海底隧道修建技术——大断面海底隧道异常变形控制措施研究

1、大断面海底隧道异常变形控制措施研究曾 超中国.厦门路桥建设集团有限公司 二00七年十一月2022/7/231一、基本情况二、海底隧道陆域段异常变形分类三、海底隧道异常变形原因分析四、异常变形对策研究和现场应用效果分析五、结论主要内容2022/7/232一、基本情况1、研究背景2、研究方法2022/7/233翔安隧道是中国大陆第一条海底隧道，全长约6050m，跨越海域总长约4200m，陆域段长约1850m。在陆域段，行车隧道主要采用CRD法和双侧壁导坑法施工，服务隧道采用台阶法开挖。隧道断面大，地质条件复杂，施工期间，部分隧道断面的拱顶下沉、水平收敛以及临时支撑位移超过了设计（或规范）要求，出现

2、了异常变形。鉴于此，作者带领的课题组以现场量测数据为基础，并结合数值分析，研究了各类异常变形的原因，并提出了相应的对策，以期为海底隧道的后续施工提供一些有益的结论和建议。1、研究背景2022/7/234海底隧道工程地理位置示意图2022/7/235海底隧道工程地质条件2022/7/2362、研究方法（1）现场监测位移监测的测点布置图 应力监测的测点布置图 2022/7/237（2）现场试验表1-2 现场试验分组及试验内容 2022/7/238（3）数值解析 表1-3 海底隧道变更措施研究计算工况表计算模型研究目的计算工况变更措施地质条件二维模型研究各种工程措施及其组合的施工效果工况一系统锚杆级

3、围岩工况二加强临时支护工况三锁脚锚管工况四仰拱注浆工况五降水(连续墙)工况六工况二工况三工况七工况二工况三工况四工况八工况五工况二工况九工况五工况二工况三返回2022/7/239二、海底隧道陆域段异常变形分类1、拱顶下沉异常2、水平收敛异常3、中隔壁变形异常2022/7/23101、拱顶下沉异常情况五通端A1标左线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）2倍预留变形量1倍预留变形量横通道2倍预留变形量1倍预留变形量工法改变五通端A2标右线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）（一）拱顶下沉量测情况2022/7/2311翔安端A3标左线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）2倍预留变形量1倍

4、预留变形量2倍预留变形量1倍预留变形量翔安端A4标右线隧道部分断面沉降量图（箭头表示开挖方向）2022/7/23122、水平收敛异常情况行车隧道跨度约16.84m，服务隧道跨度约7.92m。洞周水平相对收敛允许值以两测点间距离的0.8作为控制基准。以下各表红字部分表示该断面的实测数据超过基准值。断面里程ZK6+650ZK6+683ZK6+700ZK6+715ZK6+745ZK6+760上部-6.8-50.035.4107.2104-24.3下部-206.933.2-52.5-119.627.1断面里程ZK6+775ZK6+790ZK6+820ZK6+840ZK6+860ZK6+880上部-30

5、.9-54.7-36.7-176-156-320下部37.1-29.1-6.9-117.9-258-8.6断面里程ZK6+920ZK6+960ZK7+000ZK7+040上部-156-37.92.0-20.1下部49.2-32.010.5-51.2表2-2 五通端A1标左线隧道部分断面水平收敛2022/7/2313断面里程NK6+720NK6+735NK6+745NK6+760NK6+775水平收敛-11.5-0.23.6-5.9-0.4断面里程NK6+790NK6+805NK6+820NK6+835NK6+865水平收敛01.1-18.5-0.1-75.9断面里程NK6+880NK6+900

6、NK6+915NK6+955NK6+970水平收敛-3.8-7.50.20.20.3断面里程NK6+985NK7+000NK7+015NK7+030NK7+120水平收敛00.47.18.30.2表2-3 五通端A1标服务隧道部分断面水平收敛断面里程YK6+640YK6+683YK6+710YK6+725YK6+745YK6+760上部11.2-18.1-58.7-33.5-118.1-70.2下部-17.5-10.1-4.0-3.6断面里程YK6+775YK6+800YK6+820YK6+860YK6+880YK6+900上部-69.3105-78.1-188.3-30.1-107下部-1.

