厦门翔安海底隧道关键施工技术 (2).ppt

厦门翔安海底隧道 关键施工技术,2010年09月17日,中铁二十二局集团有限公司 黄明琦,一、翔安海底隧道工程项目介绍二、翔安海底隧道穿越软弱地层施工稳定性控制研究三、翔安海底隧道穿越透水砂砾层施工技术四、翔安海底隧道穿越海域风化深槽施工技术五、翔安海底隧道海底硬岩控制爆破施工技术六、主要技术成果七、结语,报 告 内 容,一、翔安海底隧道工程项目介绍,1.工程概况2.工程难点3.工程难点4.工程难点,厦门翔安海底隧道是我国大陆第一条海底隧道，隧道最深在海平面下约70m，工程总投资约36亿元人民币。它是一座兼具公路和城市道路双重功能的隧道。翔安隧道不仅是我国内地第一条海底隧道，也是第一条由国内专家自行设计的海底隧道，隧道采用钻爆法施工，按双向6车道设计，行车速度为80km/h。,1.工程概况,翔安隧道地理位置图,该工程于2005年8月9日正式动工建设，2010年4月26日建成通车。建成后，翔安区到岛内将缩短50km的路程，厦门岛到翔安只需要15min。厦门海底隧道工程建成交付使用后，对于提升厦门的城市功能，拓展城市发展空间，促进区域社会经济协调发展，优化产业布局，改善厦门市的投资环境，加快厦门国际化港口建设步伐，都将有着非常重大的现实意义。而作为我国内地第一条海底隧道，对于探索出适合我国国情的海底隧道建造技术，为类似工程的动工兴建，缩小与世界先进水平的差距，都将起到里程碑式的作用。同时也为我国深海交通技术研究奠定了基础。,2010年4月26日全线通车,翔安隧道翔安端洞口实景,厦门翔安海底隧道工程主要包括五通互通，跨海翔安隧道和西滨互通三部分工程。线路总长8.695km，翔安隧道全长6.05km，其中海域段长4.2km，为双向6车道双洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海域，两侧为行车主洞，中间一孔为服务隧道。隧道沿线设通风竖井两座，车行横洞5处，人行横洞12处，翔安西滨侧设收费、服务、管理区。,翔安隧道横断面示意图,1）V形纵剖面，下坡施工，施工排水量大 海底隧道洞口高，中间低，纵剖面呈V形，下坡施工，水（围岩渗水和施工用水）不能自流排出，施工中必须制订完善的排水方案，采用足够的排水设备不间断地排水，施工供电也必须安全、可靠、不间断。,2.工程特点,2）国内第一，技术含量、标准要求高 隧道穿越海底施工过程中遇到很多技术难题，其中有多项世界级的技术难题，因而在施工中必须进行必要的科研试验，以解决施工中的关键技术问题，这充分体现了海底隧道科研先导的施工理念。,3）地质条件复杂，水量大，水压高，施工难度大 该隧道经过陆域、浅滩带及海域三种地貌。在陆域和浅滩地带，基岩全强风化带厚度较大；在海域，三条隧道共同穿越F1-278m、F2-220m、F3-255m、F4-212.5m、F5-153m、累计穿越风化槽总长度为1118.5m。此类全强风化岩体强度低、自稳能力差。另外，隧道轴线上海水最深为30m，而且受岩石风化节理、裂缝、风化槽的影响，分段最大涌水量为6.2m3/（dm），在0.7MPa高水头压力下，开挖扰动后，极易发生涌水和塌方，给隧道正常施工带来很大的安全隐患。,4）断面大，工法多 主隧道按3车道设计，最大开挖断面尺寸为17.04m12.55m(170m2)；根据隧道区域地质条件，主要采用CRD工法、双侧壁导坑法、上下台阶法施工。,5）隧道结构防腐、抗渗要求高 本工程使用年限按照100年设计，采用复合式衬砌结构，陆域隧道二次衬砌为C30防腐蚀混凝土，抗渗等级为P8，海域隧道二次衬砌为C45高性能防腐混凝土，抗渗等级为P12，同时采用具有抗海水侵蚀的喷射混凝土，钢筋网为V级，风化槽采用钢拱架组成初期支护，取消系统锚杆，钢拱架接头处设锁脚钢管，在初期支护和二次衬砌之间，选择PVC防水板和系统盲管做排水系统，确保满足隧道设计使用年限的要求。,6）施工风险大 地下水是海底隧道施工中的最大风险。海底隧道与一般山岭隧道最明显的差异，就是其水源是无限的海水。由于本工程大部分区域是在水下，地质条件具有较强的多变性和不可确定性，稍有不慎，很有可能在施工中发生涌水、突水、造成隧道持续坍塌或严重进水，如采取措施不当，将对施工人员和机械设备造成极大的威胁，甚至导致工程报废，造成无可挽回的损失。,7）标段划分 整个隧道分为四个标段，其中A1标和A2标位于隧道进口，A3标和A4标位于隧道出口，将两个竖井和服务隧道按工作量的大小和施工方便进行分配。