廈門翔安海底隧道襯砌水壓力特征研究

程正明

(廈門路橋建設集團有限公司，福建廈門 361009)

1 前言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對海底隧道的建設需求將日益增加。對于暗挖海底隧道而言，襯砌水壓力是支護結(jié)構(gòu)的主要荷載之一，是確定支護結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的關(guān)鍵，必須對由圍巖、注漿圈和襯砌組成的滲流場進行系統(tǒng)研究，以合理確定襯砌水壓力。

目前，有關(guān)海底隧道襯砌水壓力的研究成果還不多見，設計大都采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗法進行計算[1]。隧道襯砌水壓力和滲流場計算主要有解析法、數(shù)值分析法、模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等方法。解析法具有精度高、概念清晰的優(yōu)點，如Harr[2]基于鏡像法原理求解了隧道圍巖孔隙水壓力分布，Bouvard[3]假定隧道周圍徑向流動，提出了滲流計算公式，但解析法現(xiàn)有研究成果適用范圍有限，還不能很好解決復雜地質(zhì)條件和復雜結(jié)構(gòu)形式的海底隧道實際工程問題。數(shù)值分析法適用范圍廣，但其對工程實際條件模擬精確度不同將導致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，且不好驗證。模型試驗可以較好地模擬實際工程，特別是可同時考慮水壓、土壓作用的相似模型試驗能夠真正模擬滲流場與應力場的共同作用[4～6]，是研究海底隧道襯砌外水壓力的一種有效途徑，很多情況下可以較好彌補數(shù)模分析的不足，但試驗成本也相對較高。現(xiàn)場監(jiān)測主要是事后性的，且目前針對已建海底隧道襯砌水壓力監(jiān)測的研究成果還很少見，難以指導設計。

廈門翔安海底隧道是國內(nèi)第一座海底隧道，也是當今世界最大斷面鉆爆法海底隧道，地質(zhì)條件十分復雜，隧道穿越海底風化槽地段，圍巖承受近70 m水頭的海水壓力，襯砌水壓力如何取值是其支護結(jié)構(gòu)設計中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。為此，開展了海底隧道襯砌水壓力計算理論及模型試驗研究和施工現(xiàn)場監(jiān)測，本文對相關(guān)研究成果和工程應用實踐經(jīng)驗進行總結(jié)。

2 襯砌外水壓力解析解

2.1 基本假定

基本假定:圍巖和注漿圈為均質(zhì)各向同性;隧道處于穩(wěn)定滲流狀態(tài);水流符合達西定律;水直接從初期支護表面滲出。

事實上，在施工期間，海底隧道滲水是通過初期支護個別滲水點排出的，二次襯砌封閉后不允許滲水，滲水通過設置在初期支護和二次襯砌之間的排水系統(tǒng)排出。在這種情況下，可以將初期支護排出的水視為均勻分布到全斷面上，用“折合滲透系數(shù)”來考慮排水效應[7]。對于二次襯砌，可將其滲透系數(shù)取得很小，基本上為不透水材料。

2.2 圍巖內(nèi)的滲流場

圓形海底隧道圍巖內(nèi)滲流場計算模型如圖1所示。

圖1 海底隧道圍巖內(nèi)滲流場計算模型Fig.1 Calculation model of inside seepage field of surrounding rocks in subsea tunnel

根據(jù)復變函數(shù)理論和水動力學原理，每延米隧道排水量

2.3 注漿圈及襯砌內(nèi)的滲流場

根據(jù)水動力學原理，每延米隧道排水量

初期支護、二次襯砌和注漿圈外水壓力和隧道排水量之間有如下的關(guān)系

2.4 暗挖海底隧道滲流場的解析解

根據(jù)滲流場連續(xù)性原理，式(1)和式(2)兩個滲流量Q0應相等，且兩者注漿圈外水壓力應相等，由此可得

將上式代入式(2)和式(3)得

以上各式中:Q0為每延米隧道滲流量;H0為二次襯砌內(nèi)表面水頭;Hl為二次襯砌背后水頭;Hc為初期支護背后水頭;Hg為注漿圈外表面水頭;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);kl為二次襯砌滲透系數(shù);kc為初期支護滲透系數(shù);r0為二次襯砌內(nèi)半徑;rl為二次襯砌內(nèi)半徑;rc為初期支護外半徑;rg為注漿圈半徑。

一般來說hw、h和H0為已知，可通過式(5a)求出襯砌后水壓力和滲流量。將式(5a)略作改動，可以得到僅施工注漿圈、僅施工初期支護等不同施工階段的水壓力分布，即式(5b)。

2.5 解析解驗證

鑒于Harr解在進行高水壓深埋隧道滲流場的計算中具有很高的精度[2]，可作為驗證參照。為此，將本文推導的計算公式與Harr解進行對比。計算條件為埋深h=45 m，隧道開挖半徑r=5 m，巖體的滲透系數(shù)k=10－6m/s，水位線位于地表，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 解析解與Harr解的對比(AB線)Fig.2 Comparison of analysis andHarr analysis(AB line)

