厦门东通道海底隧道施工变更措施研究

2013-09-11宋南涛

四川建筑 2013年2期

宋南涛

(中铁二院工程集团有限责任公司地铁院，四川成都610031)

厦门东通道海底隧道目前施工开挖所遇到的围岩有粘性土、砂性土、全强风化花岗闪长岩、全强黑云母花岗岩，对各种围岩开挖中都遇到许多问题。粘性土围岩主要分布于翔安端进口段，具体分布于ZK12+260～12+485、NK12+340～12+510、YK12+330～12+510。该围岩强度软弱，且含水量高，在施工中主要以挤入变形为主，造成支护结构变形过大;同时由于围岩本身渗透性差，故施工中的注浆和抽水都比较困难。在该段围岩中多处因变形过大而换拱，如YK12+417、ZK12+443等断面。

由于异常变形频频出现，隧道在修建初期可谓困难重重，为了整治异常变形情况，现场采用了多种变更措施。本文通过有限差分法分析了隧道支护的施工力学行为;通过对各变更措施中的初期支护的安全性系数进行对比评价了变更措施的效果;最后通过现场监测验证，给出理想的变更组合方案。

1 变更措施及计算参数

1.1 变更措施

厦门东通道海底隧道主要采用的施工变更措施有:①加强临时支护:临时支护采用I18工字钢，喷射混凝土厚度由16 cm变更为20 cm;②拱顶120°加小导管;③系统锚杆;④锁脚锚管;⑤仰拱注浆:注浆加固范围为临时仰拱或者仰拱下部1.5 m。⑥大管棚加固;⑦连续墙降水:在隧道外侧修建连续墙来降水，以提高拱部围岩参数。计算中锚杆、锁脚锚管均采用结构单元cable进行模拟，其力学参数见表3。

1.2 计算参数

隧道的支护参数见表1，本次计算综合《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)以及现场实测资料对围岩物理力学参数取值见表2。

表1 隧道支护参数表

表2 围岩及变更加固后的物理力学参数

表3 42中空注浆锚管参数

2 计算结果及分析

2.1 计算模型

各种变更措施的数值模拟中均采用Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ－Ⅳ的开挖顺序。计算模型模拟陆域Ⅴ级围岩地段，模型范围选取为:上部取拱顶以上13 m，下部取至隧道仰拱以下60 m。左右各取60 m，约为4倍洞径左右。隧道左右有水平约束，下部有垂直约束，前方和后方均有垂直其面的约束。计算中，用8节点6面体实体单元模拟围岩、初期支护。衬砌类型为S5b，详见表1。计算模型总单元数为3 526个，总节点数为7 274个。具体如图1所示，初期支护的节点编号见图2。

2.2 计算结果及分析

2.2.1 变更前初期支护的受力和安全系数分析

图1 S5b计算模型图

变更前，初期支护在Ⅰ部和Ⅱ部开挖中都能保证安全，且全截面受压控制，能够充分发挥材料特性。Ⅲ部开挖后，初期支护左拱肩、左墙脚安全系数分别为2.5和2.1，已不能满足要求。另外右拱肩处安全系数也较小。Ⅳ部开挖后，左墙脚安全系数仅为1.2，仰拱和右拱肩处安全系数也较小，分别为1.4和1.7。整个开挖过程中，Ⅲ部和Ⅳ部开挖对初期支护安全影响最大，两侧拱肩、墙脚和仰拱都是薄弱环节，尤其是左侧墙脚是最不利位置。另外，Ⅰ部拱顶围岩位移为118.6 mm，Ⅲ部拱顶围岩为202.5 mm。周边塑性区范围较大，拱部塑性区贯通地面。初期支护的内力和安全系数见图3。

图2 初期支护节点编号

图3 变更前初期支护内力及安全系数

2.2.2 各种变更措施的效果分析

由于变更前隧道的施工安全不能完全保证，需要采取变更措施。变更措施应针对支护的薄弱环节，既要提高支护的安全系数，也要减小拱顶围岩位移。下面就对比现场采用过的变更措施的效果，限于篇幅，只列出Ⅳ部开挖完成后初期支护的内力、安全系数和拱部围岩位移，详见表4。

(1)仰拱注浆、大管棚和连续墙降水:由于能够改善岩性，提高围岩承载力，针对了海底隧道异常变形的主要原因——地质条件。故整个支护的安全性都有一定程度提高，采用大管棚和连续墙降水，拱部最大围岩位移可以减小50%。

