王渭明，王 丹

(山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

海底隧道接線工程穿越淺埋破碎巖層地表沉降規(guī)律與變形控制研究

王渭明，王 丹

(山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

青島膠州灣海底隧道接線工程施工以CRD法穿越破碎巖層。為有效控制接線工程引起的地表沉降，通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，采用非線性擬合方法揭示了施工引起的地面沉降規(guī)律，得出了預(yù)測(cè)地表變形的計(jì)算公式，依據(jù)地表沉降規(guī)律提出了關(guān)鍵加固措施及加固參數(shù)，依據(jù)8項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了各項(xiàng)加固措施的效果，給出了兩種工程加固對(duì)策，最終采用增加錨桿密度、設(shè)置超前注漿小導(dǎo)管及隧道拱底注漿加固，取得了較理想的加固效果，保證了接線工程安全、快速穿越破碎地層。

海底隧道 接線工程 破碎巖層 沉降公式 加固效果

膠州灣海底隧道位于青島端的接線工程，屬于大斷面隧道施工，沿線穿越居民密集區(qū)，多處穿越住宅區(qū)，民用公共設(shè)施、軍用設(shè)施繁多，市政管線密集，變形控制要求嚴(yán)格。地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層主要為破碎巖，地表土層較厚，穿越多處斷層破碎帶。隧道覆跨比在0.15～0.55，屬于淺埋，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜，工期短。

地下工程不同于其他巖石工程［1］，由于開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖回彈變形產(chǎn)生應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出徑向應(yīng)力減小、切向應(yīng)力增大的加載卸載復(fù)雜效果［2］。為有效控制接線工程地表沉降，通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，采用非線性擬合方法揭示施工引起的地面沉降規(guī)律，得出預(yù)測(cè)地表變形的計(jì)算公式，并提出有效控制地表沉降的關(guān)鍵加固措施及加固參數(shù)，保證接線工程安全、快速穿越破碎地層［3］。

1 工程概況

膠州灣海底隧道接線工程，起于海底隧道青島端終點(diǎn)，以分離式雙洞隧道沿云南路、四川路向北，于東平路出地面后通高架，在山西路上方匯合后通向快速路。隧道設(shè)計(jì)開挖斷面高9 m，寬14.6 m，隧道埋深10～19 m，云南路接線隧道埋深在4～30 m。工程地貌為灣口海床及兩岸濱海低山丘陵區(qū)，地貌類型為侵蝕堆積緩坡。地層為Ⅴ級(jí)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，沿線地貌單元較多。各地貌單元巖土層自上而下依次為亞黏土雜填土、含黏性土粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。部分地帶出現(xiàn)微小充填型構(gòu)造，主要為煌斑巖、細(xì)?；◢弾r和細(xì)晶巖。地下水類型主要為基巖裂隙水，具承壓性，無(wú)腐蝕性，水位在8～10 m。

2 地表沉降規(guī)律分析

隧道開挖引起地表沉降是地層出現(xiàn)損失導(dǎo)致的地層移動(dòng)傳遞到地表的結(jié)果［4］。不同的巖土層性質(zhì)、開挖支護(hù)方式及隧道埋深都會(huì)誘發(fā)不同程度的地表沉降。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道施工引起的地表沉降的預(yù)算主要有經(jīng)驗(yàn)法、模型試驗(yàn)法［5-6］、數(shù)值模擬法［7］等。以膠州灣海底隧道青島端接線工程YK1+280—YK1+ 370段CRD法施工為背景，利用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討地表沉降規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型建立

基于孔洞開挖對(duì)圍巖可能造成的擾動(dòng)范圍［8］，選取數(shù)值模型尺寸(縱向×橫向×豎向)為50 m×190 m ×50 m。下邊界為固定鉸支座，四周為水平鏈桿(透水)，上部為自由邊界(如圖1)。服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，考慮靜水壓力作用。

按照勘察報(bào)告地層分為兩層，參數(shù)如表1。初噴混凝土及襯砌采用Shell單元模擬，力學(xué)參數(shù)及厚度可以通過(guò)參數(shù)自定義來(lái)改變;鋼支撐分別采用梁結(jié)構(gòu)

