肖時(shí)輝,黃海斌,王明年,程海濤,劉大剛

(1.珠海大橫琴股份有限公司,廣東珠海 519031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 3.上海隧道工程有限公司,上海 200032)

城市跨江越海隧道作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通形式，迅速成為許多大城市解決兩岸交通問題的首要選擇[1-2]。海底盾構(gòu)隧道修建過程中，經(jīng)常遇到地層軟硬不均、硬巖凸起、球狀風(fēng)化巖和穿越水底淺覆土層等情況[3-6]。鑒于施工考慮，通常采用工程爆破的方法處理隧道底部凸起的基巖及掘進(jìn)斷面內(nèi)的孤石。爆破施工時(shí)，爆破震動(dòng)和密集的鉆孔造成了原始地層的頻繁擾動(dòng)，改變了地層的性質(zhì)。

蔚立元等[7]介紹了鄰近隧道爆破控制的研究現(xiàn)狀，根據(jù)FLAC3D動(dòng)態(tài)計(jì)算的特點(diǎn)分析了小凈距海底隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)。張欣，李樹才[8]采用ABAQUS計(jì)算軟件對(duì)爆破荷載作用下青島膠州灣海底隧道覆蓋巖層穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。路耀邦等[9]通過采用爆破震動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)和鉆孔取芯的方法，總結(jié)出一套針對(duì)海底盾構(gòu)區(qū)間孤石爆破預(yù)處理的施工方法。陽軍生等[10]依托臺(tái)山核電站取水隧洞工程對(duì)高強(qiáng)度基巖爆破預(yù)處理泥水盾構(gòu)掘進(jìn)特征展開了研究。

現(xiàn)階段針對(duì)海底隧道爆破的研究成果主要集中于礦山法隧道，基于盾構(gòu)法隧道的海底軟土地層爆破的研究較少，主要依托臺(tái)山核電站引水隧洞工程[9-11]，且研究主要針對(duì)基巖爆破對(duì)盾構(gòu)隧道施工的影響[12-13]。針對(duì)土層爆破擾動(dòng)對(duì)盾構(gòu)隧道圍巖荷載影響的研究尚未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文依托馬騮洲交通隧道工程，采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，對(duì)基巖爆破裝藥結(jié)構(gòu)的爆破效果進(jìn)行了驗(yàn)證，并首次對(duì)水下盾構(gòu)隧道基巖爆破擾動(dòng)地層管片外荷載在施工階段的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。研究成果可供類似工程參考應(yīng)用。

1 工程背景

1.1 工程概況

馬騮洲交通隧道工程位于珠海市南灣城區(qū)和橫琴新區(qū)，盾構(gòu)隧道段長1.1 km，隧道外徑14.5 m，厚0.6 m，中心環(huán)寬2 m，通道涉及鐵路、道路、電力、給排水等多種功能不同的設(shè)施。選用直徑14.93 m的泥水平衡盾構(gòu)施工。是國內(nèi)首條海域超大直徑復(fù)合地層盾構(gòu)法隧道。

1.2 工程地質(zhì)

工程所處地質(zhì)為典型的華南地區(qū)復(fù)合式地層。如圖1所示，盾構(gòu)主要穿越地層有：②1淤泥、②2黏土、②3中粗砂夾黏土、②4淤泥質(zhì)黏土、④中粗砂、⑤礫質(zhì)黏性土，局部基巖埋藏較淺處，以及⑥1全風(fēng)化花崗巖、⑥2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑥3中風(fēng)化花崗巖等高強(qiáng)度基巖。土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 工程沿線地質(zhì)環(huán)境

土層重度/(kN·m-3)泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/MPa淤泥16.30.46.13.41.96黏土19.20.330155.14礫質(zhì)性黏土18.80.335.326.15.05強(qiáng)風(fēng)化花崗巖19.10.232.525.45.58

