度按5m計(jì)算。4.5圍巖數(shù)值分析方法采用FLAC3D軟件模擬海底隧道在孔隙水壓力作用下不同巖石覆蓋厚度隧道開挖時(shí)圍巖的變形,根據(jù)最小位移法原理,確定相應(yīng)剖面的最小巖石覆蓋厚度。本文采用三維連續(xù)體快速拉格朗日分析程序(FLAC3D)模擬海底隧道在基巖孔隙水壓力作用下的開挖變形。巖石覆蓋厚度按1m間隔,如Lk2+222剖面,巖石覆蓋厚度取10m和11~30m,共計(jì)21個(gè)工況。取隧道軸線長(zhǎng)度為100m,以各分析剖面為中心,左右各50m。計(jì)算時(shí),取隧道軸線方向?yàn)閦軸,水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?yàn)閤軸,鉛直方向?yàn)閥軸。z方向范圍為-50m<z<50m;x方向范圍為-80m<x<80m;y方向下邊界為隧道底板線向下50m,上表面為覆蓋層表面。隧道周邊關(guān)鍵點(diǎn)見圖4?？紫端畨毫Π醋畲蟾叱蔽凰矫嬗?jì)算,最大高潮水位高程為+3.11m。缺少工程區(qū)域初始地應(yīng)力測(cè)試,假定垂直應(yīng)力為自重應(yīng)力場(chǎng),水平應(yīng)力的側(cè)壓力系數(shù)取0.8。采用彈塑性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,巖體物理力學(xué)參數(shù)見表5。圖4為隧道周邊關(guān)鍵點(diǎn)示意圖。采用上文提出的最小位移法判據(jù)確定每個(gè)剖面的最小巖石覆蓋厚度,這里僅給出Lk2+222、Lk3+218兩個(gè)剖面的隧道巖石覆蓋厚度與隧道拱頂位移的關(guān)系曲線見圖5和圖6。由圖可見,由數(shù)值方法確定的Lk2+222剖面、Lk3+218剖面最小巖石覆蓋厚度分別為23m和15m。表6為彈塑性有限差分法計(jì)算確定的所有剖面的最小巖石覆蓋厚度。4.6不同模式地質(zhì)綜合分析建議值對(duì)比根據(jù)膠州灣隧道地質(zhì)勘察報(bào)告給出的各種巖性的縱波波速,查閱相關(guān)文獻(xiàn)給出挪威較差巖石、較好巖石對(duì)應(yīng)的縱波波速,見表7。依據(jù)權(quán)函數(shù)法、挪威經(jīng)驗(yàn)法,分別采用式(6)和式(7)給出膠州灣左線隧道的最小巖石覆蓋厚度的綜合分析建議值和挪威經(jīng)驗(yàn)建議值,見表8。由表8繪出膠州灣左線隧道海底高程、綜合分析建議值確定的拱頂線高程和挪威經(jīng)驗(yàn)建議值確定的拱頂