廈門東通道海底隧道施工變更措施研究

宋南濤

(中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵院，四川成都610031)

廈門東通道海底隧道目前施工開挖所遇到的圍巖有粘性土、砂性土、全強風化花崗閃長巖、全強黑云母花崗巖，對各種圍巖開挖中都遇到許多問題。粘性土圍巖主要分布于翔安端進口段，具體分布于ZK12+260～12+485、NK12+340～12+510、YK12+330～12+510。該圍巖強度軟弱，且含水量高，在施工中主要以擠入變形為主，造成支護結構變形過大;同時由于圍巖本身滲透性差，故施工中的注漿和抽水都比較困難。在該段圍巖中多處因變形過大而換拱，如YK12+417、ZK12+443等斷面。

由于異常變形頻頻出現，隧道在修建初期可謂困難重重，為了整治異常變形情況，現場采用了多種變更措施。本文通過有限差分法分析了隧道支護的施工力學行為;通過對各變更措施中的初期支護的安全性系數進行對比評價了變更措施的效果;最后通過現場監測驗證，給出理想的變更組合方案。

1 變更措施及計算參數

1.1 變更措施

廈門東通道海底隧道主要采用的施工變更措施有:①加強臨時支護:臨時支護采用I18工字鋼，噴射混凝土厚度由16 cm變更為20 cm;②拱頂120°加小導管;③系統錨桿;④鎖腳錨管;⑤仰拱注漿:注漿加固范圍為臨時仰拱或者仰拱下部1.5 m。⑥大管棚加固;⑦連續墻降水:在隧道外側修建連續墻來降水，以提高拱部圍巖參數。計算中錨桿、鎖腳錨管均采用結構單元cable進行模擬，其力學參數見表3。

1.2 計算參數

隧道的支護參數見表1，本次計算綜合《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)以及現場實測資料對圍巖物理力學參數取值見表2。

表1 隧道支護參數表

表2 圍巖及變更加固后的物理力學參數

表3 42中空注漿錨管參數

2 計算結果及分析

2.1 計算模型

各種變更措施的數值模擬中均采用Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ－Ⅳ的開挖順序。計算模型模擬陸域Ⅴ級圍巖地段，模型范圍選取為:上部取拱頂以上13 m，下部取至隧道仰拱以下60 m。左右各取60 m，約為4倍洞徑左右。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。計算中，用8節點6面體實體單元模擬圍巖、初期支護。襯砌類型為S5b，詳見表1。計算模型總單元數為3 526個，總節點數為7 274個。具體如圖1所示，初期支護的節點編號見圖2。

2.2 計算結果及分析

2.2.1 變更前初期支護的受力和安全系數分析

圖1 S5b計算模型圖

變更前，初期支護在Ⅰ部和Ⅱ部開挖中都能保證安全，且全截面受壓控制，能夠充分發揮材料特性。Ⅲ部開挖后，初期支護左拱肩、左墻腳安全系數分別為2.5和2.1，已不能滿足要求。另外右拱肩處安全系數也較小。Ⅳ部開挖后，左墻腳安全系數僅為1.2，仰拱和右拱肩處安全系數也較小，分別為1.4和1.7。整個開挖過程中，Ⅲ部和Ⅳ部開挖對初期支護安全影響最大，兩側拱肩、墻腳和仰拱都是薄弱環節，尤其是左側墻腳是最不利位置。另外，Ⅰ部拱頂圍巖位移為118.6 mm，Ⅲ部拱頂圍巖為202.5 mm。周邊塑性區范圍較大，拱部塑性區貫通地面。初期支護的內力和安全系數見圖3。

圖2 初期支護節點編號

圖3 變更前初期支護內力及安全系數

2.2.2 各種變更措施的效果分析

由于變更前隧道的施工安全不能完全保證，需要采取變更措施。變更措施應針對支護的薄弱環節，既要提高支護的安全系數，也要減小拱頂圍巖位移。下面就對比現場采用過的變更措施的效果，限于篇幅，只列出Ⅳ部開挖完成后初期支護的內力、安全系數和拱部圍巖位移，詳見表4。

(1)仰拱注漿、大管棚和連續墻降水:由于能夠改善巖性，提高圍巖承載力，針對了海底隧道異常變形的主要原因——地質條件。故整個支護的安全性都有一定程度提高，采用大管棚和連續墻降水，拱部最大圍巖位移可以減小50%。

(2)系統錨桿和鎖腳錨管:從計算結果來看，鎖腳錨管的作用明顯，可以改善原設計中薄弱環節(仰拱、墻腳和拱部)的安全性。而在海底隧道中系統錨桿作用不明顯。

(3)提高臨時支護強度:該措施可以提高臨時支護的安全性，卻不能提高初期支護的安全性。說明這種措施在海底隧道中不能單獨使用，應該與其他措施共同使用，才能達到預期效果。

(4)組合方案的效果分析:在實際變更中，往往是兩種或者兩種以上的變更措施一起使用，組合方案采用連續墻降水+仰拱注漿+鎖腳錨管+加強臨時支護。采取連續墻降水可以改善拱部圍巖特性。仰拱注漿和鎖腳錨管可以提高底部圍巖力學參數，并減小支護的整體下沉。提高臨時支護強度可以提高臨時支護安全性。采取該方案后，支護彎矩有較大幅度減小，尤其是原設計受拉控制的地方，彎矩大幅減小，而軸力有所增大，這使得整個支護受力更合理，安全性有很大提高，其中左墻腳安全系數由1.2提高到1.9，右側拱肩安全系數由1.7提高到6.2。另外，該方案能更好的控制拱頂圍巖位移。

