海底隧道過破碎帶時基于臺階法計算合理臺階長度分析

鄭保才

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海底隧道過破碎帶時基于臺階法計算合理臺階長度分析

鄭保才

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

為了確定海底隧道斷層破碎帶鉆爆法施工中合理的臺階長度，借助理論分析手段，對臺階長度為4 m、6 m、12 m、20 m、30 m五種工況進行數值模擬分析。通過對計算結果中的豎向位移最大值、拱頂下沉量最大值、水平位移最大值、支護結構最大彎矩、支護結構軸力最大值、支護結構最大剪力值、開挖結束后最大拉應力值等進行對比分析，確定臺階長度6 m時對控制隧道斷面變形具有較好的作用。

海底隧道；臺階法；臺階長度；數值模擬

1 引言

在國外，據不完全統計，近百年來已建的海底隧道已逾百座，其中挪威所建海底隧道占大多數，并且都用鉆爆法修建。著名的海底隧道有日本青函海底隧道、英吉利海底隧道、日本東京灣海底隧道、丹麥斯特貝爾海底隧道[1-3]。近幾年，國內采用鉆爆法施工的海底隧道主要有瀏陽河水下隧道、廈門翔安隧道、青島膠州灣海底隧道、長沙營盤路湘江隧道等。海底隧道的主要特點為：海底隧道處于巨大水系之下，地下水富存；線路在勘測、定位和選線方面比陸域隧道受限制大，穿越斷層破碎帶的情況較多，隧道圍巖條件差；施工安全風險極高。在爆破施工中若使斷層破碎帶與其上或附近的水系相溝通，隨時都可能給工程帶來淹沒、塌通、涌水或形成泥石流的危險。在應對海底破碎帶及不良地質段施中采用的手段有注漿法、凍結法等[4-5]，目前，國內采用鉆爆法施工的海底隧道工程相對不多，可供借鑒和參考的經驗也較少。

2 工程背景

青島地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站區間隧道工程一標段施工范圍位于黃島區薛家島及膠州灣海底，線路南起黃島區瓦屋莊站，沿既有膠州灣隧道東側向北下穿窟窿山后，進入膠州灣灣口海域。區間隧道長4 765.2 m，陸域段3 244.2 m，海域段1 521 m（Ⅲ級圍巖711 m，Ⅳ級圍巖715 m，Ⅴ級圍巖95 m）。海域段隧道按Ⅴ形坡設置，最大縱坡﹣25‰，最深海水深42 m，拱頂埋深海域段巖石覆蓋層厚度約33～39 m。海域段穿越7條斷層破碎帶，如圖1所示，破碎帶影響范圍20～40 m。海域段地下水主要賦存于受構造影響的碎裂狀巖和節理、裂隙密集帶中，接受表部海水補給，富水程度較好。

3 問題的提出及原因分析

為了滿足青島地鐵1號線海域段穿越斷層破碎帶臺階法安全、高效施工，結合圍巖特性、斷面尺寸、施工機械等因素，對臺階高度、臺階長度進行計算分析，提出合理施工建議。產生上述現象的原因主要有以下幾點：①斷層破碎帶圍巖整體較為破碎。海底隧道海域段Ⅳ、Ⅴ級圍巖段巖層主要為糜棱狀凝灰巖、強風化凝灰巖、微風化輝綠巖、微風化安山巖、微風化英安玢巖等，斷裂帶一般巖體較破碎，圍巖自穩能力較差。②破碎圍巖段臺階開挖允許長度與機械化配套設備存在相互影響的情況。按照隧道施工規范要求，破碎圍巖地質條件下允許的開挖長度、掌子面距離仰拱開挖面之間的距離與隧道機械化設備現場布置長度之間存在制約與影響。

圖1 海域段隧道斷面示意圖（單位：m）

4 數值計算思路

為了確定合理的開挖進尺、臺階長度，減少對于圍巖穩定性的影響，確保施工安全，借助數值理論計算手段，結合設計及現場實際情況，評估不同臺階長度下圍巖的穩定性等。計算選擇隧道開挖進尺2 m，臺階長度分別為4 m、6 m、12 m、20 m、30 m等情況。為考慮計算結果可對比性，下臺階開挖均假定至開挖10 m處，從圍巖應力分布、斷面變形、支護結構變形及應力等方面進行對比分析，研判不同的臺階長度條件下指標的變化情況，確定合理的臺階長度。

