廈門海底隧道堵水限排安全監(jiān)測及分析

杜朝偉，王夢恕，譚忠盛

(1.北京交通大學土木建筑學院，北京 100044;2.河南省交通運輸廳公路管理局，鄭州 450052)

廈門海底隧道堵水限排安全監(jiān)測及分析

杜朝偉1，2，王夢恕1，譚忠盛1

(1.北京交通大學土木建筑學院，北京 100044;2.河南省交通運輸廳公路管理局，鄭州 450052)

海底隧道應采取堵水限排的地下水處理方式，為了研究堵水限排海底隧道圍巖壓力、初期支護水壓力和鋼拱架內(nèi)力在施工階段的變化規(guī)律，結(jié)合廈門海底隧道工程，對施工現(xiàn)場的圍巖壓力、初期支護后水壓力和鋼拱架內(nèi)力進行實時監(jiān)測。研究表明，初期支護在施工階段有較高的安全系數(shù)，止水超前注漿和初期支護背后注漿對海底隧道非常有必要。在堵水限排情況下，通過加強注漿等工程措施，初期支護水壓力可降至靜水壓力的1/3。通過對施工現(xiàn)場排水量的監(jiān)測與分析，提出了排水量控制標準，廈門海底隧道軟弱圍巖地段的排水量應按照0.25 m3/(m·d)控制。研究成果在廈門海底隧道中得到了驗證和應用。

廈門海底隧道;堵水限排;施工監(jiān)測;水壓力;排水量

1 前言

我國的海底隧道已進入一個飛速發(fā)展的時期。2010年5月7日建成通車的廈門翔安海底隧道是我國第一條海底隧道，青黃(青島—黃島)海底隧道也將于2011年通車，在建的海底隧道還有港珠澳海上大通道等，另外瓊州海峽隧道等也正在論證中［1～3］。相對于其他隧道，海底隧道有如下特點:一是滲流場與應力場相互影響;二是海底隧道水源無限供給且不具備自然排水條件，需設置比較完善的排水系統(tǒng)并將排水量控制在可接受的水平。

隧道工程中對地下水的處理方式可采取全封堵方式或排導方式。在全封堵方式下，隧道襯砌后水壓力不能折減，都等于靜水壓力［4］。采用排導方式的最大優(yōu)點是襯砌可以承受較小的水壓力，從而增加了結(jié)構(gòu)的安全性。對于海底隧道，完全避免滲水是不可能也是不必要的，主要的工作是降低滲流量，使其達到可以接受的水平［5］。因此應采取堵水限排的地下水處理方式，即采取注漿等方法封堵地下水以減小排水量，同時允許地下水適量排放。采用堵水限排方案的關鍵問題在于確定隧道排水量。日本青函(青森—函館)海底隧道海底段排水量為0.2736 m3/(m·d)［6］，挪威海底隧道規(guī)范允許的滲水量為300 L/(km·min)，即0.432 m3/(m·d)［7］。

綜上所述，在堵水限排的情況下，海底隧道滲流量和襯砌后水壓力是海底隧道設計者關心的主要問題，而現(xiàn)有的設計規(guī)范中對于襯砌水壓力沒有明確的規(guī)定，對于海底隧道的排水量也沒有確定的標準，需要根據(jù)工程具體情況進行研究。文章以廈門海底隧道為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測研究在堵水限排情況下襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，并通過對排水量的現(xiàn)場監(jiān)測，提出了廈門海底隧道的排水量控制標準。

2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

廈門東通道海底隧道(翔安隧道)連接廈門島東部的五通和對岸翔安大陸的西濱，全長約5.95 km，建成后將是中國大陸地區(qū)第一座海底隧道。工程場區(qū)陸域為風化侵蝕型微丘地貌，海岸帶為海蝕海岸及堆積海灘地貌。工程地質(zhì)以燕山早期花崗巖及中粗粒黑云母花崗閃長巖為主，穿插輝綠巖、二長巖、閃長巖等喜山期巖脈。工程場區(qū)的水文地質(zhì)分為兩段勘查:陸域地下水賦存于殘積土層中，接受大氣降水的補給，屬于潛水;海域地下水主要接受海水的垂直入滲補給，具有承壓性，富水量主要受構(gòu)造控制，具明顯分帶性。