,标段划分示意图,8）环保、水保、文明施工要求高 厦门岛是国内著名的海滨旅游城市，风景优美，地域特色明显，翔安隧道设计施工理念新颖，隧道建设的社会意义重大，对环保、水保、文明施工要求高。,1）超前预报预测 厦门翔安海底隧道地质复杂，最关键的技术问题就是做好施工期的综合超前地质预测预报、信息化指导设计与施工。通过TSP、红外探水、地质雷达、超前水平钻孔等各种方法的运用，相互对照、相互补充，提高物探成果解译水平和地质预报精度。将此作为勘察地质资料的补充，在基本掌握前方施工地质的情况后，确定合理的施工方案和施工对策，确保工期，施工安全和质量。,3.工程重点,施工用到的RPD-180C多功能地质钻机,2）隧道结构防水施工 在陆域段，隧道二次衬砌混凝土抗渗等级为P8；在浅滩和海域段，隧道二次衬砌混凝土抗渗等级为P12。施工中，隧道上受海水威胁，下受地下水的影响，地下水以基岩裂隙水为主，大气降水和海水为补给源，地下水沿裂隙渗入隧道而出现滴水或溢流，甚至会出现涌水现象。如何保证本工程的防水质量及达到防水效果是海底隧道施工的一个重点工作，主要采取如下措施：,采取“以堵为主”的施工原则，通过超前地质预报系统准确分析前方地质破碎带情况。采取超前帷幕注浆，超前小导管和中空锚杆注浆，后注浆等防水措施，将隧道开挖面周围的涌水或渗水封堵于结构之外；重视初期支护背后注浆防水，基本实现初期支护无渗漏。重视衬砌背面排水层的施作，保证隧道第二道防线。重视在初期支护背后充填注浆的施工，确保初期支护不渗不漏。加强结构的自防水能力，封闭渗漏水在初期支护之外，二次衬砌结构在无水条件下施工，确保二次衬砌施工质量。采取分区防水形式，充分保证防水板的防水效果,3）耐久性混凝土施工 海底隧道对混凝土结构耐久性提出更高的要求。由于海底隧道大部分处于水域之下，地下水水质与海水十分接近，均属于CLNaMg型，为了防止钢筋和混凝土的腐蚀，采取措施如下：在隧道结构混凝土（包括喷射混凝土和二次衬砌混凝土）施工过程中，采用先进的施工工艺和检测手段。进行严格的过程控制，确保混凝土结构的耐久性。根据工程施工条件进行温控设计，防止温度裂缝出现。,4）隧道监控量测 海底隧道对施工安全性的要求远高于陆地隧道。施工中必须进行监控量测与信息化施工。它是保证隧道安全的有效手段。为掌握围岩开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态，采取措施如下：将监控量测作为一道重要工序：在施工的全过程中，实施全面、系统的监测工作，并将其作为一道重要工序纳入隧道施工中，留足时间，配齐人员。根据监测数据，动态设计，动态施工：根据隧道围岩条件、支护类型和参数、施工方法编制量测计划，按照设计要求的监测频率和方法进行监测，通过对量测数据的分析和判断，对围岩支护体系的稳定状态进行预测，判断隧道和围岩是否稳定，从而指导施工，反馈设计，据此确定相应施工措施，确保围岩及结构稳定、安全。,5）隧道施工安全风险管理 由于海底隧道施工条件的复杂性，决定了其施工必须以安全为前提，施工中应遵循“预案在先、规避风险”的原则。海底隧道施工中的最大威胁是掘进中的突水、突泥及坍塌，一旦出现突水、涌泥事故，将对人员、设备及工程造成极大的损失。因此，除应采用各种有效的工程措施以保证施工安全和结构安全外，还应对可能出现的意外制订应急措施，尽可能将损失降到最小。主要应急措施包括报警装置、排水设备和逃生路线规划等。同时配置洞内安全监控体系，通过高度自动化的连续、跟踪、系统检测，以及时发现安全隐患，制订应急对策并快速组织实施，从而确保施工安全。,1）隧道穿越浅滩全风化层段施工 浅滩段处于全风化地段，岩体强度低，围岩自稳能力差，同时又处于地下水位以下，在浅滩区施工，其不良地质问题之一就是渗水。如果施工措施不当，可能因发生围岩过度松弛变形，导致隧道淹没和坍塌。施工中采取措施如下：（1）按照“先探水，再注浆，后开挖”施工程序，遵循“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”的施工原则。（2）采用超前小管棚支护，CRD或双侧壁导坑法开挖，喷射混凝土、钢筋网片、钢拱架联合支护。,4.工程难点,2）隧道通过海底风化槽（囊）施工 隧道通过海底风化槽（囊）时，上覆土层较浅，岩层软弱破碎，一旦施工扰动过大，隧道顶部高水压（0.7MPa）容易将隧道覆盖层击穿，从而发生坍塌、突水、突泥。