廈門翔安海底隧道關(guān)鍵施工技術(shù)

中鐵二十二局集團(tuán)報(bào)告內(nèi)容一、翔安海底隧道工程工程介紹1.工程概況2.工程難點(diǎn)3.工程難點(diǎn)4.工程難點(diǎn)1.工程概況廈門大橋海滄大橋廈門東通道（翔安隧道）翔安區(qū)廈門島金門鼓浪嶼漳州翔安隧道地理位置圖2021年4月26日全線通車翔安隧道翔安端洞口實(shí)景廈門翔安海底隧道工程主要包括五通互通，跨海翔安隧道和西濱互通三局部工程。線路總長(zhǎng)8.695km，翔安隧道全長(zhǎng)6.05km，其中海域段長(zhǎng)4.2km，為雙向6車道雙洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海域，兩側(cè)為行車主洞，中間一孔為效勞隧道。隧道沿線設(shè)通風(fēng)豎井兩座，車行橫洞5處，人行橫洞12處，翔安西濱側(cè)設(shè)收費(fèi)、效勞、管理區(qū)。52m22m翔安隧道橫斷面示意圖1〕V形縱剖面，下坡施工，施工排水量大海底隧道洞口高，中間低，縱剖面呈V形，下坡施工，水〔圍巖滲水和施工用水〕不能自流排出，施工中必須制訂完善的排水方案，采用足夠的排水設(shè)備不間斷地排水，施工供電也必須平安、可靠、不間斷。2.工程特點(diǎn)4〕斷面大，工法多主隧道按3車道設(shè)計(jì)，最大開挖斷面尺寸為17.04m×12.55m(170m2)；根據(jù)隧道區(qū)域地質(zhì)條件，主要采用CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、上下臺(tái)階法施工。IIIIIIIVCRD工法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法5〕隧道結(jié)構(gòu)防腐、抗?jié)B要求高本工程使用年限按照100年設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，陸域隧道二次襯砌為C30防腐蝕混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P8，海域隧道二次襯砌為C45高性能防腐混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P12，同時(shí)采用具有抗海水侵蝕的噴射混凝土，鋼筋網(wǎng)為V級(jí)，風(fēng)化槽采用鋼拱架組成初期支護(hù)，取消系統(tǒng)錨桿，鋼拱架接頭處設(shè)鎖腳鋼管，在初期支護(hù)和二次襯砌之間，選擇PVC防水板和系統(tǒng)盲管做排水系統(tǒng)，確保滿足隧道設(shè)計(jì)使用年限的要求。6〕施工風(fēng)險(xiǎn)大地下水是海底隧道施工中的最大風(fēng)險(xiǎn)。海底隧道與一般山嶺隧道最明顯的差異，就是其水源是無限的海水。由于本工程大局部區(qū)域是在水下，地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的多變性和不可確定性，稍有不慎，很有可能在施工中發(fā)生涌水、突水、造成隧道持續(xù)坍塌或嚴(yán)重進(jìn)水，如采取措施不當(dāng)，將對(duì)施工人員和機(jī)械設(shè)備造成極大的威脅，甚至導(dǎo)致工程報(bào)廢，造成無可挽回的損失。7〕標(biāo)段劃分整個(gè)隧道分為四個(gè)標(biāo)段，其中A1標(biāo)和A2標(biāo)位于隧道進(jìn)口，A3標(biāo)和A4標(biāo)位于隧道出口，將兩個(gè)豎井和效勞隧道按工作量的大小和施工方便進(jìn)行分配。A1：3.16Km（ZK6+540～ZK9+700）翔安A2：3.14Km（YK5+930.5～YK9+700）A3：2.885Km（ZK9+700～ZK12+585）A4：3.655Km（YK9+700～YK13+355

）標(biāo)段劃分示意圖8〕環(huán)保、水保、文明施工要求高廈門島是國(guó)內(nèi)著名的海濱旅游城市，風(fēng)景優(yōu)美，地域特色明顯，翔安隧道設(shè)計(jì)施工理念新穎，隧道建設(shè)的社會(huì)意義重大，對(duì)環(huán)保、水保、文明施工要求高。3.工程重點(diǎn)施工用到的RPD-180C多功能地質(zhì)鉆機(jī)采取“以堵為主〞的施工原那么，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)確分析前方地質(zhì)破碎帶情況。采取超前帷幕注漿，超前小導(dǎo)管和中空錨桿注漿，后注漿等防水措施，將隧道開挖面周圍的涌水或滲水封堵于結(jié)構(gòu)之外；重視初期支護(hù)背后注漿防水，根本實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)無滲漏。重視襯砌反面排水層的施作，保證隧道第二道防線。重視在初期支護(hù)背后充填注漿的施工，確保初期支護(hù)不滲不漏。