段壯志 張宗強(qiáng) 強(qiáng)文斌

(工程兵學(xué)院，江蘇 徐州 221004)

0 引言

與其他類型的隧道相比，長大海底隧道具有穿越距離長、地質(zhì)不定性因素多、海底巖層勘測難度大、地質(zhì)超前預(yù)知能力弱等特點(diǎn)。此外，長大海底隧道雖然一般埋置于海平面以下上千米甚至數(shù)千米的深度，但扣除海平面到海底軟弱巖層厚度(對隧道結(jié)構(gòu)物頂部承壓的極不利因素，巖層不能形成自穩(wěn)體系)，海底隧道的凈埋深顯得很薄。根據(jù)海底隧道上覆層中軟弱巖層厚度及隧頂?shù)胶Ｆ矫嬷g的海水深度對海底隧道埋置處圍巖及襯砌的壓力影響及擾動情況，合理確定其埋置深度對于長大海底隧道的設(shè)計是有益的。

1 長大海底隧道的合理埋置深度

1.1 海底隧道對埋深要求的意義

從宏觀上講，為了避免海底隧道穿越不良地質(zhì)段造成掘進(jìn)過程中的坍塌、涌水及其他施工事故的發(fā)生，海底隧道應(yīng)該埋置于堅硬、致密、完整的巖體中。從地質(zhì)學(xué)角度及地下勘探結(jié)果來看，除了海底表面局部斷層、溝壑、軟弱破碎帶及地下壅水等地質(zhì)病害地址附近外，地下巖層隨著深度的增加地質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸趨于完整、致密、堅硬，海底隧道埋置深度越大，避開海底斷層、溝壑及避免地表海水滲漏或涌入的可能性也越大。同時，海底隧道在巖層中的埋置深度越大，在掘進(jìn)過程中圍巖的自穩(wěn)性能越好，對海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力與施工過程中的掘進(jìn)環(huán)境越有利。因此，海底隧道在硬質(zhì)巖層中埋置越深，越有利于襯砌結(jié)構(gòu)受力及掘進(jìn)施工。

但是，隨著海底隧道埋置深度的增大，在隧道線路縱坡一定的條件下，穿越相同寬度海域的海底隧道其引入段長度隨之增加，對新建海底隧道的經(jīng)濟(jì)性是極不利的。以埋深1000 m(含海水深度)的海底公路隧道為例，在隧道內(nèi)線路最大縱坡限制下(參《公路隧道設(shè)計規(guī)范》)，海底隧道埋深每增加10 m，海底隧道出(入)口引出(入)段須各增加約200 m長度的經(jīng)濟(jì)投入。對于海底鐵路隧道內(nèi)線路最大設(shè)計縱坡限制的要求，則隧道埋置深度每加深10 m導(dǎo)致其出(入)口引出(入)段增加的長度對工程造價的經(jīng)濟(jì)投入影響更為顯著。

對于穿越距離較短的海底隧道而言，采用加大隧道埋深改善襯砌結(jié)構(gòu)受力性能與保證施工掘進(jìn)過程中安全的理念進(jìn)行設(shè)計時，其經(jīng)濟(jì)性矛盾顯得尤為突出，因此，短距離海底隧道往往不過分追求埋置深度要求，而是以加強(qiáng)支護(hù)或采用沉管法等改善設(shè)計與施工理念的方法來解決海底復(fù)雜地質(zhì)條件的不良影響。

在長大海底隧道設(shè)計時，一方面，穿越長度對線路縱坡設(shè)置提供可能的優(yōu)勢使得海底隧道埋入深層硬質(zhì)巖層客觀上可以實(shí)現(xiàn);另一方面，海底隧道埋置深度的增加對襯砌結(jié)構(gòu)受力、掘進(jìn)施工安全及隧道運(yùn)營過程中的滲漏甚至涌水等后續(xù)問題的改善極為有益，因此，在長大海底隧道埋置深度設(shè)計時，應(yīng)綜合比較圍巖與隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力要求、掘進(jìn)施工安全因素與經(jīng)濟(jì)投入之間的制約關(guān)系，選定出合理的埋置深度。

1.2 長大海底隧道合理埋置深度含義

長大海底隧道的合理埋置深度是指在滿足隧道結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，施工掘進(jìn)過程中允許發(fā)生一定范圍的圍巖變形，在沒有初期支護(hù)(或僅進(jìn)行簡單支護(hù))的情況下圍巖能夠形成自穩(wěn)，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性要求下長大海底隧道的埋置深度。合理埋置深度是根據(jù)圍巖類別、上覆巖層與海水的共同作用確定的。