7、7-24.3-17.8-3.25.6断面里程YK6+920YK6+940YK6+960YK6+980YK7+000YK7+020水平收敛-123-175.5-189.8-145.9-140.2-123.4表2-4 五通端A2标右线隧道部分断面水平收敛2022/7/23143、中隔壁变形异常情况根据厦门东通道大断面海底隧道陆域段施工安全评价研究成果，当中隔墙上部变形超过100mm或下部变形超过40mm时，即认为中隔墙变形异常。以下各表红字部分表示实测数据超过允许值。断面里程ZK6+650ZK6+683ZK6+700ZK6+715ZK6+745ZK6+760上部-43-45.760.5111.31

8、07-30.2下部36.223.6-96.9-52.3-125.519.0断面里程ZK6+775ZK6+790ZK6+820ZK6+840ZK6+860ZK6+880上部-31.0-55.6-27.6-177.9-147-412下部31.7-47.3-24.2-155-285-36.6断面里程ZK6+920ZK6+960ZK7+000ZK7+040上部-311-61.03.2-27.8下部14.4-45.212.3-58.1表2-9五通端A1标左线隧道部分断面中隔墙变形2022/7/2315断面里程YK6+640YK6+683YK6+710YK6+725YK6+745YK6+760上部15.9

9、-100.2-68.0-79.0-91.5-79.0下部-18.1-5.2-9.8-2.7-1.310.8断面里程YK6+775YK6+800YK6+820YK6+860YK6+880上部-74.0177.4-312-403-19.2下部-5.3-17.2-16.2-6.87.5断面里程ZK12+225ZK12+250ZK12+275ZK12+300ZK12+320上部-16.0-21.5-37.9-4.6-26.9下部-10.16.2-22.3-14.0-9.5断面里程Z12+340ZK12+360ZK12+380ZK12+400ZK12+415上部-54.6-206-112-87.436.

10、5下部-18.426.4-52.2-170.9-85.3断面里程ZK12+429上部70.7下部54.6表2-10 五通端A2标右线隧道部分断面中隔墙变形表2-11 翔安端A3标左线隧道部分断面中隔墙变形2022/7/2316三、海底隧道异常变形原因分析1、异常变形区段施工条件2、地质条件对异常变形影响分析3、封闭距离和封闭时间对异常变形影响分析4、整体下沉对异常变形影响分析5、其它因素对异常变形影响分析6、异常变形原因综合分析2022/7/23171、异常变形区段施工条件表3-1 拱顶下沉异常区段开挖、支护参数统计 由前面研究可知,厦门海底隧道异常变形的类型及其在纵断面上的分布，各类异常变形

11、区段的地质条件、开挖方法、支护及预支护参数见如下各表： 2022/7/2318 表3-2 水平收敛异常区段开挖、支护参数统计表3-3 中隔墙变形异常区段开挖、支护参数统计2022/7/23192、地质条件对异常变形影响分析厦门海底隧道陆域段施工中所遇到的围岩有粘性土、砂性土、全强风化花岗闪长岩、全强风化黑云母花岗岩。异常变形区段的地质条件复杂，围岩强度低、含水量大、埋深浅，拱部围岩不能形成承载拱，使得支护受力很大，支护变形严重，甚至使支护开裂、混凝土剥落，严重的甚至还会引起坍塌。 图3-1掌子面围岩沿结构面塌落图图3-2掌子面围岩受水影响而滑塌2022/7/2320掌子面土体浸水崩解试验厦门海

12、底隧道掌子面处水量较大，而由于水的浸泡会导致掌子面围岩强度进一步降低，围岩稳定性变差。项目组在现场做了浸水软化试验，研究土体试样在一定时间内浸水后的散落情况，可以定性和定量研究水对围岩力学指标的影响。a取样 b试样 c 进行试验图3-5 崩解试验过程2022/7/2321试样编号第一阶段第二阶段第三阶段时间段(min)崩解量(%)时间段(min)崩解量(%)时间段(min)崩解量(%)A3-103027.37303222.1321200A3-2057.2751792.73-A3-30313.683565.2651321.06A4-102150.772110010.7710020538.46A4