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的自防水能力，封閉滲漏水在初期支護(hù)之外，二次襯砌結(jié)構(gòu)在無水條件下施工，確保二次襯砌施工質(zhì)量。采取分區(qū)防水形式，充分保證防水板的防水效果3〕耐久性混凝土施工海底隧道對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提出更高的要求。由于海底隧道大局部處于水域之下，地下水水質(zhì)與海水十分接近，均屬于CL—Na·Mg型，為了防止鋼筋和混凝土的腐蝕，采取措施如下：在隧道結(jié)構(gòu)混凝土〔包括噴射混凝土和二次襯砌混凝土〕施工過程中，采用先進(jìn)的施工工藝和檢測(cè)手段。進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性。根據(jù)工程施工條件進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)，防止溫度裂縫出現(xiàn)。4〕隧道監(jiān)控量測(cè)海底隧道對(duì)施工平安性的要求遠(yuǎn)高于陸地隧道。施工中必須進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)與信息化施工。它是保證隧道平安的有效手段。為掌握圍巖開挖過程中的動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，采取措施如下：將監(jiān)控量測(cè)作為一道重要工序：在施工的全過程中，實(shí)施全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作，并將其作為一道重要工序納入隧道施工中，留足時(shí)間，配齊人員。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)施工：根據(jù)隧道圍巖條件、支護(hù)類型和參數(shù)、施工方法編制量測(cè)方案，按照設(shè)計(jì)要求的監(jiān)測(cè)頻率和方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析和判斷，對(duì)圍巖—支護(hù)體系的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷隧道和圍巖是否穩(wěn)定，從而指導(dǎo)施工，反響設(shè)計(jì)，據(jù)此確定相應(yīng)施工措施，確保圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、平安。5〕隧道施工平安風(fēng)險(xiǎn)管理由于海底隧道施工條件的復(fù)雜性，決定了其施工必須以平安為前提，施工中應(yīng)遵循“預(yù)案在先、躲避風(fēng)險(xiǎn)〞的原那么。海底隧道施工中的最大威脅是掘進(jìn)中的突水、突泥及坍塌，一旦出現(xiàn)突水、涌泥事故，將對(duì)人員、設(shè)備及工程造成極大的損失。因此，除應(yīng)采用各種有效的工程措施以保證施工平安和結(jié)構(gòu)平安外，還應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的意外制訂應(yīng)急措施，盡可能將損失降到最小。主要應(yīng)急措施包括報(bào)警裝置、排水設(shè)備和逃生路線規(guī)劃等。同時(shí)配置洞內(nèi)平安監(jiān)控體系，通過高度自動(dòng)化的連續(xù)、跟蹤、系統(tǒng)檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)平安隱患，制訂應(yīng)急對(duì)策并快速組織實(shí)施，從而確保施工平安。4.工程難點(diǎn)2〕隧道通過海底風(fēng)化槽〔囊〕施工隧道通過海底風(fēng)化槽〔囊〕時(shí)，上覆土層較淺，巖層軟弱破碎，一旦施工擾動(dòng)過大，隧道頂部高水壓〔0.7MPa〕容易將隧道覆蓋層擊穿，從而發(fā)生坍塌、突水、突泥。主要采取如下措施：〔1〕施工中按照“先探水，再注漿，后開挖〞的施工程序，以探水、周邊淺孔預(yù)注漿為主的全斷面注漿與開挖交替進(jìn)行，即探水注漿一段，開挖一段，穩(wěn)扎穩(wěn)打。遵循“管超前，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)〞的原那么?！?〕采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基數(shù)，采取全新的帷幕注漿，注漿的加固范圍應(yīng)為開挖斷面直徑的2.0~3.0倍，注漿后采用雙層超前小管棚支護(hù)，CRD法開挖，減弱震動(dòng)，控制爆破，噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架聯(lián)合支護(hù)。。王夢(mèng)恕院士和張楚漢院士指導(dǎo)砂層施工宋振騏院士和盧耀如院士在砂層掌子面二、翔安海底隧道穿越軟弱地層施工穩(wěn)定性控制研究研究?jī)?nèi)容1.