總之，施工變更措施應該首先要改善巖性，其次提高支護強度。另外，單一的變更措施不能完全保證隧道在整個開挖過程中的安全性。所以在實際變更中，應針對要解決的主要問題，選取了幾種最有效的變更措施，共同作用。對于組合方案，這里主要是提供一些參考和借鑒。海底隧道中的變更措施應該按提高圍巖力學特性－增強支護強度的順序來制定。

3 現場監測對比

限于篇幅，這里只列出ZK12+430斷面的現場位移監測結果，以及施工過程中的變更措施，從而可以驗證上面所述的變更措施效果和選取方法。

3.1 ZK12+430斷面變更記錄

(1)2006年1月底，針對該斷面Ⅰ部拱頂下沉較大，已超過設計變形量，于是采取割除該段大管棚，并在中隔墻上設置斜撐。

(2)2006年2月，針對ZK12+405～12+430斷面的沉降異常，采取以下處理措施:對縱向裂縫部位先用I20b工字鋼進行加密支頂度;沿縱向裂縫在上下各施作兩排徑向6 m長42的錨管，間距50 cm、排距50 cm;增加系統小導管，42×3.5，L=4 m，0.5 m×0.5 m的間距;對仰拱底部采用小導管注漿加固，導管規格42×3.5，L=2 m，間距0.5 m×0.5 m 的，梅花型布置。

(3)2006年3月，對ZK12+429～12+445段采用系統錨管注漿加固。

(4)2006年4月，對ZK12+424～12+445段Ⅱ、Ⅳ底部增設一道20b鋼支撐;對該段底部注漿加固，以提高底部圍巖承載力;做好洞頂兩側超前井點降水試驗，加大井直徑，井壁可用鋼筋籠外套塑料布，以增加透水性。

表4 各種變更措施效果(軸力/彎矩/安全系數)

3.2 ZK12+430斷面拱頂下沉分析

該斷面CRDⅠ部拱頂下沉時程曲線見圖4。

圖4 ZK12+430斷面CRDⅠ部拱頂下沉時程曲線

在第1次變更前，該斷面CRDⅠ部拱頂下沉近似呈直線增長，拱頂下沉達到176.2 mm，超過了設計預留變形量。從前面的數值計算中可以知道，大管棚可以增強支護的安全性，能有效控制拱頂圍巖位移。在割除大管棚后，管棚形成的保護圈失去作用，盡管在1月23日～2月17日這段時間里掌子面并沒有向前推進，拱頂下沉仍以4.5 mm/d的速度增長。可見，第1次變更，為了解決侵限問題而割除大管棚，并沒有從根本上減小變形，反而增大了拱頂下沉。

第2次和第3次變更間隔時間較短，此時Ⅲ部開挖剛通過該斷面，由前面分析可以知道，Ⅲ部開挖時支護內力會發生較大的改變。從圖4可以看出，此時拱頂下沉有突然增大的趨勢，但增長趨勢很快平穩。此次變更，主要是通過注漿改善了巖性，提高了圍巖力學參數，同時也加強了支護強度，這類似于數值計算中的組合方案，所以取得了不錯的效果，從第2次變更開始到下沉增長平穩，拱頂下沉由284.9 mm增大到315.2 mm，平均下沉速度減小為2.4 mm/d。

第4次變更前，Ⅳ部開挖剛剛通過，同時ZK12+420～12+440段Ⅰ部臨時仰拱和邊墻之間的焊接處被拉脫，使得該段臨時仰拱隆起，拱頂下沉也有較大增長。此次變更措施仍是通過注漿，尤其是對底部注漿，并進行超前井點降水，以提高圍巖力學參數，同時也加強支護強度，與組合方案類似，所以效果明顯，拱頂下沉很快平穩，并逐漸趨于穩定。

4 結論

通過數值計算和現場監測對比，可以知道在各變更措施中:

(1)大管棚加固可以提高了拱部圍巖的力學參數，能起到明顯的保護圈作用，在提高支護安全性的同時，拱部最大圍巖位移可以減小50%。但由于施作場地限制，一般應用于進口段，洞身段較少采用。

(2)拱部圍巖連續墻降水能夠改善巖性，提高圍巖承載力，整個支護的安全性都有一定程度提高，拱部最大圍巖位移可以減小50%。在海底隧道陸域段應該多采用該變更措施。

(3)仰拱注漿和鎖腳錨管能夠有效減小異常變形和提高支護安全性。從計算結果來看，仰拱注漿可以提高初期支護和臨時支護的安全性。鎖腳錨管的作用最為顯著，可以改善原設計中薄弱環節(仰拱、墻腳和拱部)的安全性。在洞身段異常變形較小的斷面應該多采用。

(4)系統錨桿在海底隧道中不能起到顯著作用。

(5)提高臨時支護強度，在險情段常采用，可以短時間內約束異常變形，但不能從根本上提高支護安全性。另外，在海底隧道中這種措施應該與其他措施共同使用，才能達到預期效果。個人經驗對缺陷類型進行估計，同時，依據反射波的時間差，只能確定缺陷的位置，對缺陷程度進行定量判斷則較難，這是該技術值得改進的一面。

［1］ JGJ79－2002建筑地基處理技術規范［S］

［2］ JGJ106－2003建筑基樁檢測技術規范［S］

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