廈門翔安海底隧道關鍵施工技術

中鐵二十二局集團報告內容一、翔安海底隧道工程工程介紹1.工程概況2.工程難點3.工程難點4.工程難點1.工程概況廈門大橋海滄大橋廈門東通道（翔安隧道）翔安區(qū)廈門島金門鼓浪嶼漳州翔安隧道地理位置圖2021年4月26日全線通車翔安隧道翔安端洞口實景廈門翔安海底隧道工程主要包括五通互通，跨海翔安隧道和西濱互通三局部工程。線路總長8.695km，翔安隧道全長6.05km，其中海域段長4.2km，為雙向6車道雙洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海域，兩側為行車主洞，中間一孔為效勞隧道。隧道沿線設通風豎井兩座，車行橫洞5處，人行橫洞12處，翔安西濱側設收費、效勞、管理區(qū)。52m22m翔安隧道橫斷面示意圖1〕V形縱剖面，下坡施工，施工排水量大海底隧道洞口高，中間低，縱剖面呈V形，下坡施工，水〔圍巖滲水和施工用水〕不能自流排出，施工中必須制訂完善的排水方案，采用足夠的排水設備不間斷地排水，施工供電也必須平安、可靠、不間斷。2.工程特點4〕斷面大，工法多主隧道按3車道設計，最大開挖斷面尺寸為17.04m×12.55m(170m2)；根據(jù)隧道區(qū)域地質條件，主要采用CRD工法、雙側壁導坑法、上下臺階法施工。IIIIIIIVCRD工法雙側壁導坑法5〕隧道結構防腐、抗?jié)B要求高本工程使用年限按照100年設計，采用復合式襯砌結構，陸域隧道二次襯砌為C30防腐蝕混凝土，抗?jié)B等級為P8，海域隧道二次襯砌為C45高性能防腐混凝土，抗?jié)B等級為P12，同時采用具有抗海水侵蝕的噴射混凝土，鋼筋網為V級，風化槽采用鋼拱架組成初期支護，取消系統(tǒng)錨桿，鋼拱架接頭處設鎖腳鋼管，在初期支護和二次襯砌之間，選擇PVC防水板和系統(tǒng)盲管做排水系統(tǒng)，確保滿足隧道設計使用年限的要求。6〕施工風險大地下水是海底隧道施工中的最大風險。海底隧道與一般山嶺隧道最明顯的差異，就是其水源是無限的海水。由于本工程大局部區(qū)域是在水下，地質條件具有較強的多變性和不可確定性，稍有不慎，很有可能在施工中發(fā)生涌水、突水、造成隧道持續(xù)坍塌或嚴重進水，如采取措施不當，將對施工人員和機械設備造成極大的威脅，甚至導致工程報廢，造成無可挽回的損失。7〕標段劃分整個隧道分為四個標段，其中A1標和A2標位于隧道進口，A3標和A4標位于隧道出口，將兩個豎井和效勞隧道按工作量的大小和施工方便進行分配。A1：3.16Km（ZK6+540～ZK9+700）翔安A2：3.14Km（YK5+930.5～YK9+700）A3：2.885Km（ZK9+700～ZK12+585）A4：3.655Km（YK9+700～YK13+355

）標段劃分示意圖8〕環(huán)保、水保、文明施工要求高廈門島是國內著名的海濱旅游城市，風景優(yōu)美，地域特色明顯，翔安隧道設計施工理念新穎，隧道建設的社會意義重大，對環(huán)保、水保、文明施工要求高。3.工程重點施工用到的RPD-180C多功能地質鉆機采取“以堵為主〞的施工原那么，通過超前地質預報系統(tǒng)準確分析前方地質破碎帶情況。采取超前帷幕注漿，超前小導管和中空錨桿注漿，后注漿等防水措施，將隧道開挖面周圍的涌水或滲水封堵于結構之外；重視初期支護背后注漿防水，根本實現(xiàn)初期支護無滲漏。重視襯砌反面排水層的施作，保證隧道第二道防線。重視在初期支護背后充填注漿的施工，確保初期支護不滲不漏。加強結構的自防水能力，封閉滲漏水在初期支護之外，二次襯砌結構在無水條件下施工，確保二次襯砌施工質量。采取分區(qū)防水形式，充分保證防水板的防水效果3〕耐久性混凝土施工海底隧道對混凝土結構耐久性提出更高的要求。