5 力學模型及計算參數

5.1 計算軟件

本次計算考慮圍巖的材料非線性特性、區間隧道開挖的施工步驟和開挖面空間效應所形成的三維狀態，采用地層-結構模型。區間隧道結構變形預測分析采用midas-GTS軟件。該軟件在前處理幾何建模及網格劃分方面具有其他商用軟件無法比擬的優勢，直觀逼真的三維建模、自動生成網格等功能使得許多復雜工程問題得到了較好的模擬。另外，該軟件在地基與結構的協同分析、多種材料本構模型、卓越的分析速度、直觀的易于整理的分析結果等方面也有一定的優勢。可用于應力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、固結分析、襯砌分析、基坑開挖支護分析、地震、爆破、振動分析及邊坡穩定分析等方面。

5.2 模型尺寸及材料選取

模型上邊界為海底，表面施加0.4 MPa的海水壓力，不考慮海水滲流及流固耦合影響。隧道拱頂至海底巖層厚度為40 m，橫向寬度為90 m，豎向長度為80 m，線路縱向考慮邊界效應選取80 m。模型左右、前后和下邊界均設為法向位移約束，上邊界為自由狀態，共劃分70 443個單元，如圖2所示。

圖2 計算模型網格圖

計算中采用不同的本構模型模擬不同的材料，對于格柵鋼架應用線彈性模型，而各層土體采用莫爾-庫侖（m-C）模型。區間隧道的初期錨桿支護及注漿體采用改變材料力學參數來實現。格柵鋼架支護結構模型如圖3所示，初期錨桿支護及注漿體加固模型如圖4所示。

圖3 格柵鋼架模型

圖4 加固體模型

6 五種工況施工數值計算分析

分別以開挖進尺2 m，臺階長度為4 m、6 m、12 m、20 m、30 m五種工況進行數值模擬，現以第一種工況（開挖進尺2 m、臺階長度4 m）進行模擬過程中闡述。

6.1 施工過程模擬

根據施工過程模擬如下：①初期錨桿支護加注漿體采用改變地層參數（拱圈外3.5 m）模擬；②開挖進尺2 m，激活兩榀格柵鋼架單元；③先開挖上臺階，下臺階落后上臺階4 m；④下臺階開挖10 m，停止計算。關鍵施工步序的程序實現如圖5所示。

圖5 臺階長度4 m施工步序模擬圖

6.2 模擬結果

6.2.1 斷面位移變化

斷面位移變化分為豎向位移和水平位移兩種情況進行分述。

6.2.1.1 豎向位移變化

臺階長度為4 m工況下豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 臺階長度為4 m工況下豎向位移云圖

由圖6可知，底板隆起位移值要大于頂板沉降值，這與錨桿支護及超前加固提高了頂板圍巖的承載能力有關，隧道開挖后圍巖發生二次應重分布，應力向底板位置集中，擠壓底板造成底板處位移值增大。下臺階開挖10 m結束，豎向位移最大值1.57 cm，發生在底板處，拱頂下沉量最大值為7.9 mm。

6.2.1.2 水平位移云圖

臺階長度為4 m工況下水平位移云圖如圖7所示。

從圖7可知，隧道水平位移基本呈左右對稱，且值相反，最大值2.36 mm發生在隧道拱角處，隧道拱墻與拱頂連接處水平位移值較大。

圖7 臺階長度4 m工況下水平位移云圖

6.2.2 支護結構變形及內力分析

從邊樁的彎矩、軸力、剪力三個方面說明，結果如圖8、圖9和10所示。從圖8～圖10可知，最大彎矩發生在拱角處，最大值為216 kN·m，造成支護結構向臨空面收斂，這與隧道斷面變形一致。軸力主要集中在最開始的兩榀鋼架上，最大值為1 328 kN。剪力從邊墻到拱角呈條帶狀分布，最大值為355 kN。

圖8 支護結構彎矩圖

圖9 支護結構軸力圖

圖10 支護結構剪力圖

6.2.3 地層應力變化

從圖11可知，上臺階開挖4 m時，掌子面存在較大面積的拉應力區域，面積區域約為15 m2，最大值為207 kN/m2；開挖結束后，受后期支護影響，拉應力主要集中在上臺階底板，應力值為370 kN/m2。

