郭小紅,王夢(mèng)恕

(1.北京交通大學(xué),北京 100044;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,武漢 430056)

1 前言

修建海底隧道是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)很高的工程,其主要問題是隧道坍塌和涌水突泥,國內(nèi)外在海底或者高水壓、富水地層修建隧道發(fā)生涌水突泥的案例很多,涌水和突泥往往會(huì)造成隧道坍塌、變形、侵限,甚至導(dǎo)致人員和設(shè)備被埋、地表沉陷、建筑物倒塌、地下水疏干,危及施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境安全,帶來嚴(yán)重的工程災(zāi)難。對(duì)于海底隧道而言,由于海水非常豐富,一旦涌出,很難控制,因此其帶來的危害和損失也很大[1,2]。

廈門翔安海底隧道是我國修建的第一條海底隧道,海底隧道陸域全強(qiáng)風(fēng)化巖地段和海底風(fēng)化深槽地段巖體風(fēng)化嚴(yán)重,軟弱破碎、節(jié)理和裂隙發(fā)育,強(qiáng)度低,含水量大,無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)定能力差,開挖時(shí)容易發(fā)生涌水突泥和坍塌,因此注漿加固和堵水是保證施工安全和質(zhì)量的重要手段,也是工程成敗的關(guān)鍵[3～6]。筆者以廈門翔安海底隧道涌水量最大且施工難度最大的海域段F1風(fēng)化槽為研究對(duì)象,根據(jù)其圍巖地質(zhì)條件和突涌水特點(diǎn),制定了縝密細(xì)致的注漿加固方案,并對(duì)其進(jìn)行了注漿效果的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

2 工程概況

廈門翔安海底隧道主洞F1風(fēng)化槽起始里程為ZK8+270,覆蓋層36.9 m,最大水深30 m,設(shè)計(jì)拱頂最大靜水壓力0.68 MPa,設(shè)計(jì)縱向長(zhǎng)度為70 m。

2.1 工程地質(zhì)條件

F1風(fēng)化槽巖性以W4和W3全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主,夾強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)巖巖脈:強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖以褐黃色為主,雜少量白斑,巖石風(fēng)化嚴(yán)重,呈硬塑砂質(zhì)粘性土狀,并含有中粗砂和粉細(xì)砂;強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)巖脈因高嶺土礦物含量較高,具有弱膨脹潛勢(shì),含少量風(fēng)化殘塊,地勘報(bào)告提供的全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖力學(xué)參數(shù)見表1。從表1中可以看出,全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖力學(xué)參數(shù)較低,隧道一旦開挖,圍巖穩(wěn)定性很差。

表1 F1風(fēng)化槽巖土物理、力學(xué)指標(biāo)Table 1 Geotechnical materials in F1 weathered trough

2.2 水文地質(zhì)條件及F1風(fēng)化槽突涌水特點(diǎn)

F1風(fēng)化深槽海域地下水總體上富水性弱,滲透性較差,為弱或微含水層,但全、強(qiáng)風(fēng)化巖接觸面處,節(jié)理裂隙發(fā)育,地層的透水性很大,地下水和海水的連通性極強(qiáng);該段地下水主要受海水的垂直入滲補(bǔ)給,全、強(qiáng)風(fēng)化地層滲透系數(shù)較大,見表2。

表2 F1風(fēng)化槽滲透系數(shù)參數(shù)表Table 2 Permeability parameters in F1 weathered trough

相比較而言,海域段在F1風(fēng)化槽位置的涌水量較其他位置的涌水量值要高出很多,F1風(fēng)化槽最大水壓力為0.3～0.5 MPa,單孔最大涌水量為50 m3/h。又由于強(qiáng)風(fēng)化基巖切過隧道,隧道圍巖十分破碎,裂隙十分發(fā)育,因此發(fā)生突水的可能性很大,是隧道建設(shè)過程中施工難度最大、施工工藝最復(fù)雜、危險(xiǎn)性相對(duì)最大的階段。如果設(shè)計(jì)施工過程中不采取相應(yīng)積極有效的措施,極有可能發(fā)生突水事故,給工程帶來難以估量的損失。

3 注漿堵水方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿方案

對(duì)于海底隧道而言,不同的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求應(yīng)選擇不同的注漿方案,影響注漿方案選擇的因素也很多,主要有地質(zhì)條件、隧道埋深、設(shè)計(jì)要求、施工方法、機(jī)械設(shè)備等,其中地質(zhì)條件對(duì)注漿堵水方案影響最大,在地質(zhì)條件方面主要考慮開挖面穩(wěn)定情況、水壓力、涌水量、泥沙含量等。根據(jù)國內(nèi)外海底隧道修建的工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)試驗(yàn)成果,不同地質(zhì)巖層注漿方案的選擇見表3。

表3 注漿方案的選擇Table 3 Scheme choice of grouting

根據(jù)主洞F1風(fēng)化槽的地質(zhì)條件和突涌水特點(diǎn),設(shè)計(jì)采用全斷面注漿加固和堵水,注漿加固范圍為掌子面內(nèi)及隧道開挖輪廓線外5 m,隧道縱向加固每循環(huán)長(zhǎng)度為23 m(含止?jié){巖盤)。共計(jì)鉆孔195個(gè),檢查孔28個(gè)(其中取芯孔7個(gè)),此外另增加了10個(gè)補(bǔ)充注漿孔。注漿孔布置見圖1和圖2。

