海底隧道涌水量解析及工法过渡段优化研究

2023-12-19陈云娟王乐宁刘丞潘传琼

山东建筑大学学报 2023年6期

陈云娟，王乐宁，刘丞，潘传琼

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南 250101；2.山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东济南 250101；3.山东省产品质量检验研究院，山东济南 250102；4.济南鲁建工程质量检测有限公司，山东济南 250109）

0 引言

作为解决跨海交通问题的一种有效方式，海底隧道可以连接隔海地区的铁路和公路干线，从而达到扩展铁路运输网，提高铁路运输效能的目的。随着我国工业技术的不断提升，如厦门翔安海底隧道［1-3］、青岛胶州湾海底隧道［4-7］等一大批海底隧道工程逐步建设完成。由于海底隧道环境复杂，且隧道上方有无限地下水补给，会使隧道处于高水压状态，同时围岩裂隙不断扩展［8-9］，水的渗流路径逐渐增多，一旦发生涌水将会带来严重的安全问题。因此，除了做好防、排水［10-13］规划外，选择经济安全合理的开挖方式能够极大地降低事故发生的概率。

目前，在海底隧道涌水量预测及渗流场分布规律方面，于丽等［14］通过模型试验发现，隧道排水时会改变洞周一定范围内的初始渗流场分布，其中围岩渗透系数与围岩局部渗流场变化情况呈正相关；YING等［15］基于保角映射技术，导出了地下水进入半无限含水层中衬砌隧道的半解析解；朱成伟等［16］基于达西定律以及质量守恒定律，采用保角变换法和叠加法推导了双线平行隧道稳态渗流场，获得该问题的水头分布以及隧道涌水量的解析解。同时，学者们还围绕不同围岩级别下隧道开挖的最优工法展开了多项研究。漆泰岳等［17］以广州地铁6 号线东湖车站存车线渡线段隧道为例，采用数值模拟和实测相结合的研究手段，得到了适用于复杂断面形式地铁隧道的最优工法，提出了有针对性的预加固措施；许金华等［18］以隧道洞周变形和结构受力作为直观、可行的评价标准，通过现场试验及数值模拟验证表明，采用三台阶＋预留核心土法施工的极破碎区域软岩隧道，其循环进尺L应在1 ～2 m间合理选择。

总体来看，目前学者关于工法转换的研究大多基于同一围岩级别下不同开挖工法的优化对比［19-23］，且研究的关键点都集中于围岩变形量或应力应变等常见参量，关于工法转换对不同围岩交接面处围岩稳定性的研究较少且参考对象较单一。实际工程中，由于围岩级别转换带来的交界面渗水、拱顶垮塌等现象时有发生。因此，文章结合实际工程，验证多种涌水量解析式的合理性；同时从涌水量等其他角度对比不同工法转换优化方案结果，结合不同方案涌水情况的研究，获得了工法转换过渡段的最优距离，提出了合理可行的工法转换过渡段施工方法，以尽可能降低突涌水发生概率。

1 工程概况

汕头湾海底隧道工程位于广东省汕头市濠江区和龙湖区境内，单洞双线设计，采用盾构法＋矿山法的综合施工方式，是世界上第一条列车速度达到350 km／h的高速铁路海底隧道。

海底隧道穿越海域部分上覆海水深度最大达17.5 m，而隧道埋深最大则达88.98 m，且上方有无限水源补给。隧道选址所在的汕头市濒临南海，有水汽来源丰富、降水强度大、降水量充沛等特点。海域段地表水以海水为主，且地下水潜水多以基岩裂隙水和第四系孔隙水为主，发育较充分。同时隧道海域段穿越了5 条断裂带，且均为活动断裂带。研究所选区段依次经过微风化花岗岩、强风化花岗岩，其中弱风化花岗岩稳定性极强、质地较坚硬且岩石整体性好，而强风化花岗岩段岩体破碎程度很高、裂隙发育充分，这就导致由稳定性极强的微风化花岗岩施工至稳定性差的强风化花岗岩时容易出现交界面失稳情况。