1.3 合理埋置深度的圍巖類別要求

我國尚未出臺海底隧道圍巖類別分級相關(guān)規(guī)范，借鑒現(xiàn)行的鐵路或公路隧道圍巖類別分級相關(guān)規(guī)定，在新建長大海底隧道設(shè)計選址時，在穿越海域范圍內(nèi)應(yīng)使其盡量全布于Ⅰ，Ⅱ類硬質(zhì)巖層中。

從原則上講，新建海底隧道設(shè)計選址時應(yīng)盡量避開節(jié)理發(fā)育、有層狀軟弱面(或夾層)的硬質(zhì)巖層或節(jié)理較發(fā)育的軟質(zhì)巖層等Ⅲ，Ⅳ類圍巖，或者，隧頂上覆層各類巖層中所含Ⅲ類以上軟弱或較軟弱巖層應(yīng)盡可能薄。一般海底隧道不應(yīng)在Ⅲ，Ⅳ類巖層中穿越，受地質(zhì)條件限制隧道必須在該類巖層的海底深溝、斷裂帶、破碎帶處穿越時，應(yīng)以該段為特殊的設(shè)計、施工控制段作專門的圍巖巖體、結(jié)構(gòu)襯砌設(shè)計與施工方法設(shè)計論證。

由于海底Ⅴ，Ⅵ類土質(zhì)、細(xì)砂類或夾土類圍巖及屬于Ⅳ類圍巖中土質(zhì)類或富夾土質(zhì)類巖層在海水浸泡或浸潤作用下處于流塑狀態(tài)的地質(zhì)層，隧道的海底穿越段不能按陸上隧道要求對其進(jìn)行特殊承載要求設(shè)計計算，只能按其對下覆巖層的純豎向壓力作用進(jìn)行設(shè)計驗算，同時，海底隧道一般不在該類圍巖中穿越。

1.4 長大海底隧道合理埋置深度的計算

長大海底隧道合理埋置深度h如圖1所示。

其中，hi為隧頂各類地質(zhì)層厚度。

隧頂上覆各巖層中h1～h4的值是確定的，因此，確定海底隧道合理埋置深度主要是確定穿越層(Ⅰ，Ⅱ類巖層)中h5的合理深度。

1)圍巖計算模型。

a.將海平面到隧道埋置處之間的巖層(含海水層)按其對海底隧道開挖后圍巖能否形成自穩(wěn)分為三層:第一層是海平面以下到海底淤積層及屬于Ⅴ，Ⅵ類土質(zhì)、細(xì)砂類或夾土類圍巖和屬于Ⅳ類圍巖中土質(zhì)類或富夾土質(zhì)類巖層(見圖2)。該層僅作為對隧道埋置處的純豎向作用，無自穩(wěn)性，淤泥層及各類土質(zhì)、富夾土質(zhì)巖層可按其比重等代換為海水深度簡化計算。

圖2 Ⅴ，Ⅵ類及Ⅳ類富夾土巖層簡化為海水層示意圖

b.將節(jié)理發(fā)育、有層狀軟弱面(或夾層)的硬質(zhì)巖層或節(jié)理較發(fā)育的軟質(zhì)巖層等Ⅲ，Ⅳ類圍巖，或者，隧頂上覆層各類巖層中所含Ⅲ類以上軟弱或較軟弱巖層視為第二層。第二層具有一定的自穩(wěn)性，由于原則上隧道不在該層穿越，因此，海底隧道的掘進(jìn)開挖對該層擾動很小，該層沿節(jié)理面的層間摩阻力及節(jié)理面未貫通的巖體承擔(dān)(抵消)一部分上層海水(或等代換為海水)及第二層自身重力的作用(即該層的自穩(wěn)能力)。計算時根據(jù)該層巖體的節(jié)理發(fā)育程度、節(jié)理面走向等因素確定其所能抵消的豎向作用。

c.海底隧道埋置處巖體完整的Ⅰ，Ⅱ類硬質(zhì)圍巖為第三層。該層開挖后自穩(wěn)性良好，側(cè)向變形很小，主要承受上覆各層(包括隧頂以上第三層巖體)的豎向作用。目前，國外長大海底隧道在該類圍巖中的埋深一般為數(shù)十米到上百米，圖2中h5比隧道毛洞跨徑l大得多，由上覆各層豎向作用產(chǎn)生的彎矩對隧道開挖斷面橫向跨徑的影響已是次要因素，因此，對該層起制約影響的主要為上覆層作用引起的豎向剪力。