2 現(xiàn)場測(cè)試方案

2.1 監(jiān)測(cè)斷面

監(jiān)測(cè)斷面①里程為WK2+600，對(duì)應(yīng)第348環(huán)管片。隧道拱頂埋深12.2 m，底板埋深26.7 m，海水位深度約為6.37 m。隧道全斷面穿越的地層包括②1淤泥、②2黏土、②4淤泥質(zhì)黏土、⑤礫質(zhì)黏性土，屬于Ⅵ、Ⅴ級(jí)圍巖，見圖2所示。

監(jiān)測(cè)斷面②里程為WK2+690，對(duì)應(yīng)第392環(huán)管片。隧道拱頂埋14.92 m，底板埋深29.42 m，海水位深度約為3.6 m。隧道全斷面穿越的地層包括②1淤泥、②2黏土、②4淤泥質(zhì)黏土、⑤礫質(zhì)黏性土及⑥1全風(fēng)化花崗巖，屬于Ⅵ、Ⅴ級(jí)圍巖，為基巖凸起斷面，需進(jìn)行爆破處理，見圖3。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面①地質(zhì)及儀器分布(單位：m)

圖3 監(jiān)測(cè)斷面②地質(zhì)及儀器分布(單位：m)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及其埋設(shè)

海底爆破擾動(dòng)地層襯砌外荷載的數(shù)值和分布情況的影響因素復(fù)雜，簡單的采用某一計(jì)算理論很難真實(shí)反映工程實(shí)際。采用YT-300A標(biāo)準(zhǔn)型鋼弦式滲壓計(jì)和YT-200A型振式高精度雙膜土壓力盒監(jiān)測(cè)試驗(yàn)環(huán)管片外側(cè)的水土壓力。

每環(huán)試驗(yàn)管片共設(shè)5個(gè)土壓力測(cè)點(diǎn)，分別位于管片環(huán)的拱頂、左右拱肩及左右拱腳；共設(shè)3個(gè)水壓力測(cè)點(diǎn)，分別位于管片環(huán)的拱頂、側(cè)墻及底部。

為防止監(jiān)測(cè)過程中泥沙堵塞滲壓計(jì)及運(yùn)輸拼裝過程中的磕碰損壞滲壓計(jì)。埋設(shè)前先用醫(yī)用紗布多層纏繞滲壓計(jì)測(cè)水壓的端部，再用毛巾包裹，之后將滲壓計(jì)放入方形金屬盒內(nèi)密封埋設(shè)在鋼筋籠外側(cè)。管片澆筑好后，將裝有滲壓計(jì)的金屬盒找出，敲出足夠多的孔洞使管片外側(cè)的水能與滲壓計(jì)連通(圖4)。土壓力計(jì)安裝如圖5所示。

圖4 滲壓計(jì)安裝

圖5 土壓計(jì)安裝

管片拼裝前，人工采集初始讀數(shù)。管片拼裝好后，立刻組網(wǎng)進(jìn)行預(yù)埋儀器測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

3 爆破預(yù)處理

馬騮洲隧道在臺(tái)山核電站引水隧道基巖爆破裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了爆破裝藥結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如圖6(a)所示，在隧道上方設(shè)置小爆破點(diǎn)，小爆破點(diǎn)與泥面的距離大于5 m。圖6(b)為臺(tái)山核電站引水隧道基巖爆破裝藥結(jié)構(gòu)[10]。

圖6 基巖爆破裝藥結(jié)構(gòu)(單位：m)

由于基巖埋深較深，從而導(dǎo)致其爆破破碎難度較大，為了便于施工及達(dá)到爆破破碎效果，首先對(duì)前排孔進(jìn)行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對(duì)后排孔進(jìn)行逐個(gè)起爆。馬騮洲基巖爆破裝藥結(jié)構(gòu)較于臺(tái)山核電站引水隧洞的區(qū)別是在隧道的上方設(shè)置小爆破點(diǎn)。根據(jù)理論分析，隧道上部設(shè)置小爆破點(diǎn)有利于切斷泥水滲流路徑，從而省去爆破后對(duì)隧道上覆土層進(jìn)行水平旋噴注漿加固的施工工序。