(2)系统锚杆和锁脚锚管:从计算结果来看，锁脚锚管的作用明显，可以改善原设计中薄弱环节(仰拱、墙脚和拱部)的安全性。而在海底隧道中系统锚杆作用不明显。

(3)提高临时支护强度:该措施可以提高临时支护的安全性，却不能提高初期支护的安全性。说明这种措施在海底隧道中不能单独使用，应该与其他措施共同使用，才能达到预期效果。

(4)组合方案的效果分析:在实际变更中，往往是两种或者两种以上的变更措施一起使用，组合方案采用连续墙降水+仰拱注浆+锁脚锚管+加强临时支护。采取连续墙降水可以改善拱部围岩特性。仰拱注浆和锁脚锚管可以提高底部围岩力学参数，并减小支护的整体下沉。提高临时支护强度可以提高临时支护安全性。采取该方案后，支护弯矩有较大幅度减小，尤其是原设计受拉控制的地方，弯矩大幅减小，而轴力有所增大，这使得整个支护受力更合理，安全性有很大提高，其中左墙脚安全系数由1.2提高到1.9，右侧拱肩安全系数由1.7提高到6.2。另外，该方案能更好的控制拱顶围岩位移。

总之，施工变更措施应该首先要改善岩性，其次提高支护强度。另外，单一的变更措施不能完全保证隧道在整个开挖过程中的安全性。所以在实际变更中，应针对要解决的主要问题，选取了几种最有效的变更措施，共同作用。对于组合方案，这里主要是提供一些参考和借鉴。海底隧道中的变更措施应该按提高围岩力学特性－增强支护强度的顺序来制定。

3 现场监测对比

限于篇幅，这里只列出ZK12+430断面的现场位移监测结果，以及施工过程中的变更措施，从而可以验证上面所述的变更措施效果和选取方法。

3.1 ZK12+430断面变更记录

(1)2006年1月底，针对该断面Ⅰ部拱顶下沉较大，已超过设计变形量，于是采取割除该段大管棚，并在中隔墙上设置斜撑。

(2)2006年2月，针对ZK12+405～12+430断面的沉降异常，采取以下处理措施:对纵向裂缝部位先用I20b工字钢进行加密支顶度;沿纵向裂缝在上下各施作两排径向6 m长42的锚管，间距50 cm、排距50 cm;增加系统小导管，42×3.5，L=4 m，0.5 m×0.5 m的间距;对仰拱底部采用小导管注浆加固，导管规格42×3.5，L=2 m，间距0.5 m×0.5 m 的，梅花型布置。

(3)2006年3月，对ZK12+429～12+445段采用系统锚管注浆加固。

(4)2006年4月，对ZK12+424～12+445段Ⅱ、Ⅳ底部增设一道20b钢支撑;对该段底部注浆加固，以提高底部围岩承载力;做好洞顶两侧超前井点降水试验，加大井直径，井壁可用钢筋笼外套塑料布，以增加透水性。

表4 各种变更措施效果(轴力/弯矩/安全系数)

3.2 ZK12+430断面拱顶下沉分析

该断面CRDⅠ部拱顶下沉时程曲线见图4。

图4 ZK12+430断面CRDⅠ部拱顶下沉时程曲线

在第1次变更前，该断面CRDⅠ部拱顶下沉近似呈直线增长，拱顶下沉达到176.2 mm，超过了设计预留变形量。从前面的数值计算中可以知道，大管棚可以增强支护的安全性，能有效控制拱顶围岩位移。在割除大管棚后，管棚形成的保护圈失去作用，尽管在1月23日～2月17日这段时间里掌子面并没有向前推进，拱顶下沉仍以4.5 mm/d的速度增长。可见，第1次变更，为了解决侵限问题而割除大管棚，并没有从根本上减小变形，反而增大了拱顶下沉。

第2次和第3次变更间隔时间较短，此时Ⅲ部开挖刚通过该断面，由前面分析可以知道，Ⅲ部开挖时支护内力会发生较大的改变。从图4可以看出，此时拱顶下沉有突然增大的趋势，但增长趋势很快平稳。此次变更，主要是通过注浆改善了岩性，提高了围岩力学参数，同时也加强了支护强度，这类似于数值计算中的组合方案，所以取得了不错的效果，从第2次变更开始到下沉增长平稳，拱顶下沉由284.9 mm增大到315.2 mm，平均下沉速度减小为2.4 mm/d。

第4次变更前，Ⅳ部开挖刚刚通过，同时ZK12+420～12+440段Ⅰ部临时仰拱和边墙之间的焊接处被拉脱，使得该段临时仰拱隆起，拱顶下沉也有较大增长。此次变更措施仍是通过注浆，尤其是对底部注浆，并进行超前井点降水，以提高围岩力学参数，同时也加强支护强度，与组合方案类似，所以效果明显，拱顶下沉很快平稳，并逐渐趋于稳定。