緒論1.1研究目的本課題緊密結(jié)合廈門翔安海底隧道施工，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算和理論分析進(jìn)行研究?！?〕利用數(shù)值方法，模擬現(xiàn)場(chǎng)土層和施工條件，對(duì)CD和CRD工法分別建模計(jì)算、進(jìn)行數(shù)值模擬分析和比較，綜合考慮，確定合理的施工方法；〔2〕設(shè)計(jì)六種不同的工況和兩種不同工序，對(duì)各種工況開挖過程中的地層三維變形狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析和總結(jié)變形、失穩(wěn)規(guī)律，在此根底上優(yōu)化CRD工法各部之間的步距和工序；1.2研究?jī)?nèi)容〔3〕將變形分配控制原理應(yīng)用于翔安隧道施工，確定控制目標(biāo)值，通過監(jiān)測(cè)反響，分步控制，將變形控制在平安范圍之內(nèi)；〔4〕研究鎖腳錨桿的作用機(jī)理，對(duì)鎖腳錨桿的施工效果進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究其受力和變形規(guī)律，優(yōu)化鎖腳錨桿的設(shè)計(jì)和施工方法；〔5〕建立初支和圍巖相互作用的突變模型，利用初支剛度和圍巖的弱化剛度研究圍巖的突變失穩(wěn)。從理論上解釋了壁后注漿加固機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證充填注漿對(duì)控制沉降的作用。2.1淺埋大跨軟巖隧道施工方法2.2工程及地質(zhì)概況2.3隧道入口端CD法與CRD法開挖引起的沉降量比較2.4本章小結(jié)近年來國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)例說明，在各種地質(zhì)條件下隧道施工的方法很多，但適合大斷面隧道的根本施工方法有六種：臺(tái)階法、上半斷面臨時(shí)閉合臺(tái)階法、CD工法、CRD工法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、眼鏡工法〔雙側(cè)壁導(dǎo)坑法〕。臺(tái)階法短臺(tái)階法預(yù)留核心土臺(tái)階法2.1淺埋大跨軟巖隧道施工方法臺(tái)階法大量施工實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明：在控制沉降方面施工方法擇優(yōu)順序?yàn)椋弘p側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD工法、CD工法、預(yù)留核心土臺(tái)階法、臺(tái)階法；在控制水平位移方面施工方法擇優(yōu)順序?yàn)椋篊RD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD工法、上半斷面臨時(shí)閉合臺(tái)階法、臺(tái)階法；從施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)角度方面擇優(yōu)順序?yàn)椋号_(tái)階法、預(yù)留核心土臺(tái)階法、CD工法、CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法CRD工法廈門海底隧道斷面大、圍巖軟弱、地質(zhì)條件復(fù)雜，臺(tái)階法難以適用，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是在對(duì)地表沉降要求特別嚴(yán)的情況下采用的施工方法，所以根據(jù)海底隧道的實(shí)際，只考慮采用CD工法或CRD工法。本章對(duì)這兩種施工方法進(jìn)行模擬和比較。CD工法CRD工法12342.2工程及地質(zhì)概況模型建立采用FLAC3D進(jìn)行計(jì)算分析，模型范圍向下取50m、向上取到地表、隧道左右兩側(cè)各取50m、縱向從洞口取50m。模型位移邊界條件隧道左右兩側(cè)給定X方向位移約束；底面給定Z方向位移約束；縱向邊界面〔不包括洞口邊界面〕給定Y方向位移約束。模型中采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，地層及管棚加固區(qū)采用摩爾－庫(kù)侖模型，隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，模型共劃分16900個(gè)單元，18438個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。2.3隧道入口端CD法與CRD法開挖引起的沉降量比較

CD法施工導(dǎo)洞1、2分別向前開挖20、5m時(shí)拱頂最大沉降86mm施工臺(tái)階長(zhǎng)度為15米時(shí)各工況拱頂最大沉降量CRD法施工導(dǎo)洞1、2分別向前開挖20、5m時(shí)拱頂最大沉降66mm