經(jīng)過以上對比可知:在AB線上(隧道中心所在水平線)，本文的解析解和Harr解完全吻合。

Harr解不能考慮水位位于地表以上即水底隧道的情況，而且對于由圍巖、注漿圈、襯砌組成的滲流場不能求解出襯砌外水壓力。本文推導得到的公式可彌補Harr解的這些不足，可求解圓形水底隧道不同施工階段的水壓力分布，適用性更廣。

對于非圓形斷面隧道、非均質(zhì)地層、考慮限量排放的復雜水底隧道水壓力工程問題，Harr解和本文推導的公式都尚無法解決。為滿足復雜工程實際需要，因此還研究了海底隧道水壓力模型試驗。

3 水壓力模型試驗

3.1 試驗概況

廈門翔安海底隧道行車隧道為三車道大斷面隧道，為進行水壓力模型試驗，專門研發(fā)了可同時加載水壓力和圍巖壓力的大型隧道模型試驗系統(tǒng)。臺架尺寸為260 cm×100 cm×180 cm，豎向4個液壓加載千斤頂，水平方向左右各2個液壓加載千斤頂，每個最大加載500 kN。同時可在上頂面施加0～0.5 MPa的水壓。液壓加載系統(tǒng)與水壓加載系統(tǒng)相互獨立。

通過建立相應的相似準則，利用土工試驗選取相似材料，建造模型，獲得不同防排水方式下襯砌背后水壓力。水壓力測點布置如圖3所示。

試驗過程:制作隧道結(jié)構(gòu)模型;安裝光纖光柵應變傳感器;安裝模型外防排水系統(tǒng);在臺架內(nèi)安裝隧道模型、回填巖土體及埋設水壓測試點;施加土壓力至穩(wěn)定狀態(tài);施加水壓至穩(wěn)定狀態(tài);測試襯砌背后水壓力、注漿圈外滲透壓及結(jié)構(gòu)應變值。

圖3 水壓(a)及應力(b)測點布置圖Fig.3 Layout of water pressure(a)andstress monitoring point(b)

施加的水壓力:翔安海底隧道最大拱頂水壓力為 0.65 MPa，拱頂覆土為40 m[7，8];根據(jù)相似理論，模型拱頂水壓為0.65/39(0.02 MPa，覆土厚為40/39=1.0 m，根據(jù)模型尺寸，按式(6)計算所需施加千斤頂?shù)囊簤毫?/p>

則每個千斤頂壓力為:F/4=12.7 kN。

3.2 不同防排水方式下襯砌水壓力分布

1)全封堵時。全封堵條件下，考慮到U型水銀管的測試精度和為了更好地顯現(xiàn)在變排量過程中各個測試點的水壓變化規(guī)律，在全封堵方式和排導方式下將試驗水壓調(diào)至0.04 MPa。外水壓0.04 MPa時注漿圈外及襯砌背后水壓分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 0.04 MPa時注漿圈外及襯砌背后水壓分布(單位:m)Fig.4 The distribution of water pressure behind the lining and grouting when bear 0.04 MPa water pressure(unit:m)

由圖4可以得出，隧道襯砌全封堵防水時，注漿圈外側(cè)和襯砌背后的水壓力作用系數(shù)基本都等于1.0，即襯砌背后水壓等于靜水壓0.04 MPa。因此，在襯砌全封堵狀態(tài)下，不論圍巖、注漿圈滲透系數(shù)的大小，襯砌背后最終承受的水壓力都等于靜水壓力，不能折減。

2)不同排水量時。試驗過程中當水壓加載到0.04 MPa時，保持進水口水壓0.04 MPa不變，逐漸增大隧道排水量，當每級排水量穩(wěn)定后，記錄各測點的 讀 數(shù)，分 別 得 到 6.85 mL/s、15.26 mL/s、27.03 mL/s、37.89 mL/s、43.28 mL/s、55.83 mL/s六種排量下的水壓。不同排水量時襯砌背后及注漿圈外水壓分布規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同排水量時襯砌背后及注漿圈外水壓分布(單位:m)Fig.5 The distribution of water pressure behind the lining and grouting at different drainage discharge(unit:m)

從上述試驗結(jié)果，可得出以下規(guī)律:排水后襯砌背后各點水壓明顯減小，隨著隧道排水量的增加，注漿圈外滲透壓和襯砌背后水壓力均逐漸減小;隧道排水量越大，各測點水壓力減小的規(guī)律越明顯，且基本呈直線下降;排水量較小時，排水口處水壓減小趨勢明顯，隨著排水量增大，排水口處水壓減小程度減弱。

通過對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出了定水頭條件下注漿圈外側(cè)各點的水壓力pr、襯砌背后各點的水壓力pl與隧道控制排水量Q0關(guān)系公式如下

式(7)和式(8)中，pr、pl為水壓力，m;Q0為隧道控制排水量，mL/s。

4 現(xiàn)場應用與監(jiān)測分析

4.1 支護結(jié)構(gòu)及防水設計

基于以上研究成果，翔安海底隧道采取“以堵為主，限量排放”的防排水原則，襯砌設計為限量排放型，以降低襯砌背后水壓力。隧道支護結(jié)構(gòu)及防水體系由以下幾部分組成:圍巖注漿堵水、初期支護抗?jié)B防水、縱環(huán)向盲管排水、無紡布+防水板(仰拱以上)、二次襯砌混凝土自身防水、施工縫(或伸縮縫)防水處理等，如圖6所示。沿隧道縱向每10 m設一分區(qū)，進行縱向分段隔離，即分區(qū)隔倉防水。