由于该工程地质条件复杂，普通围岩与活动断裂带交错分布，加上前期水文地质勘探可能存在的测量误差对破碎围岩边界判断不准确，实际施工现场在经过不同围岩级别交界面时，很容易出现突涌水现象，如图1所示。

图1 围岩分级处突涌水现象

2 隧道渗流场与涌水量的理论研究

海底隧道始终处于稳定渗流场中，水流稳定且上方有无限水源补给，因此对海底隧道做如下假设［24］：

（1）假定隧道围岩为均质的、各向同性的等效连续介质模型；

（2）海底隧道处于相对稳定的渗流场中；

（3）隧道排水时衬砌能够均匀渗水。

目前，越岭隧道涌水量的相关研究已经逐渐成熟，但在海底隧道涌水量方面依然沿用经验公式计算，如19世纪日本青函海底隧道采用了英法海底隧道调查事务所用的马卡斯特经验解析式，其是目前海底隧道涌水量预测应用最广泛的公式。总结涌水量q常用的解析式见表1。其中，H为静止水位至盾构隧道圆心的距离，m；h为海水深度，m；h0为海床至隧道中心点的距离，m；k为隧道开挖面周围岩体渗透系数，cm／s；r、d分别为隧道实际半径和直径，m；m为换算系数（取值为0.86）。

表1 常见的海底隧道涌水量经验公式表

选取汕头湾海底隧道工程Ⅱ、Ⅳ级段海底隧道分别验算，其围岩渗透系数分别取4.63×10-5和1.15×10-4cm／s，所选区段上覆海水深度h为10 m、h0为75 m、H为85 m、r为7.34 m，代入表2 中公式求解得到的涌水量对比柱状图如图2所示。

表2 隧道工法转换段正交分析因素与水平设计表

图2 不同解析式涌水量计算结果对比柱状图

根据图2 分析可知，大岛洋志式的解析结果整体偏小，与实际差距较大；铁路规范经验式和马卡斯特解析式的计算结果与工程实际勘测结果较接近，而马卡斯特解析式的计算结果更偏向安全。由于海底隧道埋深大且上覆无限水体，隧道开挖极易遇到大量水体，因此建议采用更偏向安全的马卡斯特解析式计算涌水量结果，以充分保证隧道施工安全，及时做好防排水措施，尽可能降低突涌水带来的影响。

3 隧道工法转换段优化方案及计算模型

3.1 隧道工法转换段优化方案

基于正交分析法开展试验研究，选择工法转换过渡段整体长度（因素1）、过渡段开挖方式（因素2）及过渡段的单个进尺长度（因素3）等3个因素进行正交分析，综合其他研究共设置正交试验的3 个水平。正交分析因素与水平设计见表2。以三台阶法为例，上述各因素示意图如图3所示。

图3 工法转换过渡段各因素示意图

所选模拟区段共开挖40 m，其中Ⅱ级围岩为20 m，进洞时采用全断面开挖，依据实际工程取开挖进尺为4 m／d，出洞时根据优化方案开挖；Ⅳ级围岩段为20 m，进、出洞均依据实际工程采用三台阶开挖，台阶进尺取2 m／d，各个方案具体开挖情况见表3。

表3 隧道工法优化试验方案表

3.2 数值模型的建立

以矿山法施工的隧道海域段为研究背景，根据真实地质情况建立三维仿真模型。选取汕头湾海底隧道里程标号DK161＋400 ～DK161＋440 段作为主要研究对象，同时应用有限元软件FLAC3D 运算。FLAC3D视岩体为等效连续介质，实现了流体计算与力学计算的耦合，并通过其自有内置命令设置水面位置真实模拟海平面。

3.2.1 模型尺寸

所选区段h为10 m、h0为75 m，具体研究区段模型总尺寸为40 m×80 m×100 m，其中隧道总长度为40 m，利用犀牛软件建立三维模型后导入FLAC3D中进行流固耦合计算。隧道依次穿越微风化花岗岩、强风化花岗岩，其中Ⅱ、Ⅳ级隧道段各占20 m，隧道具体尺寸及断面形状如图4 所示。整体模型及所选区段模型如图5所示。