圖11 最大主應力云圖

6.2.4 五種工況模擬結果

主要針對五種工況模擬結果中的豎向位移最大值、拱頂下沉量最大值、水平位移最大值、支護結構最大彎矩、支護結構軸力最大值、支護結構最大剪力值、開挖結束后最大拉應力值等進行匯總如表1所示。

表1 五種工況模擬結果匯總表

工況豎向位移最大值/cm拱頂下沉量最大值/mm支護結構最大值最大拉應力值/（kN/m2） 彎矩/kN·m軸力/kN剪力/kN 臺階長度4 m1.577.92.362161 328370 臺階長度6 m1.537.532.312361 800871 臺階長度10 m1.577.891.582292 1841 052 臺階長度20 m1.588.162.172292 2841 098 臺階長度30 m1.578.382.462292 3121 109

7 結論及建議

7.1 結論

隧道上臺階開挖對豎向位移影響最大，占最終位移值的52%～91%，且隨著上臺階長度的增加所占位移值比例呈增大趨勢，影響范圍也越大。臺階長度對水平位移影響小，隨著后續仰拱緊跟支護結構封閉成環，受力穩定，下臺階開挖處水平位移不影響圍巖的穩定性。臺階長度由4 m變化至30 m的過程中，上臺階水平位移影響范圍逐漸擴大。臺階長度為6 m時，拱頂沉降7.53 mm，底板鼓起1.53 cm，為五種工況中的最小值。臺階長度為6 m時對控制隧道斷面變形起到一定的作用。

隨著臺階長度的增加，支護結構的彎矩、軸力、剪力都呈增大趨勢；臺階長度為4～6 m時，最大軸力主要出現在下臺階靠近約束面的位置，臺階長度為12～30 m時，最大軸力主要出現在上臺階，且影響拱架范圍大。

臺階長度為4 m開挖時，掌子面存在約15 m2的拉應力區域。臺階長度為6～30 m，掌子面不存在拉應力區域。上臺階表面拉應力區域隨臺階長度增加面積逐漸增大，由此說明臺階長度不宜過長，否則下臺階還未開挖時，上臺階巖體就已經出現拉破壞。

7.2 建議

臺階長度采用6 m為宜，此種工況條件下掌子面不存在拉應力區域，不會出現垮塌現象，同時斷面變形也是最小的，利于現場圍巖控制。施工中應加強對上臺階拱架拱角錨桿施工質量的控制，避免圍巖應力二次分布造成的底臌現象。綜合考慮海水對圍巖強度的弱化作用，圍巖極度破碎時選用4～6 m的臺階；圍巖整體性較好臺階長度宜控制在1～1.5倍洞徑長度。短臺階機械化施工過程中，需要對三臂鑿巖臺車的臂長以及鑿巖機導軌長度可行性進行論證。可考慮將機具盡量靠前，臺車胎面可架于邊墻腳連線底面上或利用上臺階爆破虛渣墊起的平面進行鉆孔，最大限度地利用滑行導軌長度；裝運設備采用長臂挖裝機進行上臺階扒渣作業；噴射混凝土機組和罐車采用不上臺階的方式進行噴射作業。

［1］張頂立，房倩，陳鐵林.大型海底隧道鉆爆法修建關鍵技術［J］.北京交通大學學報，2014（39）：1-7.

［2］王夢恕，皇甫明.海底隧道修建中的關鍵問題［J］.建筑科學與工程學報，2005，22（04）：1-4.

［3］卿三惠，謝文清，辜文凱，等.膠州灣海底隧道鉆爆法施工關鍵技術創新［J］.鐵道工程學報，2011（09）：63-69.

［4］劉樹年，范鵬.水底隧道鉆爆法施工快速掘進技術初探［J］.西部探礦工程，2003（07）：103-105.

［5］孫鈞.海底隧道工程設計施工若干關鍵技術的商榷［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（08）：1513-1521.

2095－6835（2019）03－0042－03

U455.6

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.042

鄭保才（1980—），男，隧道與地下工程專業，高級工程師。

〔編輯：張思楠〕