3.2 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)見表4,分別對(duì)不同的注漿參數(shù)提出了具體的指標(biāo)。

3.3 注漿材料

注漿材料以超細(xì)水泥單液漿為主,超細(xì)水泥—水玻璃雙液漿及普通水泥—水玻璃雙液漿為輔。漿液配比參數(shù)如表5所示。

表4 注漿參數(shù)Table 4 Parameters of grouting

圖1 F1風(fēng)化槽注漿開孔布置橫斷面圖(單位:cm)Fig.1 Cross-section of openings layout for grouting in F1 weathered trough(unit:cm)

圖2 F1風(fēng)化槽注漿鉆孔縱斷面圖(單位:cm)Fig.2 Profile of drilling for grouting in F1 weathered trough(unit:cm)

表5 漿液配比參數(shù)Table 5 Parameters of grout formula

3.4 鉆孔法注漿效果檢驗(yàn)

采用鉆孔檢查法檢驗(yàn)[7],本次注漿檢查孔數(shù)量為29個(gè),其中取芯孔7個(gè),檢查孔的取芯率平均達(dá)到了70%左右,大部分孔的涌水量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,另外對(duì)于不合要求的部位進(jìn)行了補(bǔ)充注漿。注漿前后地層物理、力學(xué)參數(shù)對(duì)比見表6?？傮w來看:由于開挖面左側(cè)中上部地層為全、強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖并且夾有粉細(xì)砂,水量較大,鉆孔過程中坍孔嚴(yán)重,因此注漿十分困難;距離掌子面18 m以前,巖芯中含有較多的水泥漿塊,巖芯比較完整,基本無水,注漿加固效果較好;18 m以后,漿液膠結(jié)情況稍差,水量較大,進(jìn)行了補(bǔ)充注漿,其他部位注漿加固效果較好,基本無水,達(dá)到了設(shè)計(jì)和開挖要求。取芯情況和開挖面漿液擴(kuò)散情況見圖3和圖4。

表6 注漿前后巖土物理、力學(xué)指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparisom of geomechnical parameters pre and post grouting

圖3 檢查孔巖芯Fig.3 Check rock quality of core

圖4 開挖面漿液擴(kuò)散情況Fig.4 Grout diffusion at excavation face

4 F1風(fēng)化槽注漿加固后隧道工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

F1風(fēng)化槽通過全斷面注漿后,按照設(shè)計(jì)方案采用CRD工法進(jìn)行施工。施工過程中對(duì)F1風(fēng)化槽圍巖開展變形和破壞特征的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:注漿加固后圍巖體變形得到有效控制,拱頂沉降和位移收斂量值最大分別為0.84 cm和2.48 cm,后期的圍巖位移速率也非常小,均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。圖5和圖6為F1風(fēng)化深槽ZK270斷面的拱頂沉降和位移收斂趨勢(shì)圖。

圖5 拱頂下沉位移曲線Fig.5 Curve of vault settlement

圖6 水平位移收斂曲線Fig.6 Curve of converging displacement

4.2 數(shù)值仿真分析

與此同時(shí),對(duì)F1風(fēng)化深槽段海底隧道CRD施工工法圍巖穩(wěn)定性開展三維數(shù)值仿真。計(jì)算結(jié)果表明:隧道圍巖的水壓力基本上在0.45～0.57 MPa,二次襯砌的外水頭范圍為31～54 m,均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。圖7和圖8為襯砌外水壓力等值線云圖。

5 結(jié)語

1)海域段F1風(fēng)化槽是涌水量最大的區(qū)域,最大水壓力為0.3～0.5 MPa,單孔最大涌水量為50 m3/h,隧道圍巖變形很大,圍巖穩(wěn)定性很差,因此,必須采用相應(yīng)合理的注漿加固措施。

2)根據(jù)F1風(fēng)化槽地質(zhì)巖層特性和突涌水特點(diǎn),采用全斷面注漿加固和堵水,注漿加固范圍為掌子面內(nèi)及隧道開挖輪廓線外5 m,隧道縱向加固長(zhǎng)度為23 m,注漿材料以超細(xì)水泥單液漿為主,并對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)置;注漿加固后,通過鉆取巖芯檢查,發(fā)現(xiàn)巖芯比較完整,基本無水,注漿加固效果較好。

3)隧道施工開挖后,分別通過F1風(fēng)化槽段現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期位移監(jiān)測(cè)結(jié)果和三維海底隧道的數(shù)值仿真,分析隧道圍巖體的變形破壞特征和外水壓力,結(jié)果表明:圍巖變形和水壓力均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi),圍巖穩(wěn)定情況良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)和施工開挖要求。

圖7 隧道軸線左側(cè)區(qū)域水壓力云圖Fig.7 Pore pressure at zones of left tunnel

圖8 二次襯砌三維水壓力云圖Fig.8 Pore pressure of second liner

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