图4 隧道具体尺寸及断面形状图

图5 整体模型及所选区段三维图

3.2.2 模型计算信息

整体模型地层采用实体单元，同时在模型上方10 m处建立等同于海平面作用的水面，能够直接将海水体作用以孔隙水压力的形式施加至海床。初期支护的喷射混凝土与二次衬砌均设置为实体单元，应用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）弹塑性本构模型，符合Mohr-Coulomb 屈服准则。其中，由于防水板尺寸与隧道衬砌厚度相比较小，实际建模时与初期支护喷射混凝土同步设置；Ⅳ级围岩段的超前小导管及超前中管棚采用Cable单元。

计算过程中对模型的四周及底面边界设置法向约束固定位移边界，模型四周及底面均设置为不透水边界。

3.3 参数选取

依据初期对汕头湾海底隧道2＃斜井现场围岩的实际测量结果，参考不同风化程度花岗岩的多种力学参数范围，取相应地层力学参数见表4。

表4 地层力学参数信息表

根据现场施工情况，围岩初期支护采用喷射混凝土及铺设钢筋网，锚杆依据工程实际情况按需搭设（可不搭设），海底隧道防水板全环搭设，二次衬砌采用C50钢筋混凝土，各个支护参数见表5。

表5 围岩支护参数信息表

4 工法优化方案结果分析

4.1 不同试验条件下的过渡段涌水量分析

4.1.1 围岩交界面涌水量情况

隧道不同级别围岩交界面涌水稳定情况是检验工法转换过渡段有效程度的一个重要指标，因此在不同级别围岩交界面处衬砌背后设置环向不同监测点，如图6所示，其中垂直于平面向内的为Ⅱ级围岩，而垂直于平面向外的为Ⅳ级围岩。

图6 围岩交界面涌水量测点布置图

FLAC3D软件提供了两种方法用于用户实现自定义开发本构模型程序：（1）使用该程序内置编程语言FISH对变量、数组和函数等进行命令控制，可以借助该方法导入涌水量相关公式以获取全局涌水量；（2）使用语言编程软件和部署开发环境自定义模型程序的研制，通过调用命令加载成功编译的动态链接库文件（dll 文件）以实现本构模型的应用。文章通过编写FISH语言，引入Extra 自定义涌水量，编译马卡斯特解析式分别得到不同试验条件下（试验分组见表3）围岩分级界面4个监测点的涌水量，对每个子试验组的涌水量均值对比如图7所示。

图7 各试验组交界面涌水量柱状图

由图7可知，随工法转换段总长度的增加，涌水量范围出现明显下降。其中，当转换段长度为10和12 m时，界面涌水量最小值较8 m 时分别下降了16.7%和9.8%。对比同组试验结果，开挖方式为三台阶时隧道内的界面涌水量相对小于其余两种开挖方式，但各个试验组内每延米的界面涌水量最大值与最小值差值基本≤1 m3／d，即认为差距较小，现场可以根据施工需求自主选择开挖方式。

4.1.2 工法过渡区段涌水量情况

工法转换过渡段整体涌水量云图能够直观反映随开挖进行不同位置的涌水量变化情况，在FLAC3D中编写FISH语言引入Extra自定义涌水量即可得到对应的数据云图。计算区段隧道衬砌背后的涌水量云图如图8～10所示。

图8 试验1组过渡段涌水量云图

图10 试验3组过渡段涌水量云图

由图8～10 可以看出，涌水量较大位置一般出现在隧道的拱底及边墙处。其中，试验1 组涌水量最大值出现在试验1-3中，而最小值出现在试验1-2中，其最小值约降低了3.3%；试验2 组涌水量最大值出现在试验2-3 中，而最小值出现在试验2-2中，其最小值约降低了2.8%；试验3 组涌水量最大值出现在试验3-1 中，而最小值出现在试验3-2中，其最小值约降低了2.3%。

综合9 种试验结果可以看出，工法转换过渡段长度由8 m变至10、12 m时，其过渡段上的涌水量最大值分别降低了6.3%、5.8%，即转换过渡段总长度约为10 m时，涌水量整体降低幅度最大；转换段总长度＞10 m时，涌水量降低幅度趋于平稳。