由于海底隧道大局部處于水域之下，地下水水質與海水十分接近，均屬于CL—Na·Mg型，為了防止鋼筋和混凝土的腐蝕，采取措施如下：在隧道結構混凝土〔包括噴射混凝土和二次襯砌混凝土〕施工過程中，采用先進的施工工藝和檢測手段。進行嚴格的過程控制，確?；炷两Y構的耐久性。根據(jù)工程施工條件進行溫控設計，防止溫度裂縫出現(xiàn)。4〕隧道監(jiān)控量測海底隧道對施工平安性的要求遠高于陸地隧道。施工中必須進行監(jiān)控量測與信息化施工。它是保證隧道平安的有效手段。為掌握圍巖開挖過程中的動態(tài)和支護結構的穩(wěn)定狀態(tài)，采取措施如下：將監(jiān)控量測作為一道重要工序：在施工的全過程中，實施全面、系統(tǒng)的監(jiān)測工作，并將其作為一道重要工序納入隧道施工中，留足時間，配齊人員。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)設計，動態(tài)施工：根據(jù)隧道圍巖條件、支護類型和參數(shù)、施工方法編制量測方案，按照設計要求的監(jiān)測頻率和方法進行監(jiān)測，通過對量測數(shù)據(jù)的分析和判斷，對圍巖—支護體系的穩(wěn)定狀態(tài)進行預測，判斷隧道和圍巖是否穩(wěn)定，從而指導施工，反響設計，據(jù)此確定相應施工措施，確保圍巖及結構穩(wěn)定、平安。5〕隧道施工平安風險管理由于海底隧道施工條件的復雜性，決定了其施工必須以平安為前提，施工中應遵循“預案在先、躲避風險〞的原那么。海底隧道施工中的最大威脅是掘進中的突水、突泥及坍塌，一旦出現(xiàn)突水、涌泥事故，將對人員、設備及工程造成極大的損失。因此，除應采用各種有效的工程措施以保證施工平安和結構平安外，還應對可能出現(xiàn)的意外制訂應急措施，盡可能將損失降到最小。主要應急措施包括報警裝置、排水設備和逃生路線規(guī)劃等。同時配置洞內平安監(jiān)控體系，通過高度自動化的連續(xù)、跟蹤、系統(tǒng)檢測，以及時發(fā)現(xiàn)平安隱患，制訂應急對策并快速組織實施，從而確保施工平安。4.工程難點2〕隧道通過海底風化槽〔囊〕施工隧道通過海底風化槽〔囊〕時，上覆土層較淺，巖層軟弱破碎，一旦施工擾動過大，隧道頂部高水壓〔0.7MPa〕容易將隧道覆蓋層擊穿，從而發(fā)生坍塌、突水、突泥。主要采取如下措施：〔1〕施工中按照“先探水，再注漿，后開挖〞的施工程序，以探水、周邊淺孔預注漿為主的全斷面注漿與開挖交替進行，即探水注漿一段，開挖一段，穩(wěn)扎穩(wěn)打。遵循“管超前，嚴注漿，短進尺，強支護，早封閉，勤量測〞的原那么?！?〕采用綜合超前地質預報基數(shù)，采取全新的帷幕注漿，注漿的加固范圍應為開挖斷面直徑的2.0~3.0倍，注漿后采用雙層超前小管棚支護，CRD法開挖，減弱震動，控制爆破，噴射混凝土、鋼筋網片、鋼拱架聯(lián)合支護。。王夢恕院士和張楚漢院士指導砂層施工宋振騏院士和盧耀如院士在砂層掌子面二、翔安海底隧道穿越軟弱地層施工穩(wěn)定性控制研究研究內容1.緒論1.1研究目的本課題緊密結合廈門翔安海底隧道施工，通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值計算和理論分析進行研究?！?