為驗(yàn)證基巖爆破后爆破孔封堵效果，于西線岸上段WK1+991處進(jìn)行爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)17個(gè)爆破孔。根據(jù)冒漿試驗(yàn)結(jié)果，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中所有爆破孔均不冒漿(圖7)(其中包括不拔管、不封孔孔位)，結(jié)合西線隧道的順利貫通，可判斷爆破后是否進(jìn)行注漿填充，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)并無影響，初步印證了于隧道上方設(shè)置小爆破點(diǎn)的作用。

圖7 冒漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片

爆破效果：經(jīng)驗(yàn)證，爆破后22號(hào)取芯最大直徑為22 cm，6號(hào)取芯最大直徑為26 cm，滿足盾構(gòu)推進(jìn)要求(圖8)。

綜合冒漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果及西線隧道施工的分析，考慮到經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可操作性，江中爆破采取爆破工況為：管材選用(價(jià)格較低的)祥塑管；于盾構(gòu)推進(jìn)斷面上方設(shè)置小爆破點(diǎn)；封孔采用自封孔工藝；爆破后只對(duì)水面上部管材做處理，其他不做處理。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面基巖爆破效果驗(yàn)證

4 管片外荷載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 水壓力分布規(guī)律

馬騮洲隧道施工采用的盾構(gòu)機(jī)刀盤到盾尾的距離為13 m，盾構(gòu)管片拼裝斷面距離盾尾4.7 m，即試驗(yàn)環(huán)管片拼裝好后，盾構(gòu)推進(jìn)4.7 m(2.4環(huán))時(shí)試驗(yàn)環(huán)管片開始脫離盾尾并進(jìn)行同步注漿。試驗(yàn)環(huán)管片外側(cè)水壓力變化如圖9及圖10所示。

圖9 348環(huán)管片施工全過程水壓力時(shí)程曲線

圖10 392環(huán)管片施工全過程水壓力時(shí)程曲線

(1)全過程水壓力分布規(guī)律

從348環(huán)管片外水壓力時(shí)程曲線看，盾構(gòu)推進(jìn)到350環(huán)左右時(shí)，測(cè)試環(huán)管片脫離盾尾并進(jìn)行同步注漿，外水壓力由于注漿壓力影響迅速上升為最大水壓力，達(dá)到了0.5 MPa左右。管片脫環(huán)后的5環(huán)內(nèi)，盾尾同步注漿對(duì)試驗(yàn)管片外水壓力影響顯著。之后注漿壓力作用減小，水壓力出現(xiàn)一個(gè)降幅。隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，注漿壓力逐漸消散并趨于穩(wěn)定，最終接近靜水壓力。由于潮汐及波浪的影響，該水壓力在消散過程中存在一定的波動(dòng)。

對(duì)比348環(huán)和392環(huán)管片的施工全過程水壓力時(shí)程曲線，可知兩測(cè)試斷面試驗(yàn)環(huán)管片的各測(cè)點(diǎn)外水壓力呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，反映了施工階段作用在管片上的外水壓力主要是同步注漿漿液流體和實(shí)際土層滲透水壓的聯(lián)合作用。

斷面②由于隧道底部存在基巖凸起的情形，盾構(gòu)施工前采用爆破的方式進(jìn)行了預(yù)處理。海底無自由面爆破擠壓軟土土層，破壞了軟弱土層中原有的滲流通道，因而同步注漿引起的超靜孔隙水壓消散較斷面①緩慢。這也驗(yàn)證了在隧道上部設(shè)置小爆破點(diǎn)能起到切斷泥水滲流路徑的作用。