4.2 优化方案的各因素显著性结果分析

直观分析工法转换过渡整体长度、过渡段开挖方式及过渡段的单个进尺长度3 种因素影响程度。重新定义参数Δh为不同级别围岩交界面前、后拱顶差值，监测结果能够直观反映经过不同围岩级别交界面时围岩的稳定情况，并依此反映工法过渡段围岩稳定性效果。分别监测拱顶差值及交界面前、后1 m 范围内环向涌水量Q，其正交试验结果见表6。

表6 拱顶差值及涌水量Q正交试验结果表

从表6可以看出，当工法转换过渡段为10 m时，拱顶沉降差值最小，可以认为工法转换过渡段总长度为10 m，即施工经过围岩分级界面时，隧道围岩整体稳定性较好，不会发生过大突变；基于相同转换过渡段长度对比来看，三台阶开挖的稳定性优于二台阶开挖，全断面次之，但3种开挖方式整体差异不大。通过表6中涌水量结果可以看出，当工法转换过渡段在10 m时，其围岩交界面前、后1 m范围内的涌水量普遍小于其余试验组，涌水量Q的最大值出现在试验1-3中，涌水量单日内每延米最大值约为12.38 m3。整体来看，转换过渡段约为10 m时，围岩交界面处涌水量降低的效果较好，相较于转换段总长度为8 m的试验组涌水量结果均值降低了10.5%，当转换段总长度＞10 m时，对涌水量结果改善不明显，与转换段总长度为10 m的试验组相比仅降低了3.2%；对比工法转换段长度相同的同组试验结果发现，当开挖方式由全断面变为三台阶时其涌水量结果略有增大。

根据表6 正交试验结果，采用直观分析法（又称极差分析法）进行分析，可以判断某一因素对指标的影响程度。根据表2 中设计的正交试验水平，分别计算各因素第i水平下（i＝1，2，3）的各指标数值之和Kij（为判断拱顶沉降差值Δh影响大小的数学指标）、Kiz（为判断涌水量Q影响大小的数学指标），两个指标极差分析结果见表7、8。同试验组Ki最大值与最小值的差值称为极差Ri，极差值越大对应因素的影响程度越大。

表7 拱顶沉降差值Δh极差分析结果表

表8 涌水量Q极差分析结果表

根据表7、8可以看出，因素1对于指标Δh及Q的影响程度最大，因素2、3 的影响均不大，可以认为，因素1即工法转换过渡段长度是影响工法转换段有效程度的主要因素，因素2、3 次之。分别对比两个指标下3个因素及误差的极差值发现，3个因素的极差值均大于误差极差值，即试验效果合理显著。

为了评价各个因素对工法转换段有效性的影响程度，基于正交试验的直观数据展开方差分析，进一步评判各个因素对研究目标的影响显著程度。方差分析表见表9。其中，当n＝2 时，F0.9（2，2）＝9、F0.95（2，2）＝19、F0.99（2，2）＝99，即F＜F0.9（2，2）时该因素影响不显著，F0.9（2，2）＜F＜F0.95（2，2）时该因素影响一般显著，F0.95（2，2）＜F＜F0.99（2，2）时该因素影响比较显著，而F0.99（2，2）＜F时该因素影响非常显著。

表9 拱顶差值Δh及涌水量Q最大值正交试验方差分析结果表

根据表7数据可知，工法转换过渡段长度对围岩交界面前后拱顶沉降量差值影响比较显著，而开挖方式及单个开挖进尺的影响不显著；工法转换过渡段长度和方式对围岩交界面前、后1 m 范围内涌水量Q影响比较显著，而单个开挖进尺的影响不显著。

整体来看，工法转换过渡段总长度会对工法转换过渡段围岩稳定性产生较大影响，结合4.1节已有结论可以认为，工法转换段总长度＜10 m时效果一般，约为10 m时对过渡段围岩稳定性改善效果较好，过渡段长度＞10 m时一般不出现对围岩稳定性的较大幅度改善，因此可以认为过渡段长度为10 m时能够得到较好的施工效果。此外，研究发现开挖方式及开挖进尺对工法转换过渡段围岩稳定性影响不大，可以充分考虑就工程经济及施工进度进行选择。