〕利用數(shù)值方法，模擬現(xiàn)場土層和施工條件，對CD和CRD工法分別建模計算、進行數(shù)值模擬分析和比較，綜合考慮，確定合理的施工方法；〔2〕設計六種不同的工況和兩種不同工序，對各種工況開挖過程中的地層三維變形狀態(tài)進行數(shù)值模擬，分析和總結變形、失穩(wěn)規(guī)律，在此根底上優(yōu)化CRD工法各部之間的步距和工序；1.2研究內容〔3〕將變形分配控制原理應用于翔安隧道施工，確定控制目標值，通過監(jiān)測反響，分步控制，將變形控制在平安范圍之內；〔4〕研究鎖腳錨桿的作用機理，對鎖腳錨桿的施工效果進行數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究其受力和變形規(guī)律，優(yōu)化鎖腳錨桿的設計和施工方法；〔5〕建立初支和圍巖相互作用的突變模型，利用初支剛度和圍巖的弱化剛度研究圍巖的突變失穩(wěn)。從理論上解釋了壁后注漿加固機理，結合現(xiàn)場監(jiān)測，驗證充填注漿對控制沉降的作用。2.1淺埋大跨軟巖隧道施工方法2.2工程及地質概況2.3隧道入口端CD法與CRD法開挖引起的沉降量比較2.4本章小結近年來國內外的工程實例說明，在各種地質條件下隧道施工的方法很多，但適合大斷面隧道的根本施工方法有六種：臺階法、上半斷面臨時閉合臺階法、CD工法、CRD工法、側壁導坑法、眼鏡工法〔雙側壁導坑法〕。臺階法短臺階法預留核心土臺階法2.1淺埋大跨軟巖隧道施工方法臺階法大量施工實例統(tǒng)計結果說明：在控制沉降方面施工方法擇優(yōu)順序為：雙側壁導坑法、CRD工法、CD工法、預留核心土臺階法、臺階法；在控制水平位移方面施工方法擇優(yōu)順序為：CRD工法、雙側壁導坑法、CD工法、上半斷面臨時閉合臺階法、臺階法；從施工進度和經濟角度方面擇優(yōu)順序為：臺階法、預留核心土臺階法、CD工法、CRD工法、雙側壁導坑法。雙側壁導坑法CRD工法廈門海底隧道斷面大、圍巖軟弱、地質條件復雜，臺階法難以適用，雙側壁導坑法是在對地表沉降要求特別嚴的情況下采用的施工方法，所以根據(jù)海底隧道的實際，只考慮采用CD工法或CRD工法。本章對這兩種施工方法進行模擬和比較。CD工法CRD工法12342.2工程及地質概況模型建立采用FLAC3D進行計算分析，模型范圍向下取50m、向上取到地表、隧道左右兩側各取50m、縱向從洞口取50m。模型位移邊界條件隧道左右兩側給定X方向位移約束；底面給定Z方向位移約束；縱向邊界面〔不包括洞口邊界面〕給定Y方向位移約束。模型中采用8節(jié)點六面體單元進行網格劃分，地層及管棚加固區(qū)采用摩爾－庫侖模型，隧道結構采用線彈性模型，模型共劃分16900個單元，18438個單元節(jié)點。2.3隧道入口端CD法與CRD法開挖引起的沉降量比較

CD法施工導洞1、2分別向前開挖20、5m時拱頂最大沉降86mm施工臺階長度為15米時各工況拱頂最大沉降量CRD法施工導洞1、2分別向前開挖20、5m時拱頂最大沉降66mm

CD法施工導洞1、2、3、4分別向前開挖45、30、25、10m時拱頂最大沉降98mmCRD法施工導洞1、2、3、4分別向前開挖45、30、25、10m時拱頂最大沉降68mm〔1〕采用CD法施工，臺階長度分別為5m、10m、15m米時隧道拱頂最大沉降分別為91、94、98mm，因為臺階越長，整體封閉成環(huán)時間越長，所以產生的沉降越大；〔2〕雖然臺階短，封閉成環(huán)時間短，拱頂產生的沉降小，但臺階長度一般不宜小于5m，如臺階過短，上臺階開挖施工機械難以擺放，且下臺階掌子面過早暴露，上下臺階開挖相互擾動影響過大，反而增大圍巖變形；〔3〕采用CRD法比CD法施工拱頂沉降將明顯減小，臺階長15米拱頂最大沉降僅68mm，比CD法減小30mm，這是由于CRD法的腰撐能及時閉合掌子面，腰撐成為臨時仰拱，在阻止結構初期下沉方面起了關鍵作用，因此拱頂沉降明顯減小。