CD法施工導(dǎo)洞1、2、3、4分別向前開挖45、30、25、10m時(shí)拱頂最大沉降98mmCRD法施工導(dǎo)洞1、2、3、4分別向前開挖45、30、25、10m時(shí)拱頂最大沉降68mm〔1〕采用CD法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度分別為5m、10m、15m米時(shí)隧道拱頂最大沉降分別為91、94、98mm，因?yàn)榕_(tái)階越長(zhǎng)，整體封閉成環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)，所以產(chǎn)生的沉降越大；〔2〕雖然臺(tái)階短，封閉成環(huán)時(shí)間短，拱頂產(chǎn)生的沉降小，但臺(tái)階長(zhǎng)度一般不宜小于5m，如臺(tái)階過短，上臺(tái)階開挖施工機(jī)械難以擺放，且下臺(tái)階掌子面過早暴露，上下臺(tái)階開挖相互擾動(dòng)影響過大，反而增大圍巖變形；〔3〕采用CRD法比CD法施工拱頂沉降將明顯減小，臺(tái)階長(zhǎng)15米拱頂最大沉降僅68mm，比CD法減小30mm，這是由于CRD法的腰撐能及時(shí)閉合掌子面，腰撐成為臨時(shí)仰拱，在阻止結(jié)構(gòu)初期下沉方面起了關(guān)鍵作用，因此拱頂沉降明顯減小。2.4本章小結(jié)3.1概述3.2地質(zhì)狀況及面臨的問題3.3隧道施工的三維數(shù)值模擬參數(shù)和內(nèi)容確定3.4兩種不同施工工序計(jì)算分析3.5本章小結(jié)3.1概述翔安隧道陸域段為全風(fēng)化花崗巖，這種圍巖未擾動(dòng)之前堅(jiān)硬、枯燥、穩(wěn)定，而開挖暴露、遇水后那么迅速膨脹、軟化，自穩(wěn)能力急劇下降。如果工序銜接不緊、掌子面封閉不及時(shí)、CRD步距過大、拱腳積水等會(huì)導(dǎo)致圍巖變形異常。3.2地質(zhì)狀況及面臨的問題王夢(mèng)恕院士指導(dǎo)軟弱地層施工這些異常變形表現(xiàn)為噴射混凝土出現(xiàn)開裂、臨時(shí)支護(hù)變形嚴(yán)重、初支受到破壞等。以下對(duì)產(chǎn)生大變形的原因進(jìn)行分析，以詳細(xì)了解CRD工法施工各導(dǎo)洞變形比例分配、各導(dǎo)洞步距和施工順序?qū)Τ两档挠绊懀岢鯟RD施工變形控制措施，指導(dǎo)施工。臨時(shí)支護(hù)嚴(yán)重變形噴射混凝土開裂為掌握CRD步距對(duì)拱頂沉降的影響，選取地質(zhì)條件根本相同，但步距不同的兩段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，步距和監(jiān)測(cè)情況見下表各部間距平均值（m）ZK12+280-240（變形較小段）ZK12+395-355（變形較大段）對(duì)比情況1-3部9.1519.8519.85-9.15=10.72-3部21.1913.3513.35-21.19=-7.842-4部9.412.3612.36-9.4=2.961-4部39.745.5745.57-39.7=5.87平均拱頂下沉(mm)106455455-106=349平均AA’收斂(mm)204141-20=21平均CC’收斂(mm)-17-35-35+17=-18根據(jù)第二章模擬結(jié)果，同樣工況下CRD1、2部步距分別為15、10、5m時(shí)拱頂最大沉降量分別為99、95、91mm，可見步距會(huì)對(duì)拱頂沉降造成一定的影響，步距越大，沉降越大。3.3CRD工法導(dǎo)洞步距對(duì)沉降量的影響3.4兩種不同施工工序計(jì)算分析1234工序施工示意圖1234工序施工各導(dǎo)洞開挖引起拱頂累積沉降量（單位：mm）導(dǎo)洞開挖順序?qū)Ф?開挖完畢導(dǎo)洞2開挖完畢導(dǎo)洞3開挖完畢導(dǎo)洞4開挖完畢拱頂累積沉降85.5105.5185.7232.21324工序施工示意圖1324工序施工各導(dǎo)洞開挖引起拱頂累積沉降量（單位：mm）導(dǎo)洞開挖順序?qū)Ф?開挖完畢導(dǎo)洞3開挖完畢導(dǎo)洞2開挖完畢導(dǎo)洞4開挖完畢拱頂累積沉降85.5127.0204.2263.5〔1〕兩種工序，導(dǎo)洞1開挖產(chǎn)生的拱頂沉降所占整體沉降的比例都最大，從32％－37%，因而控制導(dǎo)洞1的沉降量對(duì)減小最終拱頂沉降有決定意義；〔2〕同等條件下，1234工序控制拱頂沉降的效果優(yōu)于1324工序，1234工序沉降232.2mm，而1324工序沉降263.5mm，可見，從數(shù)值理論上分析，1234工序更有利于控制拱頂沉降。因?yàn)樗淼篱_挖洞跨比決定自然成拱能力，土體大局部應(yīng)力要由結(jié)構(gòu)承擔(dān)，洞跨比越大，變形就越大；CRD工法中，先開挖12導(dǎo)洞后開挖34導(dǎo)洞，其受力機(jī)理相當(dāng)于CD法；先開挖13導(dǎo)洞后開挖24導(dǎo)洞，相當(dāng)于臺(tái)階法，顯然，CD法控制沉降優(yōu)于臺(tái)階法?！?