主要采取如下措施：（1）施工中按照“先探水，再注浆，后开挖”的施工程序，以探水、周边浅孔预注浆为主的全断面注浆与开挖交替进行，即探水注浆一段，开挖一段，稳扎稳打。遵循“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”的原则。（2）采用综合超前地质预报基数，采取全新的帷幕注浆，注浆的加固范围应为开挖断面直径的2.03.0倍，注浆后采用双层超前小管棚支护，CRD法开挖，减弱震动，控制爆破，喷射混凝土、钢筋网片、钢拱架联合支护。,3）隧道砂砾层段施工 浅滩YK11+930YK12+580段650m隧道拱顶覆盖砂层，砂层影响段450m，砂层侵入隧道长达249m。由于砂层透水性很强，与海水联通的富水砂层对隧道施工安全极为不利。采用地面垂直注浆和洞内超前小导管注浆，形成闭合的帷幕，阻止地下水和治理流沙。,王梦恕院士和张楚汉院士指导砂层施工,宋振骐院士和卢耀如院士在砂层掌子面,二、翔安海底隧道穿越软弱地层 施工稳定性控制研究,1.绪论2.陆域浅滩段CRD工法和CD工法施工沉降控制研究3.陆域浅滩段CRD工法步距和工序沉降控制作用研究4.变形分配控制原理及其在翔安隧道中的应用研究5.锁脚锚杆作用机理数值模拟分析6.软弱地层充填注浆沉降控制研究7.结论,研究内容,从国外海底隧道施工现状和发展趋势看，在海底隧道施工方面都积累了一定的经验，但在富水、软弱地层中修建大断面隧道并无先例，因此，本课题结合厦门海底隧道的地质条件复杂、开挖断面大、无成熟的经验可借鉴等特点，对软弱地层施工方法、沉降控制、辅助工法等进行深入研究，总结出一套适合软弱地层、大断面、海底隧道施工的技术和方法，利用研究成果指导施工，优化设计，非常具有实际意义。,1.绪论1.1 研究目的,本课题紧密结合厦门翔安海底隧道施工，通过现场监测、数值计算和理论分析进行研究。（1）利用数值方法，模拟现场土层和施工条件，对CD和CRD工法分别建模计算、进行数值模拟分析和比较，综合考虑，确定合理的施工方法；（2）设计六种不同的工况和两种不同工序，对各种工况开挖过程中的地层三维变形状态进行数值模拟，分析和总结变形、失稳规律，在此基础上优化CRD工法各部之间的步距和工序；,1.2 研究内容,（3）将变形分配控制原理应用于翔安隧道施工，确定控制目标值，通过监测反馈，分步控制，将变形控制在安全范围之内；（4）研究锁脚锚杆的作用机理，对锁脚锚杆的施工效果进行数值模拟，系统地研究其受力和变形规律，优化锁脚锚杆的设计和施工方法；（5）建立初支和围岩相互作用的突变模型，利用初支刚度和围岩的弱化刚度研究围岩的突变失稳。从理论上解释了壁后注浆加固机理，结合现场监测，验证充填注浆对控制沉降的作用。,2.1 浅埋大跨软岩隧道施工方法2.2 工程及地质概况2.3 隧道入口端CD法与CRD法开挖引起的沉降量比较2.4 本章小结,2.陆域浅滩段CRD工法和CD工法施工沉降控制研究,近年来国内外的工程实例表明，在各种地质条件下隧道施工的方法很多，但适合大断面隧道的基本施工方法有六种：台阶法、上半断面临时闭合台阶法、CD工法、CRD工法、侧壁导坑法、眼镜工法（双侧壁导坑法）。,2.1浅埋大跨软岩隧道施工方法,台阶法,大量施工实例统计结果表明：在控制沉降方面施工方法择优顺序为：双侧壁导坑法、CRD工法、CD工法、预留核心土台阶法、台阶法；在控制水平位移方面施工方法择优顺序为：CRD工法、双侧壁导坑法、CD工法、上半断面临时闭合台阶法、台阶法；从施工进度和经济角度方面择优顺序为：台阶法、预留核心土台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑法。,双侧壁导坑法,CRD工法,厦门海底隧道断面大、围岩软弱、地质条件复杂，台阶法难以适用，双侧壁导坑法是在对地表沉降要求特别严的情况下采用的施工方法，所以根据海底隧道的实际，只考虑采用CD工法或CRD工法。本章对这两种施工方法进行模拟和比较。,CD工法 CRD工法,1,2,3,4,厦门翔安隧道海底段长4200m，浅滩段上部覆土厚度平均为7.35m，通过的地层主要为填筑土、粘土、砂质亚粘土、黑云母花岗岩，为V类围岩，开挖跨度为16.74m，开挖高度为12.261m。,2.2 工程及地质概况,模型建立 采用FLAC3D进行计算分析，模型范围向下取50m、向上取到地表、隧道左右两侧各取50m、纵向从洞口取50m。模型位移边界条件 隧道左右两侧给定X方向位移约束；底面给定Z方向位移约束；纵向边界面（不包括洞口边界面）给定Y方向位移约束。