2.4本章小結3.1概述3.2地質狀況及面臨的問題3.3隧道施工的三維數(shù)值模擬參數(shù)和內容確定3.4兩種不同施工工序計算分析3.5本章小結3.1概述翔安隧道陸域段為全風化花崗巖，這種圍巖未擾動之前堅硬、枯燥、穩(wěn)定，而開挖暴露、遇水后那么迅速膨脹、軟化，自穩(wěn)能力急劇下降。如果工序銜接不緊、掌子面封閉不及時、CRD步距過大、拱腳積水等會導致圍巖變形異常。3.2地質狀況及面臨的問題王夢恕院士指導軟弱地層施工這些異常變形表現(xiàn)為噴射混凝土出現(xiàn)開裂、臨時支護變形嚴重、初支受到破壞等。以下對產生大變形的原因進行分析，以詳細了解CRD工法施工各導洞變形比例分配、各導洞步距和施工順序對沉降的影響，提出CRD施工變形控制措施，指導施工。臨時支護嚴重變形噴射混凝土開裂為掌握CRD步距對拱頂沉降的影響，選取地質條件根本相同，但步距不同的兩段進行監(jiān)測，步距和監(jiān)測情況見下表各部間距平均值（m）ZK12+280-240（變形較小段）ZK12+395-355（變形較大段）對比情況1-3部9.1519.8519.85-9.15=10.72-3部21.1913.3513.35-21.19=-7.842-4部9.412.3612.36-9.4=2.961-4部39.745.5745.57-39.7=5.87平均拱頂下沉(mm)106455455-106=349平均AA’收斂(mm)204141-20=21平均CC’收斂(mm)-17-35-35+17=-18根據(jù)第二章模擬結果，同樣工況下CRD1、2部步距分別為15、10、5m時拱頂最大沉降量分別為99、95、91mm，可見步距會對拱頂沉降造成一定的影響，步距越大，沉降越大。3.3CRD工法導洞步距對沉降量的影響3.4兩種不同施工工序計算分析1234工序施工示意圖1234工序施工各導洞開挖引起拱頂累積沉降量（單位：mm）導洞開挖順序導洞1開挖完畢導洞2開挖完畢導洞3開挖完畢導洞4開挖完畢拱頂累積沉降85.5105.5185.7232.21324工序施工示意圖1324工序施工各導洞開挖引起拱頂累積沉降量（單位：mm）導洞開挖順序導洞1開挖完畢導洞3開挖完畢導洞2開挖完畢導洞4開挖完畢拱頂累積沉降85.5127.0204.2263.5〔1〕兩種工序，導洞1開挖產生的拱頂沉降所占整體沉降的比例都最大，從32％－37%，因而控制導洞1的沉降量對減小最終拱頂沉降有決定意義；〔2〕同等條件下，1234工序控制拱頂沉降的效果優(yōu)于1324工序，1234工序沉降232.2mm，而1324工序沉降263.5mm，可見，從數(shù)值理論上分析，1234工序更有利于控制拱頂沉降。因為隧道開挖洞跨比決定自然成拱能力，土體大局部應力要由結構承擔，洞跨比越大，變形就越大；CRD工法中，先開挖12導洞后開挖34導洞，其受力機理相當于CD法；先開挖13導洞后開挖24導洞，相當于臺階法，顯然，CD法控制沉降優(yōu)于臺階法?！?〕從現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析結果看，仰拱閉合對拱頂沉降起著決定性作用，單個導洞未閉合之前沉降占總沉降75％以上，因此，應加快仰拱閉合；〔4〕從六種工況、兩種工序數(shù)值分析得到的拱頂最大沉降值看，按設計要求正常施工，拱頂沉降可以控制在設計允許范圍內；3.5本章小結4.1概述4.2目標控制值確實定4.3變形異常的原因分析4.4異常變形控制措施4.5本章小結4.變形分配控制原理及其在翔安隧道中的應用研究軟弱地層大斷面海底隧道施工是一個龐雜的系統(tǒng)工程，涉及到多種工藝、多道工序，自始至終是動態(tài)的、不斷變化的過程，因此它對拱頂下沉、水平收斂和地表沉降的影響是一個累積的效果，所以可以把對拱頂沉降和地表下沉的控制標準分解到每個施工步序中，形成施工各具體步序的控制標準或控制指標，只要單個步序的沉降量得到控制，那么最終變形量就能得到控制，這就是所謂變形分配控制原理。