〕從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果看，仰拱閉合對(duì)拱頂沉降起著決定性作用，單個(gè)導(dǎo)洞未閉合之前沉降占總沉降75％以上，因此，應(yīng)加快仰拱閉合；〔4〕從六種工況、兩種工序數(shù)值分析得到的拱頂最大沉降值看，按設(shè)計(jì)要求正常施工，拱頂沉降可以控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；3.5本章小結(jié)4.1概述4.2目標(biāo)控制值確實(shí)定4.3變形異常的原因分析4.4異常變形控制措施4.5本章小結(jié)4.變形分配控制原理及其在翔安隧道中的應(yīng)用研究軟弱地層大斷面海底隧道施工是一個(gè)龐雜的系統(tǒng)工程，涉及到多種工藝、多道工序，自始至終是動(dòng)態(tài)的、不斷變化的過程，因此它對(duì)拱頂下沉、水平收斂和地表沉降的影響是一個(gè)累積的效果，所以可以把對(duì)拱頂沉降和地表下沉的控制標(biāo)準(zhǔn)分解到每個(gè)施工步序中，形成施工各具體步序的控制標(biāo)準(zhǔn)或控制指標(biāo)，只要單個(gè)步序的沉降量得到控制，那么最終變形量就能得到控制，這就是所謂變形分配控制原理。4.1概述變形分配控制的優(yōu)點(diǎn)〔1〕將總體變形控制量分解到每個(gè)工序，明確每步控制目標(biāo)，操作性強(qiáng)；〔2〕對(duì)構(gòu)筑物變形有一個(gè)整體規(guī)劃，可以明確施工控制的重點(diǎn)；〔3〕及時(shí)掌握監(jiān)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏離動(dòng)態(tài)，及時(shí)處理，防止風(fēng)險(xiǎn)的累積，使變形控制處于積極、主動(dòng)的地位。將變形分配控制原理應(yīng)用于廈門海底隧道〔1〕首先，通過數(shù)值計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)確定控制的目標(biāo)值；〔2〕其次，通過監(jiān)測(cè)掌握變形信息，與目標(biāo)值對(duì)照；〔3〕最后，分析過度變形原因，采取措施，確保累計(jì)變形量小于目標(biāo)值。通過第三章CRD法施工1234工序進(jìn)行數(shù)值模擬，得到各導(dǎo)洞開挖完畢累計(jì)沉降量及分部沉降比率〔目標(biāo)值〕如下表：CRD法變形分配比率及控制目標(biāo)值4.2目標(biāo)控制值確實(shí)定工序和沉降部位工序1234施工分部沉降（mm）累積沉降（mm）各部沉降百分比I部開挖支護(hù)完畢85.585.536.4II部開挖支護(hù)完畢20.0105.58.5III部開挖支護(hù)完畢80.2185.734.2IV部開挖支護(hù)完畢46.5232.219.8拆撐、二襯完畢2.5234.71.1注：I-II部步距10m；II-III部步距10m；III-IV部步距10m；二襯-IV部步距80m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，水平位移控制目標(biāo)為：相對(duì)收斂允許值是兩測(cè)點(diǎn)間距的0.8％。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出各部變形控制目標(biāo)值，以各部目標(biāo)控制值為標(biāo)準(zhǔn)，在施工中進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使分步變形量低于分步控制目標(biāo)，確保整體控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。以下對(duì)出現(xiàn)異常變形的地段進(jìn)行分析。翔安隧道陸域段全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖異常變形主要有2種形式：拱頂下沉異常、水平收斂異常。為得到左線隧道CRD工法變形偏大的原因，選擇了變形偏大段〔ZK12+395-355〕和變形較小段〔ZK12+280-240〕進(jìn)行分析，這兩段地質(zhì)情況相近，但施工過程控制不同。4.3變形異常的原因分析測(cè)點(diǎn)里程H1下沉AA′收斂CC′收斂累計(jì)㎜天數(shù)d累計(jì)㎜天數(shù)d累計(jì)㎜天數(shù)dZK12+395-355變形較大段統(tǒng)計(jì)ZK12+39549417240172-37153ZK12+38741717851176-35157ZK12+38258815947174-38146ZK12+37048315746157-40141ZK12+36042415329153-29130ZK12+35532414832148-30138平均45516141163-35144ZK12+280-240變形較小段統(tǒng)計(jì)ZK12+28092902055-2277ZK12+270130802158-1576ZK12+255109701964-1964ZK12+250104612361-960ZK12+24097551755-1952平均106712059-1766變形偏大原因分析上表變形較大段與較小段H1、AA′、CC′累計(jì)平均值比照情況如下：拱頂下沉H1：455mm/106mm=4.29倍；累計(jì)收斂AA′：41mm/20mm=2.05倍；累計(jì)收斂CC′：35mm/17mm=2.06倍。