根據(jù)模型試驗研究成果，綜合進行支護結(jié)構(gòu)設計，對于極為軟弱的海底風化槽地段，行車隧道圍巖注漿圈為開挖輪廓線外5 m(滲透系數(shù)控制為10－5cm/s級)，初期支護為22b工字鋼鋼支撐(每榀間距50 cm)，雙層φ 8 mm鋼筋網(wǎng)(間距20 cm×20 cm)，30 cm厚C25噴射混凝土，抗?jié)B等級P8;二次襯砌為70 cm厚C45鋼筋混凝土，布設φ 25 mm鋼筋 (間距20 cm)，抗?jié)B等級P12。

4.2 水壓力現(xiàn)場監(jiān)測方案

為驗證上述水壓力研究成果，更好地指導設計和施工，在翔安海底隧道施工現(xiàn)場對初期支護后水壓力、圍巖壓力和初期支護鋼拱架內(nèi)力進行跟蹤量測，測試斷面選在ZK11+820、ZK11+810(全、強風化花崗巖地段)和ZK11+600(強風化花崗巖地段)共3個斷面，這些斷面全水頭水壓均為約0.6 MPa。

監(jiān)測過程中要測定初期支護后的超孔隙水壓力，要求測試設備的感應器可以預埋在結(jié)構(gòu)層內(nèi)且不易損壞，同時排除固體壓力傳遞的干擾。基于以上考慮，選用振弦式滲壓計，滲壓計的形狀及埋設方法如圖7、圖8所示。翔安海底隧道全強風化地層采用交叉中隔墻法(CRD)施工，分4個導坑依次開挖，滲壓計布置見圖9。

圖6 行車隧道防水體系Fig.6 Waterproof system of road tunnel

圖7 XJS－3型滲壓計Fig.7 XJS －3 osmometer

圖8 現(xiàn)場滲壓計布置圖Fig.8 Arrangement diagram of osmometer

4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場監(jiān)測初期支護背后水壓力曲線如圖10～圖12所示，最大水壓力如表1所示。

圖9 測點布置圖Fig.9 Layout of water pressure monitoring point

表1 各斷面最大水壓力Table 1 Maximum water pressure list

圖10 K11+820斷面水壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.10 Water pressure monitoring value curve diagram at section K11+820

圖11 K11+810斷面水壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.11 Water pressure monitoring value curve diagram at section K11+810

圖12 K11+600斷面水壓監(jiān)測值時程曲線圖Fig.12 Water pressure monitoring value curve diagram at section K11+600

由現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可得出以下結(jié)論。

1)孔隙水壓力變化分布的特征如下:隧道分4個導坑，按右上—左上—右下—左下的順序開挖，各導坑開挖面處的孔隙水壓力為最小值(近似零)，近似滲流自由面;隨著各導坑初期支護陸續(xù)封閉，孔隙水壓力逐漸增加，至一定值后趨于穩(wěn)定，此時距隧道初期支護全斷面閉合成環(huán)約7～10 d，離最近的導坑開挖面約10 m。這一規(guī)律與模型實驗結(jié)果相一致。

2)三個斷面的平均最大水壓力折減系數(shù)為0.20。根據(jù)模型試驗所得公式計算(根據(jù)設計方案，取注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/50)，水壓力折減系數(shù)為0.24。對比可見，兩者基本相符。由此說明，考慮到注漿堵水加固圈保持完整時發(fā)揮的作用，初期支護在施工期間按承受1/3水壓力考慮是比較合適的。

5 結(jié)語

1)利用復變函數(shù)和地下水動力學理論，求解了海水、圍巖、注漿圈、襯砌混凝土組成的海底隧道滲流場，推導了圓形海底隧道襯砌外水壓力計算公式。經(jīng)對比驗證，表明本文的解析解具有較高的精度和更廣泛的適用性。

2)通過模型試驗得到:若隧道采用全封堵防水方式，隧道內(nèi)不排水，則襯砌背后水壓不能折減;若隧道采用限量排放的防排水方式，襯砌背后水壓力隨排水量的增加而減小，建立了限量排放下的水壓力計算公式，其準確性得到現(xiàn)場實測結(jié)果的驗證。

3)根據(jù)模型試驗研究成果，廈門翔安海底隧道采取“以堵為主，限量排放”的防排水原則，設計為限量排放型襯砌，經(jīng)現(xiàn)場實測與模型試驗結(jié)果對比，其初期支護在施工期間可按承受1/3的水壓力考慮。海底風化槽地段堵水方案關(guān)鍵參數(shù)如下:注漿圈為開挖輪廓線外5 m(滲透系數(shù)控制為10－5cm/s級)，初期支護厚度為30 cm(抗?jié)B等級P8)。

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