4.1概述變形分配控制的優(yōu)點〔1〕將總體變形控制量分解到每個工序，明確每步控制目標，操作性強；〔2〕對構筑物變形有一個整體規(guī)劃，可以明確施工控制的重點；〔3〕及時掌握監(jiān)測值與設計值的偏離動態(tài)，及時處理，防止風險的累積，使變形控制處于積極、主動的地位。將變形分配控制原理應用于廈門海底隧道〔1〕首先，通過數(shù)值計算和工程經驗確定控制的目標值；〔2〕其次，通過監(jiān)測掌握變形信息，與目標值對照；〔3〕最后，分析過度變形原因，采取措施，確保累計變形量小于目標值。通過第三章CRD法施工1234工序進行數(shù)值模擬，得到各導洞開挖完畢累計沉降量及分部沉降比率〔目標值〕如下表：CRD法變形分配比率及控制目標值4.2目標控制值確實定工序和沉降部位工序1234施工分部沉降（mm）累積沉降（mm）各部沉降百分比I部開挖支護完畢85.585.536.4II部開挖支護完畢20.0105.58.5III部開挖支護完畢80.2185.734.2IV部開挖支護完畢46.5232.219.8拆撐、二襯完畢2.5234.71.1注：I-II部步距10m；II-III部步距10m；III-IV部步距10m；二襯-IV部步距80m。根據(jù)工程經驗，水平位移控制目標為：相對收斂允許值是兩測點間距的0.8％。根據(jù)數(shù)值模擬結果，得出各部變形控制目標值，以各部目標控制值為標準，在施工中進行動態(tài)調整，使分步變形量低于分步控制目標，確保整體控制目標的實現(xiàn)。以下對出現(xiàn)異常變形的地段進行分析。翔安隧道陸域段全強風化花崗巖異常變形主要有2種形式：拱頂下沉異常、水平收斂異常。為得到左線隧道CRD工法變形偏大的原因，選擇了變形偏大段〔ZK12+395-355〕和變形較小段〔ZK12+280-240〕進行分析，這兩段地質情況相近，但施工過程控制不同。4.3變形異常的原因分析測點里程H1下沉AA′收斂CC′收斂累計㎜天數(shù)d累計㎜天數(shù)d累計㎜天數(shù)dZK12+395-355變形較大段統(tǒng)計ZK12+39549417240172-37153ZK12+38741717851176-35157ZK12+38258815947174-38146ZK12+37048315746157-40141ZK12+36042415329153-29130ZK12+35532414832148-30138平均45516141163-35144ZK12+280-240變形較小段統(tǒng)計ZK12+28092902055-2277ZK12+270130802158-1576ZK12+255109701964-1964ZK12+250104612361-960ZK12+24097551755-1952平均106712059-1766變形偏大原因分析上表變形較大段與較小段H1、AA′、CC′累計平均值比照情況如下：拱頂下沉H1：455mm/106mm=4.29倍；累計收斂AA′：41mm/20mm=2.05倍；累計收斂CC′：35mm/17mm=2.06倍。通過比較，發(fā)現(xiàn)變形過大地段與以下因素有關：a、與圍巖特性有關全風化花崗巖泥質含量高，滲透性差，隧道以2.9%順坡掘進，容易造成掌子面積水，地基軟化，承載力下降。同時，假設開挖后噴射混凝土不及時，掌子面亦會變潮滲水、土體弱化、松動范圍擴大，造成圍巖變形失穩(wěn)。b、CRD各部步距過長前面第三章已經提到，步距越大，產生的沉降也越大；本段CRD1、2部步距為15、10、5m時，隧道拱頂最大沉降分別為99mm、95mm、91mm，可見步距會對隧道的拱頂沉降造成一定的影響。