模型中采用8节点六面体单元进行网格划分，地层及管棚加固区采用摩尔库仑模型，隧道结构采用线弹性模型，模型共划分16900个单元，18438个单元节点。,2.3 隧道入口端CD法与CRD法开挖引起的沉降量比较,CD法施工 导洞1、2分别向前开挖20、5m时拱顶最大沉降86mm,施工台阶长度为15米时各工况拱顶最大沉降量,CRD法施工 导洞1、2分别向前开挖20、5m时拱顶最大沉降66mm,CD法施工 导洞1、2、3、4分别向前开挖45、30、25、10m时拱顶最大沉降98mm,CRD法施工 导洞1、2、3、4分别向前开挖45、30、25、10m时拱顶最大沉降68mm,（1）采用CD法施工，台阶长度分别为5m、10m、15m米时隧道拱顶最大沉降分别为91、94、98mm，因为台阶越长，整体封闭成环时间越长，所以产生的沉降越大；（2）虽然台阶短，封闭成环时间短，拱顶产生的沉降小，但台阶长度一般不宜小于5m，如台阶过短，上台阶开挖施工机械难以摆放，且下台阶掌子面过早暴露，上下台阶开挖相互扰动影响过大，反而增大围岩变形；（3）采用CRD法比CD法施工拱顶沉降将明显减小，台阶长15米拱顶最大沉降仅68mm，比CD法减小30mm，这是由于CRD法的腰撑能及时闭合掌子面，腰撑成为临时仰拱，在阻止结构初期下沉方面起了关键作用，因此拱顶沉降明显减小。,2.4 本章小结,3.陆域浅滩段CRD工法步距和工序沉降控制作用研究,3.1 概述3.2 地质状况及面临的问题3.3 隧道施工的三维数值模拟参数和内容确定3.4 两种不同施工工序计算分析3.5 本章小结,大断面软弱地层修建隧道，CRD工法是一种比较有效的方法，本章结合实际施工状况优化CRD工法步距和步序，将拱顶沉降控制在最小范围内。根据厦门翔安海底隧道出口端地层软弱、易膨胀、稳定性差等特点，设计六种开挖与支护工况，利用数值方法模拟开挖过程中的地层三维变形状态，总结变形、失稳规律，优化开挖支护方案，解决施工技术难题。,3.1 概述,翔安隧道陆域段为全风化花岗岩，这种围岩未扰动之前坚硬、干燥、稳定，而开挖暴露、遇水后则迅速膨胀、软化，自稳能力急剧下降。如果工序衔接不紧、掌子面封闭不及时、CRD步距过大、拱脚积水等会导致围岩变形异常。,3.2 地质状况及面临的问题,王梦恕院士指导软弱地层施工,这些异常变形表现为喷射混凝土出现开裂、临时支护变形严重、初支受到破坏等。以下对产生大变形的原因进行分析，以详细了解CRD工法施工各导洞变形比例分配、各导洞步距和施工顺序对沉降的影响，提出CRD施工变形控制措施，指导施工。,临时支护严重变形,喷射混凝土开裂,为掌握CRD步距对拱顶沉降的影响，选取地质条件基本相同，但步距不同的两段进行监测，步距和监测情况见下表,根据第二章模拟结果，同样工况下CRD1、2部步距分别为15、10、5m时拱顶最大沉降量分别为99、95、91mm，可见步距会对拱顶沉降造成一定的影响，步距越大，沉降越大。,3.3 CRD工法导洞步距对沉降量的影响,3.4 两种不同施工工序计算分析,1234工序施工示意图,1324工序施工示意图,（1）两种工序，导洞1开挖产生的拱顶沉降所占整体沉降的比例都最大，从3237%，因而控制导洞1的沉降量对减小最终拱顶沉降有决定意义；（2）同等条件下，1234工序控制拱顶沉降的效果优于1324工序，1234工序沉降232.2mm，而1324工序沉降263.5mm，可见，从数值理论上分析，1234工序更有利于控制拱顶沉降。因为隧道开挖洞跨比决定自然成拱能力，土体大部分应力要由结构承担，洞跨比越大，变形就越大；CRD工法中，先开挖12导洞后开挖34导洞，其受力机理相当于CD法；先开挖13导洞后开挖24导洞，相当于台阶法，显然，CD法控制沉降优于台阶法。（3）从现场监测和数值分析结果看，仰拱闭合对拱顶沉降起着决定性作用，单个导洞未闭合之前沉降占总沉降75以上，因此，应加快仰拱闭合；（4）从六种工况、两种工序数值分析得到的拱顶最大沉降值看，按设计要求正常施工，拱顶沉降可以控制在设计允许范围内；,3.5 本章小结,4.1 概述4.2 目标控制值的确定4.3 变形异常的原因分析4.4 异常变形控制措施4.5 本章小结,4.变形分配控制原理及其在翔安隧道中的应用研究,软弱地层大断面海底隧道施工是一个庞杂的系统工程，涉及到多种工艺、多道工序，自始至终是动态的、不断变化的过程，因此它对拱顶下沉、水平收敛和地表沉降的影响是一个累积的效果，所以可以把对拱顶沉降和地表下沉的控制标准分解到每个施工步序中，形成施工各具体步序的控制标准或控制指标，只要单个步序的沉降量得到控制，则最终变形量就能得到控制，这就是所谓变形分配控制原理。