Plates單元模擬;超前管棚及錨桿支護(hù)采用 Anchor單元模擬;通過(guò)提高注漿范圍內(nèi)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)模擬注漿。

圖1 數(shù)值模型及邊界示意

2.2 結(jié)果分析

由YK1+280端墻開始，首先開挖支護(hù)①②至YK1+370，然后從YK1+370開挖支護(hù)③④至YK1+ 280。圖2為巖層主應(yīng)力與豎向位移云圖?？梢缘玫?隧道拱肩及曲墻拱拱腳處均發(fā)生應(yīng)力集中，由于橫向及豎向支撐的存在，曲墻與拱頂位置最大主應(yīng)力均較大，分別為320 kPa和280 kPa，鋼支撐容易發(fā)生偏移及破壞。隧道最大豎向位移未發(fā)生在拱頂處，而是在拱頂兩邊的拱肩位置，沉降擴(kuò)展至地表，隧道中心線處沉降值較兩邊小，沉降槽呈W形。

圖2 CRD法開挖引起的主應(yīng)力與豎向位移

為了更直觀地反映隧道CRD法開挖引起的地表沉降規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(表2)繪制了地表沉降值隨距隧道中心線距離的沉降變化曲線(圖3)。可見形狀與數(shù)值模擬沉降槽相一致，利用Origin9.0采用非線性進(jìn)行擬合，得到了適用于此地質(zhì)條件下CRD法施工引起的地表橫向沉降公式。

表2 代表斷面的地表橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降實(shí)測(cè)值 mm

圖3 各斷面地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

3 地表沉降控制措施及效果

3.1 加固措施

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合隧道所處的具體地質(zhì)條件，擬定5種加固措施:①加長(zhǎng)拱肩錨桿;②增加錨桿密度;③增加初噴混凝土剛度;④施作超前注漿小導(dǎo)管;⑤隧道拱底注漿加固。施作方法及支護(hù)參數(shù)見表3。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及效果分析

為了更直觀地比較各種加固措施的效果，確定了8項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo):①拱頂襯砌最大沉降;②襯砌水平收

表3 施作方法及支護(hù)參數(shù)

加固措施效果分析:

1)加長(zhǎng)拱肩錨桿。較長(zhǎng)錨桿可將碎裂巖層串聯(lián)起來(lái)，起到懸吊加固圍巖效果，等效于提高圍巖等級(jí)，改善拱肩圍巖受力狀態(tài)，使得塑性破壞區(qū)面積減小幅度達(dá)到26.7%;使圍巖整體性得到提高，與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，對(duì)控制隧道襯砌的縱、橫向不均勻變形效果顯著，分別減小30.1%和28.9%。

2)增加錨桿密度使開挖擾動(dòng)范圍內(nèi)土體的抗剪強(qiáng)度得到提高，使拱頂沉降值減少26%，說(shuō)明錨桿錨固力起到作用;且對(duì)減小地震縱、橫向的不均勻沉降效果明顯，分別達(dá)到33.3%和32.7%，對(duì)隧道安全具有重要意義。

3)增加初噴混凝土剛度可以提高襯砌受壓、受扭的能力，對(duì)減少襯砌受扭效果明顯，襯砌最大扭轉(zhuǎn)角減少量達(dá)40.3%，提高了襯砌安全系數(shù)。襯砌聯(lián)合水平鋼支撐，保證了圍巖壓力穩(wěn)定傳遞至水平支撐，釋放了圍壓壓力，使襯砌水平收斂減少32%。

4)超前注漿小導(dǎo)管的施作使8項(xiàng)指標(biāo)減少量均達(dá)到25%以上，是加固效果最好的一項(xiàng)措施。超前支護(hù)加固了隧道上部巖土體，形成臨時(shí)穩(wěn)定承壓拱，在一定程度上隔斷了隧洞施工對(duì)上部圍巖的擾動(dòng)，使襯砌拱頂沉降減少了40%，有效控制了塑性區(qū)的擴(kuò)展，使塑性破壞區(qū)面積減少了37.2%。

5)拱底加固注漿:隧道開挖時(shí)，塑性區(qū)首先由拱底發(fā)生，然后擴(kuò)展至兩幫及拱頂，底板注漿后提高了拱底圍巖的抗剪強(qiáng)度，穩(wěn)定傳遞由兩幫施加的荷載，限制了塑性區(qū)的擴(kuò)展，使拱頂襯砌沉降和塑性區(qū)面積分別減少19%和13.5%。