c、初支各部自成環(huán)及全斷面成環(huán)時間長各部各自成環(huán)平均時間及全斷面閉合時間比照表單位：d項目里程1部平均成環(huán)時間2部平均成環(huán)時間3部平均成環(huán)時間4部平均成環(huán)時間各部平均成環(huán)時間全斷面閉合時間ZK12+395-35565.73.85.55.2521ZK12+280-24064.14.244.57518.3ZK12+395-355各部自成環(huán)時間和全斷面閉合成環(huán)時間長，導致沉降變形加大。d、永久仰拱未能及時緊跟由下表永久仰拱施作前后的初期支護變形速率比照可以看出永久仰拱施作后，拱頂下沉速度明顯減少，只是施作前的27.68%測點里程量測內容永久仰拱施作前永久仰拱施作后施作后前日均變形比天數(shù)（d）累計變形（ｍｍ）日均變形（mm/d）天數(shù)（d）累計變形（ｍｍ）日均變形（mm/d）ZK12+443拱頂下沉H184630.75002269-63=60.27270.36拱腰收斂A-A′84-13-0.154822(-13)-(-6)=-7-0.31822.06ZK12+438拱頂下沉H1811081.333322113-108=50.22730.17拱腰收斂A-A′82230.28052231-23=80.36361.30ZK12+433拱頂下沉H1761842.421120192-184=80.40000.17拱腰收斂A-A′7640.0526202-4=-2-0.1000-1.90ZK12+395-355段仰拱在I部掌子面開挖后98天才施工導致拱頂下沉和水平收斂過大。e、初支背后填充注漿不及時由于噴射混凝土末與圍巖完全密貼，開挖輪廓線周圍一定范圍內的圍巖會松弛，松動荷載作用在初支上，致使初支變形加大；因此，加強初支背后充填注漿，增強噴射混凝土與圍巖的密貼程度，以提高初支與圍巖的承載力，是非常重要的。注漿前后，拱頂最大沉降數(shù)值模擬結果為：注漿后為127.5mm，注漿前為283.1mm，變形減少55％，說明注漿對改進地層效果顯著。初支背后充填注漿后拱頂最大沉降127.5mm不進行初支背后充填注漿拱頂最大沉降283.1mm01盡早設置臨時仰拱，使支護結構封閉成環(huán)02控制臺階長度03初支背后及時充填注漿04實施超前降水05設置鎖腳錨桿06及時處理拱腳積水07加強仰拱注漿08超前注漿加固地層4.4異常變形控制措施4.5本章小結5.1概述5.2鎖腳錨桿作用機理及在工程中的運用5.3數(shù)值模擬分析5.4計算結果及結論5.鎖腳錨桿作用機理數(shù)值模擬分析軟弱地層修建大斷面隧道，為減小基底弱化和初支懸空引起的下沉，尤其是在地層軟弱、含水量大、拱腳積水的情況下，增設鎖腳錨桿對控制拱頂下沉的效果非常明顯。本章建立鎖腳錨桿的力學分析模型，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，系統(tǒng)研究鎖腳錨桿受力和變形規(guī)律，并據(jù)此分析了各影響因素與拱頂沉降的關系，最后優(yōu)化鎖腳錨桿的設計參數(shù)和施工方法。5.1概述鎖腳錨桿布置示意圖鎖腳錨桿現(xiàn)場施作鎖腳錨桿1234鎖腳錨桿作用原理是將錨桿打入鋼拱架背后圍巖并注漿，通過錨桿漿液擴散、滲透到巖層中，以提高圍巖的力學性能和自穩(wěn)能力，控制圍巖變形。翔安隧道在施工中，局部斷面拱頂下沉偏大，造成初支侵限，甚至發(fā)生大變形危及結構平安，為控制各部及整體下沉，施工中每榀工字鋼增設四根Φ42mm，壁厚3mm，L=3m的無縫鋼管注漿鎖腳錨桿。