,4.1概述,变形分配控制的优点（1）将总体变形控制量分解到每个工序，明确每步控制目标，操作性强；（2）对构筑物变形有一个整体规划，可以明确施工控制的重点；（3）及时掌握监测值与设计值的偏离动态，及时处理，避免风险的累积，使变形控制处于积极、主动的地位。将变形分配控制原理应用于厦门海底隧道（1）首先，通过数值计算和工程经验确定控制的目标值；（2）其次，通过监测掌握变形信息，与目标值对照；（3）最后，分析过度变形原因，采取措施，确保累计变形量小于目标值。,通过第三章CRD法施工1234工序进行数值模拟，得到各导洞开挖完毕累计沉降量及分部沉降比率（目标值）如下表：CRD法变形分配比率及控制目标值,4.2 目标控制值的确定,注：I-II部步距10m；II-III部步距10m；III-IV部步距10m；二衬-IV部步距80m。,根据工程经验，水平位移控制目标为：相对收敛允许值是两测点间距的0.8。根据数值模拟结果，得出各部变形控制目标值，以各部目标控制值为标准，在施工中进行动态调整，使分步变形量低于分步控制目标，确保整体控制目标的实现。以下对出现异常变形的地段进行分析。,翔安隧道陆域段全强风化花岗岩异常变形主要有2种形式：拱顶下沉异常、水平收敛异常。为得到左线隧道CRD工法变形偏大的原因，选择了变形偏大段（ZK12+395-355）和变形较小段（ZK12+280-240）进行分析，这两段地质情况相近，但施工过程控制不同。,4.3 变形异常的原因分析,变形偏大原因分析 上表变形较大段与较小段H1、AA、CC累计平均值对比情况如下：拱顶下沉H1：455mm/106mm=4.29倍；累计收敛AA：41mm/20mm=2.05倍；累计收敛CC：35mm/17mm=2.06倍。通过比较，发现变形过大地段与以下因素有关：,a、与围岩特性有关 全风化花岗岩泥质含量高，渗透性差，隧道以2.9%顺坡掘进，容易造成掌子面积水，地基软化，承载力下降。同时，若开挖后喷射混凝土不及时，掌子面亦会变潮渗水、土体弱化、松动范围扩大，造成围岩变形失稳。,b、CRD各部步距过长 前面第三章已经提到，步距越大，产生的沉降也越大；本段CRD1、2部步距为15、10、5m时，隧道拱顶最大沉降分别为99mm、95mm、91mm，可见步距会对隧道的拱顶沉降造成一定的影响。c、初支各部自成环及全断面成环时间长,各部各自成环平均时间及全断面闭合时间对比表 单位：d,ZK12+395-355各部自成环时间和全断面闭合成环时间长，导致沉降变形加大。,d、永久仰拱未能及时紧跟 由下表永久仰拱施作前后的初期支护变形速率对比可以看出永久仰拱施作后，拱顶下沉速度明显减少，只是施作前的27.68%,ZK12+395-355段仰拱在I部掌子面开挖后98天才施工导致拱顶下沉和水平收敛过大。,e、初支背后填充注浆不及时 由于喷射混凝土末与围岩完全密贴，开挖轮廓线周围一定范围内的围岩会松弛，松动荷载作用在初支上，致使初支变形加大；因此，加强初支背后充填注浆，增强喷射混凝土与围岩的密贴程度，以提高初支与围岩的承载力，是非常重要的。注浆前后，拱顶最大沉降数值模拟结果为：注浆后为127.5mm，注浆前为283.1mm，变形减少55，说明注浆对改良地层效果显著。,初支背后充填注浆后拱顶最大沉降127.5mm,不进行初支背后充填注浆拱顶最大沉降283.1mm,01 尽早设置临时仰拱，使支护结构封闭成环02 控制台阶长度03 初支背后及时充填注浆04 实施超前降水05 设置锁脚锚杆06 及时处理拱脚积水07 加强仰拱注浆08 超前注浆加固地层,4.4 异常变形控制措施,厦门海底隧道在施工中应用变形分配控制原理，使隧道整体变形处于可控状态，有两点经验值得总结：（1）较为准确的数值模拟是实现变形分配控制原理的基础。在翔安隧道的应用过程中，充分考虑复杂的地质状况、施工工序的影响，对隧道拱顶沉降进行数值模拟、对施工中产生的变形进行分阶段预测；根据工程经验提出了水平位移和中隔墙变形的控制指标，利用这些指标指导施工，调整施工参数；（2）有效的技术措施是实现变形分配控制原理的关键。翔安隧道在施工中对产生异常变形的地段采用了各种控制措施：加强临时支护、采用锁脚锚杆、控制封闭时间、缩短各部距离等，并提出了控制异常变形的组合方案，有效地控制了隧道的异常变形。,4.5 本章小结,5.1 概述5.2 锁脚锚杆作用机理及在工程中的运用5.3 数值模拟分析5.4 计算结果及结论,5.