13、-205955355-A4-302184.2121100010012015.79 表3-6 翔安端试样各阶段崩解时间及崩解量试样编号取样地点取样里程天然含水量（）备注120分钟崩解量A1-1部右侧ZK690037.13全风化闪长岩0A1-2部左侧ZK690029.04全风化花岗闪长岩。7.7A1-3部ZK687627.74全风化花岗岩18.46%A2-1部YK685244.71全风化花岗闪长岩10.77%A2-2部YK683731.52全风化闪长岩7.69% 表3-7 五通端试样各阶段崩解时间及崩解量2022/7/2322图3-6 各种土样崩解曲线 2022/7/2323 由上分析可见：（）海

14、底隧道陆域段围岩条件差，有一些区段，施工阶段获得的围岩力学参数比设计阶段获得的围岩力学参数低。（）两端掌子面土体稳定性受水影响较大，尤其是翔安端掌子面，土体快速散落在水中，自稳时间更短。 （）翔安掌子面围岩在浸水后崩解量主要发生在521min，且能达到100；而五通端掌子面围岩遇水后120min时崩解量最大为18.5。说明施工阶段翔安端掌子面必须做好排水工作，以免掌子面下方土体浸水坍塌使得上方土体悬空而失稳。2022/7/23242、封闭距离和封闭时间对异常变形影响分析断面整体封闭距离/封闭时间部/部拱顶下沉（mm）预留变形量(mm)YK6+68351m/50天151/71150YK6+800

15、43.5m/43天198/118YK6+82045.5m/42天239/134ZK6+68054.5m/54天248/140ZK6+70053.5m/45天150/61ZK6+71556m/30天214/78ZK6+74554.5m/35天305/53ZK7+04046.5m/24天188/108ZK6+78034m/31天141/123150ZK6+81334m/22天140/72YK6+74539m/47天115/84YK6+76038m/51天112/35ZK6+77535m/30天141/61ZK6+79039.5m/36天133/104ZK7+00036.5m/22天113/95表3

16、-10 五通端各断面封闭距离及封闭时间统计2022/7/2325表3-11 翔安端各断面封闭距离及封闭时间统计断面部封闭距离/封闭时间整体封闭距离/封闭时间部/部拱顶下沉（mm）预留变形量(mm)YK12+4306m/12天56m/86天476/214 150YK12+4176.5m/22天61m/75天644/297YK12+4006m/5天64m/66天283/121YK12+1604m/5天47m/35天199/87ZK12+4307m/8天30m/91天501/222ZK12+4003.5m/36天58m/84天555/248ZK12+3803.5m/11天49m/55天548/328

17、ZK12+3607m/5天56m/75天387/225YK12+2006m/6天45m/34天158/62YK12+3007m/5天43m/53天50/12150YK12+2606m/5天52m/37天91/32ZK12+3205m/5天53m/38天104/57ZK12+3006.5m/4天48m/38天53/27ZK12+2506m/5天48.5m/27天86/73ZK12+2006m/6天39m/31天61/58ZK12+1707.5m/7天42m/24天106/672022/7/2326通过对统计数据的分析得出以下结论：(1)封闭距离和封闭时间对拱顶下沉影响较大，是拱顶下沉异常的主要原

18、因之一。(2)五通端行车隧道拱顶下沉受断面整体封闭距离影响较大，封闭距离越长，断面拱顶下沉也越大，封闭距离宜控制在40m以内，而且封闭时间也应该控制在35天左右。(3)翔安端行车隧道各断面的拱顶下沉受封闭时间影响较大。当隧道遇到特殊情况必须停止掌子面开挖时，应该先封闭部临时仰拱。翔安端部封闭时间应控制在5天左右，其整体封闭时间应该控制在40天以内，整体封闭距离控制在3545m范围内为宜。 2022/7/23273、整体下沉对异常变形影响分析在地质条件较好的情况下，拱顶下沉一般在全环封闭后很快趋于稳定。然而由于东通道海底隧道中基底围岩承载力较差，在现场量测发现，许多断面在全环封闭后，拱顶下沉仍然

19、有较大的增长，出现了整体下沉。如断面ZK12+400，在部封闭后，仍然发生了较大的整体下沉：部封闭部封闭图3-11 ZK12+400断面发生整体下沉的典型曲线(1)全环封闭后的整体下沉2022/7/2328断面ZK6+715ZK6+745ZK6+760ZK6+860ZK6+920部封闭时201.6/51.6255/45.6224.3/59.0331.9/142.6373.7/331.1最终214.3/78304.9/52.9255.3/86.6379/156.8480.9/387整体下沉比重5.9%/33.8%16.4%/13.8%12.1%/31.9%12.4%/9.1%22.3%/14.4