5.2鎖腳錨桿作用機理及在工程中的運用5.3數(shù)值模擬分析施工措施分類拱頂下沉水平收斂1部3部1部2部3部4部不采用鎖腳錨桿7211383897556采用鎖腳錨桿578776806749采用鎖腳錨桿前后行車隧道位移變化數(shù)值模擬情況見下表，施作鎖腳錨桿后，1、3部拱頂下沉分別減小20.8％和23.1％，水平收斂分別減小9.2％、11.5％，采用鎖腳錨桿可有效減小拱頂下沉和水平收斂。5.3.1位移分析支護結構位置軸力（kN）彎矩（kN*m）安全系數(shù)初期支護左拱肩-470/-438-35.4/-30.24.8/5.4左拱腰-854/-812-25.1/-21.35.7/6.4仰拱中-311/-298-0.8/-0.815.2/20.4右拱腰-450/-398-25.4/-23.79.5/10.6右拱肩-504/-46248.6/39.51.8/2.1中隔墻上-1046/-11150.5/0.43.4/3.2下-1251/-132123.5/22.12.4/2.5臨時仰拱左-350/-3022.1/1.79.0/9.2右-753/-701-0.7/-0.63.2/3.35.3.2支護結構平安性分析采用鎖腳錨桿前、后支護結構平安性變化情況見下表，由表可知：采用鎖腳錨桿后初期支護各部位的平安系數(shù)均比不采用時有所提高。注：軸力、彎矩和平安系數(shù)欄中分子、分母分別為采用鎖腳錨桿前后的數(shù)值。鎖腳錨桿荷載與下沉值關系圖

隨著荷載增加錨桿端頭豎向位移呈線性增加，以下圖給出了錨桿不同角度荷載和錨桿露頭部下沉值的關系。5.3.3鎖腳錨桿沉降與所受荷載的關系5.3.4鎖腳錨桿作用效果與打入角度、注漿的關系鎖腳錨桿打入角度與下沉值關系圖

由以下圖知，無論哪種工況，拱腳錨桿以25o施作時控制沉降效果最正確。錨桿注漿可增加錨桿的抗彎剛度，漿液擴散形成的注漿體可提高錨桿的抗拔力，從計算結果看，注漿之后錨桿端部沉降減小20%。5.3.5墊塊對鎖腳錨桿作用效果影響工況軸力（kN）剪力（kN）彎矩（kN*m）I無注漿233.16210.1165.15II注漿662.2892.4050.02III加墊塊650.251330160.70由上表計算結果可知，鎖腳錨桿注漿并加墊塊比不加墊塊沉降減小15-20％，與不注漿相比加墊塊后沉降減小40%。主要因為其抗彎、抗剪、抗拉等性能都得到了很好的發(fā)揮，其內力計算結果見下表。通過研究，本章得出如下結論：〔1〕采用鎖腳錨桿可有效控制隧道拱頂下沉和水平收斂；同時鎖腳錨桿可提高初支結構的平安性；〔2〕當角度一定時，隨著荷載的增加，錨桿豎向位移呈線性增加；在同等施工條件下，拱腳鎖腳錨桿施作25度左右控制沉降的效果最正確；〔3〕不同工況下沉降值相差比較大，不注漿沉降最大，其次是注漿，再次是加墊塊。注漿后比不注漿沉降減小20%左右；注漿加墊塊沉降值能減小40%；〔4〕加墊塊后鎖腳錨桿的彎矩、剪力、拉力等內力值都有顯著的增加。5.4計算結果及結論6.軟弱地層滲透擠密注漿沉降控制研究軟弱地層海底隧道施工風險突出，一旦圍巖變形較大，極易引發(fā)突水、塌方。為確保掌子面的穩(wěn)定和隧道施工平安，進行注漿加固和堵水是非常必要的。通過全強風化地層注漿前后地層力學特性的變化，結合現(xiàn)場試驗，對注漿后圍巖的穩(wěn)定性進行評價。注漿效果照片壁后注漿的作用表達在兩個方面：提高圍巖的剛度〔彈性模量〕、強度〔粘聚力和內摩擦角〕，增強圍巖穩(wěn)定性；在含水地層，壁后注漿還可以減小滲漏，防止圍巖遇水弱化，其作用同樣是增加圍巖剛度。6.2壁后注漿的作用在注漿試驗段選取兩個沉降較大的點，繪制注漿前后沉降曲線見下頁圖6.1～6.2，從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，注漿有效的控制了圍巖的變形。