廈門海底隧道A3標富水砂層陸域段圍巖為富水砂層，圍巖滲透系數(shù)為 1.56×10－6m/s，滲透性好。采用CRD(cross diaphragm，橫隔梁)法開挖，施工期間滲水量較大。為減小滲水量和襯砌承受的水壓力，采取了小導管超前注漿的工藝，徑向注漿范圍為5 m，按照設計要求，注漿圈滲透系數(shù)應達到10－7m/s量級。文章重點對A3標富水砂層陸域段進行重點監(jiān)測。

為評價初期支護的安全性，需要在施工期間監(jiān)測初期支護水壓力、圍巖壓力和初期支護鋼拱架內(nèi)力隨開挖過程的變化規(guī)律。監(jiān)測斷面為A3標ZK11+820、ZK11+810斷面和ZK11+600斷面，其中ZK11+820、ZK11+810斷面為全、強分化花崗巖地段，ZK11+600斷面為強風化花崗巖地段，監(jiān)測中實時記錄各物理量隨時間和開挖步序的變化規(guī)律。斷面ZK11+820從2007年7月21日開始施工，8月15日仰拱施工完成;斷面ZK11+810從2007年7月28日開始施工，8月21日初期支護封閉成環(huán);斷面ZK11+600從2007年11月21日開始施工，12月12日初期支護封閉成環(huán)。

為了解初期支護背后回填注漿對水壓力的影響，在初期支護完成之后進行了回填注漿，并對A3標段ZK11+812和ZK11+823斷面初期支護水壓力進行了監(jiān)測，水壓力監(jiān)測所用傳感器為振弦式滲壓計，每個斷面共布置6個滲壓計，分別布置在拱頂、拱腰、拱腳和仰拱。土壓力監(jiān)測選用振弦式土壓盒，量程1 MPa，鋼筋計選用JDGJJ系列鋼筋測力計，布置位置同水壓力測試相同，傳感器布置位置如圖1所示，水壓力和土壓力測點編號見圖2。

圖1 傳感器布置圖Fig.1 The location of sensors

3 初期支護水壓力確定與安全評價

圖2 測點位置圖Fig.2 The location of testing points

3.1 初期支護水壓力監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測水壓力的曲線如圖3和圖4所示。由于斷面 ZK11+600傳感器破壞較多，僅列舉了ZK11+820和ZK11+810斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 ZK11+820斷面水壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.3 The monitoring temporal curves of water pressure of ZK11+820 section

圖4 ZK11+810斷面水壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.4 The monitoring temporal curves of water pressure of ZK11+810 section

由圖3和圖4可知，初期支護未封閉成環(huán)前，初期支護水壓力隨掌子面推進有降低的趨勢，掌子面的水壓力為最小值。隨著初期支護封閉成環(huán)，初期支護水壓力逐漸增加，其中拱腳處水壓力增加最快，至一定值后漸趨穩(wěn)定。從監(jiān)測曲線來看，斷面K11+820和K11+810穩(wěn)定后的初期支護最大水壓力都出現(xiàn)在拱腳的位置，最大值分別達到0.084 MPa和 0.125 MPa。其次是仰拱部位，但是比拱腳部位的水壓力要小很多，拱頂和拱腰部位的水壓力均很小。該處拱頂水頭為30 m，初期支護最大水壓力分別占拱頂水壓力的28%和41.6%，平均為34.8%。

總額預付制下的DRGs醫(yī)保費用控制，其本質(zhì)就是要對醫(yī)院實行精細化管理。在這種支付方式下，通過嚴格控制患者的均次費用和患者的醫(yī)藥費用，嚴控醫(yī)師大處方、重復檢查和抗菌藥物的使用，在一定程度上維護了患者權益，減輕了患者負擔。其目的是將醫(yī)保總額通過DRGs病種分解到各個臨床科室的多個金額較小的控費指標，結(jié)合PDCA循環(huán)法實現(xiàn)醫(yī)保費用的全面控制。這種精細化的管理思路幫助醫(yī)院和臨床科室及時找到引起醫(yī)保費用變化的不合理因素，據(jù)此對責任科室進行必要的干預，最終通過精細化管理完成醫(yī)院醫(yī)保總額基金控制的目標。