20、%断面YK6+683YK6+745YK6+800YK6+820YK6+860部封闭时105.9/68.989.1/72.5159.8/96.7223.1/119.1254.3/160最终146.9/70.8114.9/84197.8/118.4238.9/133.8403/328.5整体下沉比重27.9%/2.7%22.5%/13.7%19.2%/18.3%6.6%/11%36.9%/51.3%断面ZK12+340ZK12+360ZK12+380ZK12+400ZK12+429部封闭时182.5/91.7354.9/190.2480.9/266.5457.8/134.2417.1/157.8最

21、终200.9/109.9387/224.6548.1/327.8554.6/235.7503.4/223.1整体下沉比重9.2%/17.2%8.3%/15.3%12.3%/18.7%17.5%/43.1%17.1%/29.3%断面YK12+370YK12+386YK12+400YK12+417YK12+430部封闭时52.5/14.7113.1/50.5274.4/110.8623/256.5444.9/196.6最终56.1/19.1113.3/57.5283.3/121.2643.5/297.4475.7/213.8整体下沉比重6.4%/23.0%0.2%/12.2%3.1%/8.6%3.

22、2%/13.8%6.5%/8.0%表3-12 五通端全环封闭后的整体下沉统计表3-13 翔安端全环封闭后的整体下沉统计2022/7/2329由上分析可见：（1）五通端发生异常变形的断面中，整体下沉对部拱顶下沉影响较大，占总变形量的12.1以上；对部拱顶下沉影响也较大，占总变形量的9.1以上。（2）翔安端左线隧道拱顶下沉受整体下沉影响较大，统计的断面中，整体下沉占到下沉量的10以上。尤其是ZK12+429ZK12+400断面、部的总下沉量受整体下沉影响达17和29以上。2022/7/23304、其它因素对异常变形影响分析（2）排水措施（1）早期缺乏施工经验厦门东通道海底隧道是中国大陆第一条海底隧

23、道，由于其断面大，地质条件复杂，主要采用CRD法和双侧壁导坑法施工，国内外对这两种工法的施工特点和结构变形规律研究还不够充分，早期对开挖时各部的受力和变形认识不足。 施工中先后尝试了真空井点降水法、电渗降水法，直到翔安端采用连续墙止水和排水措施后，才比较好的保证了隧道施工不受地下水的影响。事实证明，连续墙止水和排水措施可以减少异常变形。 2022/7/23315、异常变形原因综合分析表3-15 海底隧道各类异常变形的原因类别级别主要原因拱顶下沉异常1地质条件复杂和围岩力学参数较低整体封闭距离和封闭时间较长整体下沉较大：包括全环封闭后的整体下沉和开挖过程中的整体下沉早期缺乏施工经验。2整体封闭距

24、离和封闭时间较长整体下沉较大，主要为全环封闭后的整体下沉地质条件复杂和围岩力学参数较低。水平收敛异常-地质条件复杂和围岩力学参数较低中隔墙变形异常-地质条件复杂和围岩力学参数较低整体封闭距离和封闭时间较长早期缺乏施工经验。返回2022/7/2332四、异常变形对策研究和现场应用效果分析1、系统锚杆的效果分析2、加强临时支护的效果分析3、锁脚锚管的效果分析4、仰拱注浆的效果分析5、降水的效果分析(连续墙止水)6、组合方案的效果分析7、调整封闭时间及距离的效果分析8、工法变更效果分析9、海底隧道各类异常变形的对策2022/7/2333表4-2 变更前后支护内力及安全系数对比（变更前/变更后）由上述

25、分析可知，厦门海底隧道围岩力学参数较低，受水的影响程度较大，而且埋深浅。在此情况下，系统锚杆对减小隧道洞周位移、塑性区范围，提高支护安全性等方面的作用不能有效发挥。2022/7/23342、加强临时支护的效果分析I14工字钢变更为I18工字钢，喷射混凝土厚度由16cm变更为20cm，这提高了临时支护的刚度和强度。 表4-3 临时支护加强前后的支护结构位移对比临时支护变更前后位移对比见上表，临时支护加强后，拱顶下沉略有减小（6%10%） ，水平收敛变化不大。2022/7/23353、锁脚锚管效果分析表4-5 变更前后的位移对比施作锁脚锚管前后的位移对比见表4-5，加锁脚锚管后、部拱顶下沉分别减小