(2)穩(wěn)定時(shí)段水壓力分布規(guī)律

西線隧道貫通后，測(cè)試斷面外水壓力基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由西線隧道貫通6個(gè)月后的水壓力實(shí)測(cè)值(表2)可知，襯砌水壓力隨隧道的埋深增加而增大，水壓力總體呈現(xiàn)頂部低、下部高的規(guī)律，與隧道區(qū)域滲流場的分布規(guī)律一致，隧道管片外水壓力接近或等于靜水壓力[14]。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，當(dāng)水下隧道采用全封堵襯砌時(shí)應(yīng)取β=1，即水壓力不折減。該工程的現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一理論。其誤差可能與不同土層滲透性能、潮汐變化及波浪浪涌等因素有關(guān)。

表2 穩(wěn)定水壓力

4.2 接觸壓力分布規(guī)律

試驗(yàn)環(huán)管片實(shí)測(cè)接觸壓力變化見圖11、圖12所示。

(1)全過程接觸壓力分布規(guī)律

從兩監(jiān)測(cè)斷面接觸壓力時(shí)程曲線可知，在管片環(huán)脫離盾尾時(shí)管片進(jìn)行同步注漿作業(yè)，接觸壓力急劇增加，隨著隧道的掘進(jìn)，管片接觸壓力在時(shí)間和空間上都發(fā)生著變化。施工過程中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化都存在加速段、減速段和變化趨于穩(wěn)定時(shí)段。

在管片脫離盾尾15環(huán)內(nèi)，注漿壓力消散過程中漿液濾出水滲流和土體彈性變形進(jìn)行復(fù)雜的耦合作用[16]。對(duì)比圖11與圖12可知，斷面②管片外側(cè)接觸壓力在消散過程中相較于斷面①管片接觸壓力存在更大的波動(dòng)。分析認(rèn)為爆破施工時(shí)，爆破震動(dòng)和密集的鉆孔造成了原始地層的頻繁擾動(dòng)，使得斷面②的地層條件更為復(fù)雜，即該處地層注漿壓力與水土荷載的“耦合”更為復(fù)雜。

圖11 348環(huán)管片施工全過程接觸壓力時(shí)程曲線

圖12 392環(huán)管片施工全過程接觸壓力時(shí)程曲線

(2)穩(wěn)定時(shí)段接觸壓力分布規(guī)律

斷面①與斷面②除隧道底部外，隧道兩側(cè)土層分布情況基本一致。對(duì)比穩(wěn)定時(shí)段348環(huán)管片外側(cè)接觸壓力與392環(huán)管片外側(cè)接觸壓力的大小可知，392環(huán)管片側(cè)向接觸壓力要比348環(huán)管片大得多，可認(rèn)為基巖無臨空面爆破破壞了土層原有的結(jié)構(gòu)，使得土層更為破碎，側(cè)壓力增大。在進(jìn)行爆破地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮爆破對(duì)土層擾動(dòng)的影響。

試驗(yàn)環(huán)管片脫離盾尾20環(huán)后，圍巖壓力不再受施工環(huán)境的影響，趨于穩(wěn)定。由于漿液體凝固后在管片環(huán)周圍形成硬化包裹層，漿液體將壓力分擔(dān)給測(cè)點(diǎn)鄰近襯砌結(jié)構(gòu)，使得個(gè)別測(cè)點(diǎn)接觸壓力值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏小。對(duì)比圖9與圖11，圖10與圖12可知圍巖壓力主要體現(xiàn)為水壓力。

5 結(jié)論

(1)該盾構(gòu)隧道用于基巖/孤石爆破的裝藥結(jié)構(gòu)，經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證具有良好的爆破效果。

(2)海底盾構(gòu)隧道基巖/孤石爆破時(shí)，在隧道上部設(shè)置小爆破點(diǎn)能起到切斷泥水滲流路徑的作用，可簡化施工作業(yè)，利于盾構(gòu)施工。

(3)海底盾構(gòu)隧道無自由面爆破破壞了土層的原有結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道的外荷載有較大的影響。主要表現(xiàn)為注漿過程中水壓力消散較慢；漿液消散過程中水土“耦合”更為復(fù)雜；爆破地層隧道側(cè)壓力增大。

(4)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明無論爆破與否，海底盾構(gòu)隧道圍巖壓力仍表現(xiàn)以水壓力為主的特征。