3.2 初期支護承受水壓力分析

根據(jù)地下水水力學［8］及復變函數(shù)［9］理論，可推導初期支護背后的水壓力，則初期支護背后水頭如式(1)所示。

式(1)中，Hl為初期支護內(nèi)表面水頭;Hc為初期支護背后水頭;h為海床面距隧道中心的距離;hw為海平面距海床面的距離;kr為圍巖滲透系數(shù);kg為注漿圈滲透系數(shù);kc為初期支護滲透系數(shù);rl為初期支護內(nèi)半徑;rc為初期支護外半徑;rg為注漿圈半徑。

求出Hc后，即可利用式(2)求得初期支護背后水壓力:

式(2)中，p為水壓力;H為該點的水頭;y為計算點的縱坐標;γ為水的容重。

A3標富水砂層段的圍巖滲透系數(shù)為1.56×10－6m/s，假定 kr/kg=50，利用式(1)和式(2)對ZK11+820的水壓力進行計算，得到初期支護水壓力為0.076 MPa，水壓力系數(shù)為25.3%。ZK11+820斷面穩(wěn)定后初期支護最大水壓力為0.084 MPa，水壓力系數(shù)為28%，兩者基本相符。

廈門海底隧道初期支護設計承受全部土壓力和1/3水壓力。結(jié)合理論計算和現(xiàn)場實測結(jié)果，可以得出結(jié)論:在堵水限排的情況下，初期支護后水壓力可按照靜水壓力的1/3考慮。

3.3 圍巖徑向接觸壓力監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測ZK11+820和ZK11+810斷面的土壓力曲線如圖5和圖6所示。由圖可知，圍巖徑向壓力分布特征如下。

1)初期支護未封閉成環(huán)以前，由于開挖斷面較小及拱腳下沉，各點的土壓力均較小。隨著初期支護封閉，其提供的支護抗力逐漸增大，各測試點的土壓力急劇增大，其中仰拱部位土壓力增長要比拱頂稍微滯后，其增長速率也最大。初期支護封閉15 d以后，各點土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，這符合“地層－支護”特征曲線。

3)拱頂及拱腳也承受較大的土壓力，約為仰拱部位的1/2。拱腰部位的土壓力較小。整個截面比較而言，按壓力值大小排序依次為:p仰拱＞p拱腳＞p拱腰。

圖5 ZK11+820斷面土壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.5 The monitoring temporal curves of wall rock pressure of ZK11+820 section

圖6 ZK11+810斷面土壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.6 The monitoring temporal curves of wall rock pressure of ZK11+810 section

3.4 初期支護鋼拱架結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測的鋼筋應力如圖7至圖9所示。由圖7至圖9可以看出:a.各測試點的最大應力值為92.4 MPa，距離鋼筋的屈服強度相差較大，所測試斷面的初期支護鋼拱架是安全的。b.初期支護封閉成環(huán)后，上下斷面的截面軸力有增加的趨勢，約20 d后逐漸穩(wěn)定;Ⅰ部在初期支護封閉后符號變異，由受壓變?yōu)槭芾.Ⅰ部拱腰初期支護封閉成環(huán)后變?yōu)槭芾龉霸冖舨糠忾]成環(huán)后由受拉狀態(tài)趨變?yōu)槭軌骸ｋS著施工狀態(tài)變化，鋼拱架的內(nèi)力可能在受壓和受拉之間轉(zhuǎn)換，在實際施工過程中其他標段出現(xiàn)了Ⅰ部橫向鋼拱架連接處拉裂的情況，因此應進行鋼拱架在不同施工狀態(tài)下的應力驗算［9］。d.拆除臨時支撐后，各測點鋼拱架內(nèi)力均有不同程度的增大，其中拱頂和拱腰部位應力增長較大，從支護結(jié)構(gòu)截面軸力變化曲線來看，拱頂支護結(jié)構(gòu)承受了較大的軸力。

圖7 ZK11+823鋼拱架受力時程曲線Fig.7 The steel arch stress temporal curves of ZK11+823 section

圖8 ZK11+823拆除臨時支撐時鋼拱架受力時程曲線Fig.8 The steel arch stress temporal curves of ZK11+823 section while the steel arch was removed