d.陸上隧道開挖后毛洞的圍巖力學(xué)狀態(tài)為應(yīng)力重分布后的二次應(yīng)力狀態(tài)，須考慮自重引起的初始地應(yīng)力場，并將其視為無限體中的孔洞問題。對于長大海底隧道，隧頂以上穿越層硬質(zhì)圍巖(如圖2所示第三層)及選址時盡量避開的Ⅲ，Ⅳ類巖層(如圖2所示第二層)相對于上千米甚至數(shù)千米無側(cè)向作用的海水(含淤積層等)而言可視為板層結(jié)構(gòu)，因此，在計算中可以忽略地場應(yīng)力，僅考慮上覆各層對該板層的豎向剪應(yīng)力作用，這樣做對海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力是偏安全的。

2)合理埋置深度計算(見圖1，圖2)。

取沿海底隧道穿越方向單位長度的巖柱作為研究對象。

a.第一層地質(zhì)層不具有自穩(wěn)性，該層僅作為純豎向作用，其豎向作用力P1為:

其中，γ0為海水比重;l為隧道開挖斷面跨徑;h0為圖1中海水層、淤積層和Ⅴ，Ⅵ類及Ⅳ類富夾土巖層等各層厚度等代換為海水層的厚度。其等代方法為:

其中，hi為海水層、淤積層和Ⅴ，Ⅵ類及Ⅳ類富夾土巖層的各層厚度;i=1 時，取 γ1=γ0。

b.第二層自重P2為:

其中，γ2為第二層的巖層比重。

第二層巖體可以抵抗的豎向作用力F2為:

其中，α為第二層巖體相對于完整巖體的破碎程度折減系數(shù)，根據(jù)勘測資料中巖體的破碎程度取值;［τ2］為該類巖層的容許抗剪應(yīng)力;2(1+l)為海底隧道穿越方向單位長度研究對象(巖層)的水平截面周長。

巖體可以抵抗豎向作用力F2的大小直接反映該巖層開挖或擾動時的自穩(wěn)性能。

c.第三層(海底隧道穿越層)隧頂以上自重P3為:

其中，γ3為第三層的巖層比重。

第三層所須抵抗的豎向作用F3為:

其中，［τ3］為第三層巖體的容許抗剪應(yīng)力;Pi由式(2)，式(4)，式(6)確定;F2由式(5)確定。

1.5 結(jié)論

長大海底隧道合理埋置深度h為(見圖1):

其中，h1～h4根據(jù)對地層勘測實(shí)測而得;h5由式(7)確定。

式(8)主要用于長大海底隧道在海底穿越段的合理埋置深度計算。對于長大海底隧道出入口引出或引入段的隧道部分，其上覆層沒有地表海水，可由陸上隧道成熟的設(shè)計、施工方法根據(jù)不同圍巖類別要求進(jìn)行設(shè)計計算或施工。

2 討論

相對于陸上隧道，長大海底隧道最顯著的特點(diǎn)是上覆層中深度很大的地表海水作用對隧道凈埋置層受力模式的影響，使得長大海底隧道在計算過程中可以忽略開挖后地層的應(yīng)力重分布問題。同時，深地表海水及無自穩(wěn)性的淤積層、土質(zhì)層或富夾土層在計算模式中的純豎向作用使長大海底隧道合理埋置深度計算(不能將其視為無限體中的孔洞問題求解)成為區(qū)別于陸上隧道的又一顯著特點(diǎn)。

此外，文中對于第二層巖層抗剪力的分析中，相對于完整巖體的破碎程度折減系數(shù)α在計算中具有一定的科學(xué)性與合理性，但在國內(nèi)外隧道計算理論中尚未明確提出，其取值的具體性與合理性尚需有關(guān)專家進(jìn)一步論證。

3 結(jié)語

綜合經(jīng)濟(jì)性要求，長大海底隧道在合理埋置深度條件下一方面避開了海底斷層、溝壑、破碎帶等淺層不良地質(zhì)段及海底電纜、光纜等管線，另一方面考慮了埋置深度增加造成隧道設(shè)計長度增大的影響，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力要求、掘進(jìn)施工的安全要求及新建海底隧道資金投入的經(jīng)濟(jì)要求方面都有其積極的意義。

［1］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［3］柳新華，劉良忠，侯鮮明.國內(nèi)外跨海通道發(fā)展百年回顧與 前瞻［J］.科技導(dǎo)報，2006(24)：11.