26、15.9和17.8，上部水平收敛略有增大，下部水平收敛减小了12.2。这表明采用锁脚锚管可以减小拱顶下沉和下部水平收敛。（1）位移分析2022/7/2336（2）现场应用效果分析五通端左线隧道在ZK6+6906+710段部的左边墙和中隔墙各增设2排42注浆锁脚锚管。表4-7 增设锁脚锚杆前后拱顶下沉对比（现场监测）4-3 变更前后拱顶下沉曲线锁脚锚管部封闭2022/7/23374、仰拱注浆效果分析仰拱注浆前后的位移对比见表4-8，仰拱注浆后、部拱顶下沉分别减小16和20.5，而水平收敛变化较小，这表明采用仰拱注浆可以一定程度减小拱顶下沉，但对控制水平收敛效果不明显。（1）位移分析表4-8 变更

27、前后的位移对比2022/7/2338（2）现场应用效果分析五翔安端服务隧道NK12+42112+380断面在隧道全环封闭后进行了仰拱注浆，断面拱顶下沉曲线见如下各图：4-5 NK12+400断面拱顶下沉曲线及回归曲线仰拱注浆下部封闭2022/7/23394-6 NK12+380断面拱顶下沉曲线及回归曲线仰拱注浆下部封闭表4-10 仰拱注浆效果分析（现场监测）2022/7/23405、降水效果分析(连续墙)变更前后的位移对比见表4-11，降水(连续墙)以后，部、部拱顶下沉分别减小42.1和55.8，上、下部水平收敛分别减小25.8和6.3。这表明该措施可以很好的减小隧道结构变形。（1）位移分析表

28、4-11 变更前后的位移对比2022/7/2341（4）现场应用效果分析断面部封闭距离/封闭时间整体封闭距离/封闭时间部/部拱顶下沉（mm）降水(连续墙)ZK12+4155m/5天30m/120天277/229降水前ZK12+4006.5m/7天22m/51天555/236ZK12+3607m/6天51m/70天387/225ZK12+3205m/5天58.5m/39天104/57ZK12+2755.5m/5天54m/35天93/67ZK12+2256m/5天41.5m/34天80/66ZK12+1857m/5天43.5m/25天103/67ZK12+1509m/5天37.5m/22天167/

29、119ZK12+1306m/5天37m/22天181/137ZK12+0807.5m/4天48.5m/29天155/92降水后ZK12+0307m/4天39m/17天102/61ZK11+9808m/4天37m/20天80/66表4-13翔安端左线隧道变更前后各断面封闭距离、时间及下沉量统计2022/7/2342 断面部封闭距离/封闭时间整体封闭距离/封闭时间部/部拱顶下沉（mm）降水(连续墙)YK12+4306m/12天56m/86天476/214降水前YK12+4176.5m/22天61m/75天644/297YK12+4006m/5天64m/66天283/121YK12+3007m/5天

30、43m/53天50/12YK12+2606m/5天52m/37天91/32YK12+2006m/6天45m/34天158/62YK12+1604m/5天47m/35天199/87YK12+1208.5m/6天53m/50天154/72降水后YK12+0808.5m/9天42m/48天174/41YK12+0408m/5天50.5m/39天61/48表4-14翔安端右线隧道变更前后各断面封闭距离、时间及下沉量统计降水（连续墙）后，翔安端左线隧道封闭时间有所减小，各断面的拱顶下沉量明显降低。翔安端右线隧道的封闭时间和封闭距离都变化不明显，各断面的拱顶下沉量在降水后有所降低。2022/7/2343