通過比較，發(fā)現(xiàn)變形過大地段與以下因素有關(guān)：a、與圍巖特性有關(guān)全風(fēng)化花崗巖泥質(zhì)含量高，滲透性差，隧道以2.9%順坡掘進(jìn)，容易造成掌子面積水，地基軟化，承載力下降。同時(shí)，假設(shè)開挖后噴射混凝土不及時(shí)，掌子面亦會(huì)變潮滲水、土體弱化、松動(dòng)范圍擴(kuò)大，造成圍巖變形失穩(wěn)。b、CRD各部步距過長(zhǎng)前面第三章已經(jīng)提到，步距越大，產(chǎn)生的沉降也越大；本段CRD1、2部步距為15、10、5m時(shí)，隧道拱頂最大沉降分別為99mm、95mm、91mm，可見步距會(huì)對(duì)隧道的拱頂沉降造成一定的影響。c、初支各部自成環(huán)及全斷面成環(huán)時(shí)間長(zhǎng)各部各自成環(huán)平均時(shí)間及全斷面閉合時(shí)間比照表單位：d項(xiàng)目里程1部平均成環(huán)時(shí)間2部平均成環(huán)時(shí)間3部平均成環(huán)時(shí)間4部平均成環(huán)時(shí)間各部平均成環(huán)時(shí)間全斷面閉合時(shí)間ZK12+395-35565.73.85.55.2521ZK12+280-24064.14.244.57518.3ZK12+395-355各部自成環(huán)時(shí)間和全斷面閉合成環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致沉降變形加大。d、永久仰拱未能及時(shí)緊跟由下表永久仰拱施作前后的初期支護(hù)變形速率比照可以看出永久仰拱施作后，拱頂下沉速度明顯減少，只是施作前的27.68%測(cè)點(diǎn)里程量測(cè)內(nèi)容永久仰拱施作前永久仰拱施作后施作后前日均變形比天數(shù)（d）累計(jì)變形（ｍｍ）日均變形（mm/d）天數(shù)（d）累計(jì)變形（ｍｍ）日均變形（mm/d）ZK12+443拱頂下沉H184630.75002269-63=60.27270.36拱腰收斂A-A′84-13-0.154822(-13)-(-6)=-7-0.31822.06ZK12+438拱頂下沉H1811081.333322113-108=50.22730.17拱腰收斂A-A′82230.28052231-23=80.36361.30ZK12+433拱頂下沉H1761842.421120192-184=80.40000.17拱腰收斂A-A′7640.0526202-4=-2-0.1000-1.90ZK12+395-355段仰拱在I部掌子面開挖后98天才施工導(dǎo)致拱頂下沉和水平收斂過大。e、初支背后填充注漿不及時(shí)由于噴射混凝土末與圍巖完全密貼，開挖輪廓線周圍一定范圍內(nèi)的圍巖會(huì)松弛，松動(dòng)荷載作用在初支上，致使初支變形加大；因此，加強(qiáng)初支背后充填注漿，增強(qiáng)噴射混凝土與圍巖的密貼程度，以提高初支與圍巖的承載力，是非常重要的。注漿前后，拱頂最大沉降數(shù)值模擬結(jié)果為：注漿后為127.5mm，注漿前為283.1mm，變形減少55％，說明注漿對(duì)改進(jìn)地層效果顯著。初支背后充填注漿后拱頂最大沉降127.5mm不進(jìn)行初支背后充填注漿拱頂最大沉降283.1mm01盡早設(shè)置臨時(shí)仰拱，使支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)02控制臺(tái)階長(zhǎng)度03初支背后及時(shí)充填注漿04實(shí)施超前降水05設(shè)置鎖腳錨桿06及時(shí)處理拱腳積水07加強(qiáng)仰拱注漿08超前注漿加固地層4.4異常變形控制措施4.5本章小結(jié)5.1概述5.2鎖腳錨桿作用機(jī)理及在工程中的運(yùn)用5.3數(shù)值模擬分析5.4計(jì)算結(jié)果及結(jié)論5.鎖腳錨桿作用機(jī)理數(shù)值模擬分析軟弱地層修建大斷面隧道，為減小基底弱化和初支懸空引起的下沉，尤其是在地層軟弱、含水量大、拱腳積水的情況下，增設(shè)鎖腳錨桿對(duì)控制拱頂下沉的效果非常明顯。本章建立鎖腳錨桿的力學(xué)分析模型，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)研究鎖腳錨桿受力和變形規(guī)律，并據(jù)此分析了各影響因素與拱頂沉降的關(guān)系，最后優(yōu)化鎖腳錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法。