圖9 ZK11+812鋼拱架受力時程曲線Fig.9 The steel arch stress temporal curves of ZK11+812 section

3.5 初期支護安全評價

以ZK11+820斷面為例，考慮施工期間初期支護承受土壓力+0.1 MPa水壓力、土壓力+0.2 MPa水壓力作用下，采用荷載結(jié)構(gòu)模型計算其安全性系數(shù)。其中土壓力按照《公路隧道設計規(guī)范》［10］關于土壓力荷載的計算方法求得。該地段拱頂上覆土30 m，主要為全風化花崗巖，上覆少量殘積粘土，將巖層物理力學參數(shù)代入計算，得到如下結(jié)果［8］。豎直荷載:q=336.54 kN/m2;水平荷載:e1=168.61 kN/m2;e2=287.60 kN/m2。

襯砌采用梁單元模擬，圍巖的作用用地基彈簧模擬，彈簧系數(shù)取200 kPa/m，計算得到初期支護在水壓力為0.2 MPa時的安全系數(shù)如表1所示。

表1 初期支護安全系數(shù)值Table 1 The security coefficients of primary support

由表1可以知道，在水壓力為0.2 MPa時仰拱位置安全系數(shù)為1.6，其余位置的安全系數(shù)均大于2.0。考慮到兩個監(jiān)測斷面水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)中最大值為0.125 MPa，初期支護在隧道開挖過程中是安全的，能夠承受施工期間的全部荷載。

4 回填注漿對初期支護水壓力的影響

A3標段在ZK11+915～ZK11+810初期支護完成后，滲漏情況很嚴重，經(jīng)過近一個月的注漿處理，而后完成了二次襯砌。為了解回填注漿對初期支護后水壓力的影響，對ZK11+812和ZK11+823斷面襯砌背后水壓力進行了重點監(jiān)測，監(jiān)測水壓力時程變化曲線如圖10和圖11所示。

圖10 ZK11+823水壓力變化曲線圖Fig.10 The water pressure temporal curves of ZK11+823

從水壓力的變化曲線可以看出，在這一監(jiān)測斷面襯砌水壓力很小，隧道各部位的水壓力都沒有達到全水頭水壓力的10%，同時排水量非常小，幾乎可以忽略。這說明回填注漿起到了很好的降低滲水量和降低襯砌后水壓力的作用。可見，加強圍巖注漿和初期支護回填注漿，可以大大減少隧道的滲流量和初期支護水壓力。

圖11 ZK11+812水壓力變化曲線Fig.11 The water pressure temporal curves of ZK11+812

5 排水量控制標準

5.1 廈門海底隧道排水量控制標準

為了掌握海底隧道實際的出水量，施工期間對部分區(qū)段的滲水量進行了實時量測，A3標富水砂層地段出水量較大，因此調(diào)查主要集中在A3標富水砂層K10+110—K11+530區(qū)段，部分調(diào)查結(jié)果如表2所示。

表2 A3標段橫向排水管出水量情況統(tǒng)計表Table 2 The statistic chart of the water inflow from cross drain pipe

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，K10+110—K11+530富水砂層地段的滲水量大部分大于0.2 m3/(d·m)，部分區(qū)段超過了0.5 m3/(d·m)。廈門海底隧道左線和右線軟弱圍巖總長度為8311 m，再加上橫洞、豎井的折合長度，軟弱圍巖區(qū)段總長度為8821 m，如果按照軟弱地層地段滲水量為0.25 m3/(d·m)設計，則軟弱地層段總的滲水量為2205 m3/d。完整的微風化花崗巖地段總長3385 m，按照二次襯砌施工后滲水量減少至裸洞滲水量1/5計算，根據(jù)排水量預測結(jié)果，微風化地段排水量為219 m3/d，則隧道總的滲水量為2424 m3/d［5］。從現(xiàn)場檢測結(jié)果看，這個滲水量是可以達到和接受的。