锁脚锚杆作用机理数值模拟分析,软弱地层修建大断面隧道，为减小基底弱化和初支悬空引起的下沉，尤其是在地层软弱、含水量大、拱脚积水的情况下，增设锁脚锚杆对控制拱顶下沉的效果非常明显。本章建立锁脚锚杆的力学分析模型，通过数值模拟和现场监测，系统研究锁脚锚杆受力和变形规律，并据此分析了各影响因素与拱顶沉降的关系，最后优化锁脚锚杆的设计参数和施工方法。,5.1概述,锁脚锚杆布置示意图,锁脚锚杆,现场施作锁脚锚杆,1,2,3,4,锁脚锚杆作用原理是将锚杆打入钢拱架背后围岩并注浆，通过锚杆浆液扩散、渗透到岩层中，以提高围岩的力学性能和自稳能力，控制围岩变形。翔安隧道在施工中，部分断面拱顶下沉偏大，造成初支侵限，甚至发生大变形危及结构安全，为控制各部及整体下沉，施工中每榀工字钢增设四根42mm，壁厚3mm，L=3m的无缝钢管注浆锁脚锚杆。,5.2 锁脚锚杆作用机理及在工程中的运用,5.3 数值模拟分析,采用锁脚锚杆前后行车隧道位移变化数值模拟情况见下表，施作锁脚锚杆后，1、3部拱顶下沉分别减小20.8和23.1，水平收敛分别减小9.2、11.5，采用锁脚锚杆可有效减小拱顶下沉和水平收敛。,5.3.1 位移分析,5.3.2 支护结构安全性分析,采用锁脚锚杆前、后支护结构安全性变化情况见下表，由表可知：采用锁脚锚杆后初期支护各部位的安全系数均比不采用时有所提高。,注：轴力、弯矩和安全系数栏中分子、分母分别为采用锁脚锚杆前后的数值。,锁脚锚杆荷载与下沉值关系图,随着荷载增加锚杆端头竖向位移呈线性增加，下图给出了锚杆不同角度荷载和锚杆露头部下沉值的关系。,5.3.3 锁脚锚杆沉降与所受荷载的关系,5.3.4 锁脚锚杆作用效果与打入角度、注浆的关系,锁脚锚杆打入角度与下沉值关系图,由下图知，无论哪种工况，拱脚锚杆以25施作时控制沉降效果最佳。锚杆注浆可增加锚杆的抗弯刚度，浆液扩散形成的注浆体可提高锚杆的抗拔力，从计算结果看，注浆之后锚杆端部沉降减小20%。,5.3.5 垫块对锁脚锚杆作用效果影响,由上表计算结果可知，锁脚锚杆注浆并加垫块比不加垫块沉降减小15-20，与不注浆相比加垫块后沉降减小40%。主要因为其抗弯、抗剪、抗拉等性能都得到了很好的发挥，其内力计算结果见下表。,通过研究，本章得出如下结论：（1）采用锁脚锚杆可有效控制隧道拱顶下沉和水平收敛；同时锁脚锚杆可提高初支结构的安全性；（2）当角度一定时，随着荷载的增加，锚杆竖向位移呈线性增加；在同等施工条件下，拱脚锁脚锚杆施作25度左右控制沉降的效果最佳；（3）不同工况下沉降值相差比较大，不注浆沉降最大，其次是注浆，再次是加垫块。注浆后比不注浆沉降减小20%左右；注浆加垫块沉降值能减小40%；（4）加垫块后锁脚锚杆的弯矩、剪力、拉力等内力值都有显著的增加。,5.4 计算结果及结论,6.1 海底隧道注浆技术综述6.2 壁后注浆的作用 6.3 软弱地层渗透挤密注浆对控制沉降的影响6.4 本章小结,6.软弱地层渗透挤密注浆沉降控制研究,软弱地层海底隧道施工风险突出，一旦围岩变形较大，极易引发突水、塌方。为确保掌子面的稳定和隧道施工安全，进行注浆加固和堵水是非常必要的。通过全强风化地层注浆前后地层力学特性的变化，结合现场试验，对注浆后围岩的稳定性进行评价。,6.1 海底隧道注浆技术综述,注浆效果照片,壁后注浆的作用体现在两个方面：提高围岩的刚度（弹性模量）、强度（粘聚力和内摩擦角），增强围岩稳定性；在含水地层，壁后注浆还可以减小渗漏，防止围岩遇水弱化，其作用同样是增加围岩刚度。,6.2 壁后注浆的作用,在注浆试验段选取两个沉降较大的点，绘制注浆前后沉降曲线见下页图6.16.2，从监测数据分析，注浆有效的控制了围岩的变形。,6.3 软弱地层渗透挤密注浆对控制沉降的影响,注浆前掌子面泥塑状不稳定,注浆后掌子面干燥稳定,图6.1 ZK12+402注浆前后效果对比图,图6.2 ZK12+395注浆前后效果对比图,初期支护背后渗透挤密注浆，水泥浆液充填初支围岩间的空隙，以及土体间的空隙，增强密贴程度，提高围岩和初支的承载力，控制变形，主要体现为两种作用：（1）渗透作用：指在压力作用下浆液充填土中的孔隙，挤排出孔隙自由水，而基本上不改变原状土的结构和体积，所用注浆压力相对较小。（2）渗透和挤密作用：浆脉周围土体被渗透和挤密，从而增加周围土体的密实度和强度，减小渗透系数，这是一种综合效果。通过充填注浆，使颗粒间的空隙充满浆液并使其固化，这种注浆不改变原土结构，但是充填其原有空间为密实连续体，有效的控制了地层水的渗入，改善原有围岩受力条件，有效的控制了沉降。