5.1概述鎖腳錨桿布置示意圖鎖腳錨桿現(xiàn)場(chǎng)施作鎖腳錨桿1234鎖腳錨桿作用原理是將錨桿打入鋼拱架背后圍巖并注漿，通過錨桿漿液擴(kuò)散、滲透到巖層中，以提高圍巖的力學(xué)性能和自穩(wěn)能力，控制圍巖變形。翔安隧道在施工中，局部斷面拱頂下沉偏大，造成初支侵限，甚至發(fā)生大變形危及結(jié)構(gòu)平安，為控制各部及整體下沉，施工中每榀工字鋼增設(shè)四根Φ42mm，壁厚3mm，L=3m的無縫鋼管注漿鎖腳錨桿。5.2鎖腳錨桿作用機(jī)理及在工程中的運(yùn)用5.3數(shù)值模擬分析施工措施分類拱頂下沉水平收斂1部3部1部2部3部4部不采用鎖腳錨桿7211383897556采用鎖腳錨桿578776806749采用鎖腳錨桿前后行車隧道位移變化數(shù)值模擬情況見下表，施作鎖腳錨桿后，1、3部拱頂下沉分別減小20.8％和23.1％，水平收斂分別減小9.2％、11.5％，采用鎖腳錨桿可有效減小拱頂下沉和水平收斂。5.3.1位移分析支護(hù)結(jié)構(gòu)位置軸力（kN）彎矩（kN*m）安全系數(shù)初期支護(hù)左拱肩-470/-438-35.4/-30.24.8/5.4左拱腰-854/-812-25.1/-21.35.7/6.4仰拱中-311/-298-0.8/-0.815.2/20.4右拱腰-450/-398-25.4/-23.79.5/10.6右拱肩-504/-46248.6/39.51.8/2.1中隔墻上-1046/-11150.5/0.43.4/3.2下-1251/-132123.5/22.12.4/2.5臨時(shí)仰拱左-350/-3022.1/1.79.0/9.2右-753/-701-0.7/-0.63.2/3.35.3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)平安性分析采用鎖腳錨桿前、后支護(hù)結(jié)構(gòu)平安性變化情況見下表，由表可知：采用鎖腳錨桿后初期支護(hù)各部位的平安系數(shù)均比不采用時(shí)有所提高。注：軸力、彎矩和平安系數(shù)欄中分子、分母分別為采用鎖腳錨桿前后的數(shù)值。鎖腳錨桿荷載與下沉值關(guān)系圖

隨著荷載增加錨桿端頭豎向位移呈線性增加，以下圖給出了錨桿不同角度荷載和錨桿露頭部下沉值的關(guān)系。5.3.3鎖腳錨桿沉降與所受荷載的關(guān)系5.3.4鎖腳錨桿作用效果與打入角度、注漿的關(guān)系鎖腳錨桿打入角度與下沉值關(guān)系圖

由以下圖知，無論哪種工況，拱腳錨桿以25o施作時(shí)控制沉降效果最正確。錨桿注漿可增加錨桿的抗彎剛度，漿液擴(kuò)散形成的注漿體可提高錨桿的抗拔力，從計(jì)算結(jié)果看，注漿之后錨桿端部沉降減小20%。5.3.5墊塊對(duì)鎖腳錨桿作用效果影響工況軸力（kN）剪力（kN）彎矩（kN*m）I無注漿233.16210.1165.15II注漿662.2892.4050.02III加墊塊650.251330160.70由上表計(jì)算結(jié)果可知，鎖腳錨桿注漿并加墊塊比不加墊塊沉降減小15-20％，與不注漿相比加墊塊后沉降減小40%。主要因?yàn)槠淇箯潯⒖辜?、抗拉等性能都得到了很好的發(fā)揮，其內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見下表。通過研究，本章得出如下結(jié)論：〔1〕采用鎖腳錨桿可有效控制隧道拱頂下沉和水平收斂；同時(shí)鎖腳錨桿可提高初支結(jié)構(gòu)的平安性；〔2〕當(dāng)角度一定時(shí)，隨著荷載的增加，錨桿豎向位移呈線性增加；在同等施工條件下，拱腳鎖腳錨桿施作25度左右控制沉降的效果最正確；〔3〕不同工況下沉降值相差比較大，不注漿沉降最大，其次是注漿，再次是加墊塊。注漿后比不注漿沉降減小20%左右；注漿加墊塊沉降值能減小40%；〔4〕加墊塊后鎖腳錨桿的彎矩、剪力、拉力等內(nèi)力值都有顯著的增加。5.4計(jì)算結(jié)果及結(jié)論6.軟弱地層滲透擠密注漿沉降控制研究軟弱地層海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)突出，一旦圍巖變形較大，極易引發(fā)突水、塌方。為確保掌子面的穩(wěn)定和隧道施工平安，進(jìn)行注漿加固和堵水是非常必要的。通過全強(qiáng)風(fēng)化地層注漿前后地層力學(xué)特性的變化，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)注漿后圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。注漿效果照片壁后注漿的作用表達(dá)在兩個(gè)方面：提高圍巖的剛度〔彈性模量〕、強(qiáng)度〔粘聚力和內(nèi)摩擦角〕，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性；在含水地層，壁后注漿還可以減小滲漏，防止圍巖遇水弱化，其作用同樣是增加圍巖剛度。6.2壁后注漿的作用在注漿試驗(yàn)段選取兩個(gè)沉降較大的點(diǎn)，繪制注漿前后沉降曲線見下頁(yè)圖6.1～6.2，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，注漿有效的控制了圍巖的變形。