因此廈門海底隧道軟弱圍巖地段的滲水量應按照0.25 m3/(d·m)控制，滲水量超過0.25 m3/(d·m)的地段需要加強初期支護背后注漿以降低滲水量。這一原則在廈門海底隧道實施中得到了應用，0.25 m3/(d·m)的滲水量也滿足挪威海底隧道規(guī)范小于0.432 m3/(d·m)的滲水量標準。在隧道的最低標高處設置3000 m3的集水坑，能夠容納一天的集水量，也滿足挪威海底隧道規(guī)范的要求。

5.2 廈門海底隧道堵水限排應用效果

為了解廈門海底隧道堵水限排技術的應用效果，在隧道即將完工之前對各標段的滲漏水情況進行了調(diào)查。滲水病害主要有邊墻滲水、環(huán)向施工縫滲水、縱向施工縫滲水、其他裂縫滲水等，其他裂縫滲水主要為注漿孔和線路預留孔處滲水。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計各標段滲水病害匯總情況如表3所示。

表3 廈門海底隧道滲水病害統(tǒng)計Table 3 The statistic chart of water penetration disease of Xiamen Subsea Tunnel

從表3可以看出，滲水病害主要為環(huán)向施工縫滲水和其他裂縫滲水，這里其他裂縫滲水主要為注漿孔和線路預留孔。在整個施工過程中出現(xiàn)明流的次數(shù)為14次，除A3標外僅為2次。根據(jù)排水量的調(diào)查結(jié)果，除A3標富水砂層地段外多數(shù)地段的滲水量小于0.25 m3/(d·m)。可見施工過程中堵水預定的多重注漿、堵水限排技術應用比較成功，防排水效果達到了要求。隧道已于2010年5月份通車，目前運行情況良好。

6 結(jié)語

1)在堵水限排的情況下，通過加強注漿等措施，初期支護水壓力可降至靜水壓力的1/3。

2)對初期支護進行了荷載－結(jié)構(gòu)模型數(shù)值方法計算，結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果可知，施工過程中初期支護是安全的。

3)鋼拱架在施工過程中內(nèi)力是變化的，可能在受壓和受拉之間轉(zhuǎn)換，應進行鋼拱架在不同施工狀態(tài)下的應力驗算。

4)通過對初期支護背后回填注漿，可以有效地降低初期支護水壓力，回填注漿是堵水限排海底隧道的重要工程措施。

5)結(jié)合排水量現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，提出了堵水限排情況下廈門海底隧道排水量控制標準。廈門海底隧道軟弱圍巖地段排水量應按照0.25 m3/(d·m)控制，滲水量超過0.25 m3/(d·m)的地段需采取回填注漿等工程措施以降低滲水量。

6)廈門海底隧道滲漏水病害較少，多數(shù)地段不滲不漏，堵水限排技術應用比較成功，防排水效果達到了要求。

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［10］JTG D70－2004.公路隧道設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

The security monitoring and controlled drainage of Xiamen Subsea Tunnel

Du Chaowei1，2，Wang Mengshu1，Tan Zhongsheng1

(1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;2.Road Management Bureau of Henan Province Communication and Transport Department，Zhengzhou 450052，China)

Controlled drainage should be applied to deal with underground water in subsea tunnel.In order to study the change laws of subsea tunnel wall rock pressure，water pressure on primary support and internal force of steel arching in the process of construction，combining with the Xiamen Subsea Tunnel，the real time monitor of the wall rock pressure，water pressure on primary support and internal force of steel arching were carried out on site in the process of construction.The results show that the primary support has a high security coefficient in construction period.Grouting in advance and grouting back the primary support is necessary for subsea tunnel.In the circumstance of controlled drainage，by strengthening some measures such as grouting，the water pressure on primary support can be reduced to 1/3 of the full hydrostatic pore pressure.By monitoring and analyzing the water inflow on site，the water inflow controlling criteria are put forward.The water inflow in soft rock section in Xiamen Subsea Tunnel should be less than 0.25 m3/(m·d).The result of the paper were verified and applied in Xiamen Subsea Tunnel.

Xiamen Subsea Tunnel;controlled drainage;construction monitoring;water pressure;water inflow

TU459

A

1009－1742(2011)03－0086－06

2010－10－14

國家自然科學基金資助項目(50878019)

杜朝偉(1973—)，男，河南禹州市人，高級工程師，研究方向為隧道及地下工程;E-mail:dcw73@vip.sina.com