31、6、组合方案施工效果分析在异常变形比较严重地段，为有效控制隧道结构变形，确保隧道安全施工，常需要同时采用多种工程措施。厦门海底隧道工程措施变更统计情况参见报告中表4-14，可归结为以下六种组合：变更方案方案内容一加强临时支护二降水(连续墙)三加强临时支护，锁脚锚管四加强临时支护，锁脚锚管，仰拱注浆五降水(连续墙) ，加强临时支护六降水(连续墙)，加强临时支护，锁脚锚管表4-14 组合方案内容2022/7/2344现场应用效果分析A)方案三及方案四施工效果分析断面ZK6+680在施工过程中采用了锁脚锚管、临时仰拱注浆和加固中隔墙等工程措施，该断面CRD1部的拱顶下沉曲线及各工程措施的施作时间见下

32、图。4-9 断面ZK6+680CRD1部的拱顶下沉曲线锁脚、注浆加固中隔墙2022/7/2345B)方案五及方案六施工效果分析与用降水（连续墙）的断面ZK12+030相比，断面ZK12+130施工时没有能够充分降水，图4-10、图4-11为分别为两个断面CRD1及CRD3部拱顶下沉曲线：4-10 两断面CRD1部的拱顶下沉曲线4-11 两断面CRD3部的拱顶下沉曲线方案五及方案六中工程措施可以有效控制隧道结构拱顶下沉，其中CRD1部的拱顶下沉量减小了约45，CRD3拱顶下沉量也减小了约55。2022/7/23467、调整封闭时间及距离施工效果分析封闭距离和封闭时间对拱顶下沉影响较大，基于五通端

33、和翔安端各2个断面位移监测结果，研究封闭距离和封闭时间对拱顶下沉的影响：4-12 ZK6+745断面CRD部拱顶下沉时程曲线图 部封闭部封闭部封闭部封闭2022/7/23474-13 ZK7+000断面CRD部拱顶下沉时程曲线图 部封闭部封闭部封闭部封闭ZK6+745断面，部封闭时拱顶下沉为48.0mm，部封闭时拱顶下沉243.5mm，该断面最终拱顶下沉为304.9mm。其整体封闭距离和时间分别为54.5m和35天。ZK7+000断面，部封闭时拱顶下沉为11.6mm，部封闭时拱顶下沉为106.9mm，最终拱顶下沉为112.7mm。其整体封闭距离和时间分别为36.5m和22天。2022/7/23

34、488、工法变更效果分析（1）CRD法结构变形规律研究 本次分析选取5个应用CRD法施工的断面和8个双侧壁导坑法施工的断面进行对比分析，它们具有相似的断面形式、围岩等级、地质条件及埋深等。 项目各部开挖引起的CRD1拱顶下沉量占总沉降百分比()总下沉值(mm)开挖部CRD1CRD2CRD3CRD4开挖顺序1324ZK6+88041.6%28.5%17.3%12.6%370.3ZK6+92051.7%24.5%10.8%13%480.9ZK6+96047.5%28.6%11.5%12.4%221.7ZK7+00045.4%27.2%12.9%14.5%125.0ZK7+04032.9%24.2%

35、20.9%22.0%187.8表4-17 各部开挖引起的CRD1拱顶下沉量 2022/7/2349表4-18 各部开挖引起的CRD3拱顶下沉量 项目各部开挖引起的CRD3拱顶下沉量占总沉降百分比()总下沉值(mm)开挖部CRD1CRD2CRD3CRD4开挖顺序已过213ZK6+88022.6%64.6%12.8%224.0ZK6+92024.4%58.8%16.8%387.3ZK6+96033.8%46.0%20.2%108.8 ZK7+00017.6%62.0%20.7%94.9ZK7+04027.1%45.3%27.1%149.72022/7/2350 由上述比较可见：A）在CRD法施工时，CRD1部开挖所引起的拱顶下沉量约为其最终预测拱顶下沉量的4050 。B）CRD2部的开挖对1部拱顶下沉的影响据第二位，其量值约占最终预测拱顶下沉值的2030。 C）CRD3部的开挖对1部拱顶下沉的影响约占预测拱顶下沉值1020。 D）CRD4部开挖对1部拱顶下沉影响约占最终预测拱顶下沉值的1020 2022/7/2351（2）双侧壁导坑法结构变形规律研究表4-19 双侧壁导坑法施工断面形式及开挖顺序 表4-20实测拱顶下沉时态曲线2022/7/2352四、异常变形对策研究和现场应用（3）两种工法施工效果对比研究采用双侧壁导坑法施工时各断