3.3 工程對(duì)策的確定

由表3、4可知，增加錨桿長(zhǎng)度和增加錨桿密度的單元加固效應(yīng)及機(jī)理相似，不必同時(shí)使用。為充分利用各加固措施的單元加固效應(yīng)，提高控制圍巖變形能力，綜合考慮各項(xiàng)加固措施下控制指標(biāo)的具體變化，擬定兩套控制變形的工程對(duì)策。對(duì)策Ⅰ:加長(zhǎng)拱肩錨桿+增加初噴混凝土剛度+拱底注漿加固;對(duì)策Ⅱ:增加錨桿密度+施作超前注漿小導(dǎo)管+拱底注漿加固。通過(guò)數(shù)值模擬分析其加固效果，見表5。

由表5可知，兩種工程對(duì)策均可有效控制各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使每一項(xiàng)指標(biāo)減幅超過(guò)24%，并且對(duì)隧道不均勻變形的控制更為理想，減小幅度超過(guò)30%。且綜合比較兩個(gè)對(duì)策下各指標(biāo)的減少量可知，對(duì)策Ⅱ在控制指標(biāo)減少量上更為優(yōu)越，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，在工程

中采用了對(duì)策Ⅱ，取得了較為理想的加固效果。

考慮到增加初噴混凝土厚度及等級(jí)和超前注漿小導(dǎo)管施工使工程造價(jià)明顯增加，且加固效果均較好，為減小工程造價(jià)，不必同時(shí)使用。類似工程可根據(jù)工程造價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)施工難度選擇。

表5 兩種工程方案的加固效果

4 結(jié)論

1)利用施工過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出了適用于青島膠州灣海底隧道青島端接線段YK1+280—YK1+370的地表橫向沉降公式，得出CRD法施工地表最大沉降值未發(fā)生在隧道中心線處，而是靠近中心線兩旁位置，沉降曲線呈馬鞍型。

2)根據(jù)隧道變形及地表沉降規(guī)律提出了5項(xiàng)加固措施，并依據(jù)8項(xiàng)控制指標(biāo)對(duì)各加固措施的效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示超前小導(dǎo)管注漿是最為有效的加固措施。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，選擇了增加錨桿密度+設(shè)置超前注漿小導(dǎo)管+隧道拱底注漿加固的控制圍巖變形工程對(duì)策，依此攻克了破碎地層隧道接線工程的技術(shù)難題，使各項(xiàng)控制指標(biāo)均控制在允許范圍之內(nèi)。

［1］郭富利，張頂立，蘇潔，等.地下水和圍壓對(duì)軟巖力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(11): 2331-2332.

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［4］吳學(xué)鋒，呂文杰，張黎明，等.暗挖地鐵車站圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)優(yōu)化［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8(5):1060-1061.

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Study on ground surface settlement regulation and control of surrounding rock deformation for shallow-buried approach tunnel in fractured rock (linking Jiaozhouwan undersea tunnel to city Qingdao)

WANG Weiming，WANG Dan
(Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China)

T he linking engineering construction of Jiaozhou bay undersea tunnel passes through the fractured rock by CRD method.In order to control the surface settlement caused by linking engineering，the surface settlement rule caused by construction and calculation formula for predicting surface deformation were concluded by adopting nonlinear approximation method through theoretical research，numerical simulation and field test，the key reinforcement measures and strengthening parameters were put forward according to the surface settlement rule，the effect of each reinforcement measure was analyzed based on the eight evaluation index and two kinds of engineering reinforcement measures were presented.T he reinforcement scheme of increasing the anchor density，setting the small pipe of the advanced grouting and grouting at the bottom of the tunnel was applied and ideal reinforcement effect was obtained，which ensure the safety of the linking engineering and passing through the fractured rock quickly.

Undersea tunnel;Linking engineering;Fractured rock;Settlement formula;Reinforcement effect

U456.3+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.07.14

1003-1995(2015)07-0046-04

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-02-20;

:2015-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472280);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014EEM029);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20123718110007)

王渭明(1954— )，男，江西臨川人，教授，博士。