,6.4 本章小结,课题结合厦门海底隧道进行研究，取得如下成果：1.厦门海底隧道断面大、围岩软弱、地质复杂，台阶法难以适用，双侧壁导坑法工序多，进度慢，一般是在地表沉降要求特别严的情况下才采用的施工方法，因此，重点只需考虑采用CD或CRD工法；为此，对CD和CRD工法分别建模计算，对这两种工法进行数值模拟分析和比较，经综合比选，最后确定采用更合理的施工方法CRD工法，它既保证了厦门海底隧道的施工安全，又节约了成本，加快了施工进度，创造了月掘进73米的高速度；2.利用数值方法模拟6种工况、2种工序开挖过程中的地层三维变形状态，并结合实际施工中的变形监测状况，不断调整优化CRD工法各部步距、开挖顺序和施工工艺。这项创新性成果，为软弱地层大跨隧道采用CRD法提供新经验，使异常变形得到有效控制，将隧道变形控制在目标值之内；,7.结论,3.厦门海底隧道是国内第一条海底隧道，埋深浅、围岩软弱、富水、开挖断面大等特点，为规避隧道坍塌等风险，以控制围岩和支护过大变形为重点，对隧道变形进行整体预测确定整体控制目标。应用变形分配控制原理，对隧道变形进行分阶段预测，确定阶段控制目标。把阶段控制目标分解到每一个施工工序中，结合监测，动态调整施工方案。该项变形分配控制成果改变了原来隧道经常发生异常变形、险情不断、侵限换拱的被动局面，创造性地使隧道整体变形处于可控状态；4.在系统研究锁脚锚杆作用机理的基础上，对不同锁脚锚杆设计参数进行数值模拟，分析了锁脚锚杆不同施作角度、有无注浆、设置垫块与否等因素对拱顶下沉的影响，优化了锁脚锚杆设计参数。确保隧道安全，使锁脚锚杆的施作数量减少近一半，控制变形的效果显著增加。,三、翔安海底隧道穿越透水砂砾层施工技术(简介),透水砂层与隧道关系纵向剖面图,翔安端450米透水砂层分布,左线隧道,右线隧道,服务隧道,透水砂层与隧道关系横向剖面图,富水砂层与海水连通，砂层侵入隧道内长度达259m，其余191m在拱顶以上不足1米，极易发生坍塌和突涌水。,翔安端透水砂层开挖后揭示的地质情况,掌子面揭示的粗颗粒黄砂,翔安端透水砂层开挖后揭示的地质情况,掌子面揭示的粉细白砂,翔安端透水砂层开挖后揭示的地质情况,综合超前地质预报探明砂层分布形态、性状；地下连续墙止水围幕；连续墙内进行井点降水；洞内采用TSS导管超前注浆；采用CRD工法开挖。,翔安端透水砂层段施工方法,洞内采用TSS导管超前注浆,浅滩段透水砂层处理方案,四、翔安海底隧道穿越海域风化深槽施工技术（简介）,翔安隧道穿越的风化槽简介 隧道穿越5条风化深槽，F1累计宽278m、F2累计宽220m、F3累计宽255m、F4累计宽212.5m、F5累计宽153m、累计长约风化槽总长度为1118.5m，风化槽内岩体强度低，自稳能力差，受到较大的动水压力，存在渗透破坏的可能，是最大的施工风险。,超前钻孔取芯精确定位风化槽位置和分布性态风化槽施工前施做防水闸门施做止浆墙全断面、半断面、周边帷幕注浆注浆效果取芯检查隧道开挖、支护,穿越海域风化深槽施工流程,长距离：6070米，每断面6个短距离：610米，每断面6个,准确探明不良地质体,超前地质预报水平钻探,风化槽岩芯,探明的地质状况-风化槽与隧道关系,F3风化槽与隧道斜交，交角60靠服务隧道侧首先遇到风化槽,风化槽施工前设置防水闸门,风化槽施工前施作砼止浆墙,全断面、半断面、周边帷幕注浆技术,海底隧道穿越风化深槽施工，史无前例，无成功经验可以借鉴；风化槽内，地质复杂，穿越第一个风化槽施工，采用最保守的全断面帷幕注浆技术施工，效果较好，但工期过长，为8个月。在总结第一个风化槽施工成功经验的基础上，针对不同地质条件的风化槽，研究应用了复合注浆技术，尝试采用上半断面帷幕注浆、上半断面周边注浆并获得成功。在确保安全施工的前提下，采用非全断面注浆降低了工程造价，每个风化槽施工工期由8个月缩短到2个月。,注浆孔,全断面注浆孔、半断面注浆孔、周边注浆孔示意图,全断面、半断面、周边帷幕注浆加固效果图,注浆前掌子面泥塑状不稳定,注浆后掌子面干燥稳定,全断面、半断面、周边帷幕注浆加固效果,开挖方法（台阶法）上台阶高度3m长度58m核心土长3m开挖进尺0.51.0m开挖前采用6m钻杆超前探孔，不少于3孔施工中加强监控量测，当出现异常变形时，立即转换为CD、CRD法施工。,58m,3m,3m,8m,预留中隔墙支腿,帷幕注浆结束后施工方案,施工中出现险情应急预案,应急抢险预案,第三步：小导管注浆,第四步：做止浆墙,五、翔安海底隧道海底硬岩控制爆破施工技术（简介）,1.