6.3軟弱地層滲透擠密注漿對(duì)控制沉降的影響注漿前掌子面泥塑狀不穩(wěn)定注漿后掌子面枯燥穩(wěn)定圖6.1ZK12+402注漿前后效果比照?qǐng)D圖6.2ZK12+395注漿前后效果比照?qǐng)D初期支護(hù)背后滲透擠密注漿，水泥漿液充填初支圍巖間的空隙，以及土體間的空隙，增強(qiáng)密貼程度，提高圍巖和初支的承載力，控制變形，主要表達(dá)為兩種作用：〔1〕滲透作用：指在壓力作用下漿液充填土中的孔隙，擠排出孔隙自由水，而根本上不改變?cè)瓲钔恋慕Y(jié)構(gòu)和體積，所用注漿壓力相對(duì)較小。〔2〕滲透和擠密作用：漿脈周圍土體被滲透和擠密，從而增加周圍土體的密實(shí)度和強(qiáng)度，減小滲透系數(shù)，這是一種綜合效果。通過充填注漿，使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固化，這種注漿不改變?cè)两Y(jié)構(gòu)，但是充填其原有空間為密實(shí)連續(xù)體，有效的控制了地層水的滲入，改善原有圍巖受力條件，有效的控制了沉降。6.4本章小結(jié)課題結(jié)合廈門海底隧道進(jìn)行研究，取得如下成果：1.廈門海底隧道斷面大、圍巖軟弱、地質(zhì)復(fù)雜，臺(tái)階法難以適用，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序多，進(jìn)度慢，一般是在地表沉降要求特別嚴(yán)的情況下才采用的施工方法，因此，重點(diǎn)只需考慮采用CD或CRD工法；為此，對(duì)CD和CRD工法分別建模計(jì)算，對(duì)這兩種工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析和比較，經(jīng)綜合比選，最后確定采用更合理的施工方法—CRD工法，它既保證了廈門海底隧道的施工平安，又節(jié)約了本錢，加快了施工進(jìn)度，創(chuàng)造了月掘進(jìn)73米的高速度；2.利用數(shù)值方法模擬6種工況、2種工序開挖過程中的地層三維變形狀態(tài)，并結(jié)合實(shí)際施工中的變形監(jiān)測(cè)狀況，不斷調(diào)整優(yōu)化CRD工法各部步距、開挖順序和施工工藝。這項(xiàng)創(chuàng)新性成果，為軟弱地層大跨隧道采用CRD法提供新經(jīng)驗(yàn)，使異常變形得到有效控制，將隧道變形控制在目標(biāo)值之內(nèi)；7.結(jié)論3.廈門海底隧道是國(guó)內(nèi)第一條海底隧道，埋深淺、圍巖軟弱、富水、開挖斷面大等特點(diǎn)，為躲避隧道坍塌等風(fēng)險(xiǎn)，以控制圍巖和支護(hù)過大變形為重點(diǎn)，對(duì)隧道變形進(jìn)行整體預(yù)測(cè)確定整體控制目標(biāo)。應(yīng)用變形分配控制原理，對(duì)隧道變形進(jìn)行分階段預(yù)測(cè)，確定階段控制目標(biāo)。把階段控制目標(biāo)分解到每一個(gè)施工工序中，結(jié)合監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案。該項(xiàng)變形分配控制成果改變了原來隧道經(jīng)常發(fā)生異常變形、險(xiǎn)情不斷、侵限換拱的被動(dòng)局面，創(chuàng)造性地使隧道整體變形處于可控狀態(tài)；4.在系統(tǒng)研究鎖腳錨桿作用機(jī)理的根底上，對(duì)不同鎖腳錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了鎖腳錨桿不同施作角度、有無注漿、設(shè)置墊塊與否等因素對(duì)拱頂下沉的影響，優(yōu)化了鎖腳錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)。確保隧道平安，使鎖腳錨桿的施作數(shù)量減少近一半，控制變形的效果顯著增加。透水砂層與隧道關(guān)系縱向剖面圖左線隧道砂層影響范圍縱斷面圖翔安端淺灘翔安端450米透水砂層分布左線隧道右線隧道效勞隧道透水砂層與隧道關(guān)系橫向剖面圖富水砂層與海水連通，砂層侵入隧道內(nèi)長(zhǎng)度達(dá)259m，其余191m在拱頂以上缺乏1米，極易發(fā)生坍塌和突涌水。翔安端透水砂層開挖后揭示的地質(zhì)情況掌子面揭示的粗顆粒黃砂翔安端透水砂層開挖后揭示的地質(zhì)情況掌子面揭示的粉細(xì)白砂翔安端透水砂層開挖后揭示的地質(zhì)情況綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探明砂層分布形態(tài)、性狀；地下連續(xù)墻止水圍幕；連續(xù)墻內(nèi)進(jìn)行井點(diǎn)降水；洞內(nèi)采用TSS導(dǎo)管超前注漿；采用CRD工法開挖。翔安端透水砂層段施工方法洞內(nèi)采用TSS導(dǎo)管超前注漿翔安隧道穿越的風(fēng)化槽簡(jiǎn)介

隧道穿越5條風(fēng)化深槽，F(xiàn)1累計(jì)寬278m