6.3軟弱地層滲透擠密注漿對控制沉降的影響注漿前掌子面泥塑狀不穩(wěn)定注漿后掌子面枯燥穩(wěn)定圖6.1ZK12+402注漿前后效果比照圖圖6.2ZK12+395注漿前后效果比照圖初期支護背后滲透擠密注漿，水泥漿液充填初支圍巖間的空隙，以及土體間的空隙，增強密貼程度，提高圍巖和初支的承載力，控制變形，主要表達為兩種作用：〔1〕滲透作用：指在壓力作用下漿液充填土中的孔隙，擠排出孔隙自由水，而根本上不改變原狀土的結構和體積，所用注漿壓力相對較小?！?〕滲透和擠密作用：漿脈周圍土體被滲透和擠密，從而增加周圍土體的密實度和強度，減小滲透系數(shù)，這是一種綜合效果。通過充填注漿，使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固化，這種注漿不改變原土結構，但是充填其原有空間為密實連續(xù)體，有效的控制了地層水的滲入，改善原有圍巖受力條件，有效的控制了沉降。6.4本章小結課題結合廈門海底隧道進行研究，取得如下成果：1.廈門海底隧道斷面大、圍巖軟弱、地質復雜，臺階法難以適用，雙側壁導坑法工序多，進度慢，一般是在地表沉降要求特別嚴的情況下才采用的施工方法，因此，重點只需考慮采用CD或CRD工法；為此，對CD和CRD工法分別建模計算，對這兩種工法進行數(shù)值模擬分析和比較，經綜合比選，最后確定采用更合理的施工方法—CRD工法，它既保證了廈門海底隧道的施工平安，又節(jié)約了本錢，加快了施工進度，創(chuàng)造了月掘進73米的高速度；2.利用數(shù)值方法模擬6種工況、2種工序開挖過程中的地層三維變形狀態(tài)，并結合實際施工中的變形監(jiān)測狀況，不斷調整優(yōu)化CRD工法各部步距、開挖順序和施工工藝。這項創(chuàng)新性成果，為軟弱地層大跨隧道采用CRD法提供新經驗，使異常變形得到有效控制，將隧道變形控制在目標值之內；7.結論3.廈門海底隧道是國內第一條海底隧道，埋深淺、圍巖軟弱、富水、開挖斷面大等特點，為躲避隧道坍塌等風險，以控制圍巖和支護過大變形為重點，對隧道變形進行整體預測確定整體控制目標。應用變形分配控制原理，對隧道變形進行分階段預測，確定階段控制目標。把階段控制目標分解到每一個施工工序中，結合監(jiān)測，動態(tài)調整施工方案。該項變形分配控制成果改變了原來隧道經常發(fā)生異常變形、險情不斷、侵限換拱的被動局面，創(chuàng)造性地使隧道整體變形處于可控狀態(tài)；4.在系統(tǒng)研究鎖腳錨桿作用機理的根底上，對不同鎖腳錨桿設計參數(shù)進行數(shù)值模擬，分析了鎖腳錨桿不同施作角度、有無注漿、設置墊塊與否等因素對拱頂下沉的影響，優(yōu)化了鎖腳錨桿設計參數(shù)。確保隧道平安，使鎖腳錨桿的施作數(shù)量減少近一半，控制變形的效果顯著增加。透水砂層與隧道關系縱向剖面圖左線隧道砂層影響范圍縱斷面圖翔安端淺灘翔安端450米透水砂層分布左線隧道右線隧道效勞隧道透水砂層與隧道關系橫向剖面圖富水砂層與海水連通，砂層侵入隧道內長度達259m，其余191m在拱頂以上缺乏1米，極易發(fā)生坍塌和突涌水。翔安端透水砂層開挖后揭示的地質情況掌子面揭示的粗顆粒黃砂翔安端透水砂層開挖后揭示的地質情況掌子面揭示的粉細白砂翔安端透水砂層開挖后揭示的地質情況綜合超前地質預報探明砂層分布形態(tài)、性狀；地下連續(xù)墻止水圍幕；連續(xù)墻內進行井點降水；洞內采用TSS導管超前注漿；采用CRD工法開挖。翔安端透水砂層段施工方法洞內采用TSS導管超前注漿翔安隧道穿越的風化槽簡介

隧道穿越5條風化深槽，F(xiàn)1累計寬278m