海底硬岩控制爆破技术特点2.硬岩控制爆破技术研究思路3.硬岩控制爆破技术研究方法4.爆破作用导致围岩松动圈理论5.翔安海底隧道松动圈的确定,钻爆法是海底隧道施工常用的施工方法，但是爆破施工对岩体扰动很大。施工扰动主要是炸应力波和地震波在隧道周边围岩中形成损伤破坏，形成的灾害有：直接诱发拱顶或者掌子面的涌水和突泥、诱发地层的坍塌、增大隧道周边围岩的渗透性、引起拱顶掉块等。所以，要严格控制开挖过程对隧道周边围岩稳定性和渗透性的影响，尽量减少爆破作用对围岩的损伤破坏，防止施工过程中涌水塌方事故的发生。海底裂隙岩体具有两大特点：一是存在着大量的宏观裂纹，宏观裂纹的存在将打破炸药爆炸能量分布的对称性，并降低岩体的强度，为岩石的起裂提供裂隙源；二是裂隙中充满地下水，爆炸作用与岩体之间多了一个媒介水，水与空气性质的不同也将改变爆炸对岩体的作用机理。由此，必须对考虑岩体中裂隙、水以及水压三大要素的含水裂隙岩体爆破机理进行深入研究，以此为理论基础对钻爆开挖条件下海底隧道的开挖稳定性进行分析。综上所述，对含水裂隙岩体爆破机理和开挖稳定性研究构成了钻爆开挖条件下海底隧道周边岩体稳定性研究的主体。,1.海底硬岩控制爆破技术特点,2.硬岩控制爆破技术研究思路,研究思路：,研究方法：理论方法：断裂力学、应力波理论、水力学理论等；试验方法：现场试验数值方法：ANSYS/LS-DYNA大型通用有限元软件；,现场试验,有限元模拟,3.硬岩控制爆破技术研究方法,利用断裂力学和爆炸力学理论深入研究含水裂隙岩体的断裂破坏机理及钻爆开挖时围岩中的应力场和振动规律，在此基础上确定了爆炸作用下导致的松动圈大小计算公式，并分析了爆破作用和应力重分布对隧道总松动圈大小的影响比例，便于推广应用。该成果具有理论创新性。,4.爆破作用导致围岩松动圈理论,：,松动圈大小的确定,1、服务洞级围岩钻爆开挖形成的松动圈大小都控制在1米以内。曲墙测试孔爆破松动范围约为0.40.6m；底板处测试孔松动圈范围约为0.50.7m；拱顶处测试孔松动圈范围约为0.40.7m；2、主洞级围岩开挖在拱顶形成的松动圈大小为1.1m，左右曲墙分别为1.0m和0.9m，左边底板处松动圈大小为1.1m。认为小断面级围岩松动圈大小主要是爆破作用的影响，并总结了爆破作用和应力重分布作用在大断面级围岩松动圈大小中各自的影响比例；3、级围岩中钻爆开挖形成的松动圈大小在2.0m 左右，超过了1.5m，按照松动圈支护理论，隧道周边岩体属于软岩，不利于海底隧道围岩特别是覆盖岩层的稳定，要加强支护并勤监测，防止塌方、大变形等地质灾害的发生。,5.翔安海底隧道松动圈的确定,2009年11月5日全隧贯通,隧道贯通多家媒体记者采访,六、主要技术成果,结合厦门翔安海底隧道施工特点、重点和难点，主要开展以下四个课题的研究工作：全强风化软弱地层施工稳定性控制技术；穿越富水砂层综合施工技术；穿越海域风化深槽/深囊综合施工技术；海底硬岩控制爆破技术。,取得的研究成果 1.在软弱大断面海底隧道施工，首次采用了改进的CRD工法和分工序变位控制法，使围岩变形控制在允许范围内。2.对隧道顶板厚度小于隔水层厚度的富水砂层地段，根据浅滩地表条件，因地制宜地优选了地表连续墙分仓截水，仓内井点降水和洞内超前钢花管注浆加固的辅助工法；并针对海水对砂层注浆的影响，研究提出了相应的海水砂层注浆参数，确保了注浆效果，以上主要成果对隧道安全穿越富水砂层段起了关键作用。这些成果具有创新性，也是国内长大海底隧道首次开发应用。3.针对不同地质条件的风化槽，研究应用了复合注浆技术，提出了穿越风化槽综合施工技术。在确保安全施工的前提下，采用非全断面注浆降低了造价，工期由8个月缩短到2个月。4.研究了海底硬岩控制爆破技术。提出了海底硬岩爆破临界振动速度限值和循环进尺，以及覆盖岩层临界厚度。这些成果确保了海底隧道施工的安全，也提高了硬岩掘进效率。,在北京市住房与城乡建设委员会主持的中铁二十二局厦门翔安隧道科技成果鉴定会上三位院士、四名地下工程权威专家一致给出了“国际领先”的评价。,七、结语,厦门翔安海底隧道经过全体参建单位4年8个月的艰苦奋战，圆满完成建设目标，取得了工程质量优良与施工零死亡率的优异成绩和重大技术突破，成就了国内第一条也是迄今为止世界上最大断面钻爆法海底公路隧道这一宏伟工程。翔安海底隧道地质条件复杂，工程经验少，技术难度高，施工风险高，极具挑战性其中风化槽是世界级难题，无工程先例和成功经验可借鉴，参建