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橋梁在設計的過程中，尤其是大跨徑橋梁，經(jīng)常需要考慮來往船只的噸位，來決定橋梁的設計高度，往往因此增加了橋梁的修建難度以及施工工期，但是海底隧道的存在就很好的解決了這個問題，那么海底隧道主要的施工工藝又有哪些，哪些地方是我們同樣可以運用到別的工程中去呢？

一、海底隧道軟弱地層施工穩(wěn)定性控制研究

1.緒論

1.1 研究目的

從國外海底隧道施工現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢看，在海底隧道施工方面都積累了一定的經(jīng)驗，但在富水、軟弱地層中修建大斷面隧道并無先例，因此，本課題結合xx海底隧道的地質條件復雜、開挖斷面大、無成熟的經(jīng)驗可借鑒等特點，對軟弱地層施工方法、沉降控制、輔助工法等進行深入研究，總結出一套適合軟弱地層、大斷面、海底隧道施工的技術和方法，利用研究成果指導施工，優(yōu)化設計，非常具有實際意義。

1.2 研究內(nèi)容

本課題緊密結合xx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。

（1）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，在此基礎上優(yōu)化CRD工法各部之間的步距和工序；

（3）將變形分配控制原理應用于隧道施工，確定控制目標值，通過監(jiān)測反饋，分步控制，將變形控制在安全范圍之內(nèi)；

（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。

2.陸域淺灘段CRD工法和CD工法施工沉降控制研究

2.1淺埋大跨軟巖隧道施工方法

近年來國內(nèi)外的工程實例表明，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基本施工方法有六種：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）。

大量施工實例統(tǒng)計結果表明：

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(jīng)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。

xx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。

2.2 工程及地質概況

xx隧道海底段長4200m，淺灘段上部覆土厚度平均為7.35m，通過的地層主要為填筑土、粘土、砂質亞粘土、黑云母花崗巖，為V類圍巖，開挖跨度為16.74m，開挖高度為12.261m。

2.3 隧道入口端CD法與CRD法開挖引起的沉降量比較

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(wǎng)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。

施工臺階長度為15米時各工況拱頂最大沉降量

CD法施工導洞1、2分別向前開挖20、5m時拱頂最大沉降86mm

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98mm

CRD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

2.4 本章小結

（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(chǎn)生的沉降越大；

（2）雖然臺階短，封閉成環(huán)時間短，拱頂產(chǎn)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。

3.陸域淺灘段CRD工法步距和工序沉降控制作用研究

3.1 概述

大斷面軟弱地層修建隧道，CRD工法是一種比較有效的方法，本章結合實際施工狀況優(yōu)化CRD工法步距和步序，將拱頂沉降控制在最小范圍內(nèi)。

根據(jù)xx海底隧道出口端地層軟弱、易膨脹、穩(wěn)定性差等特點，設計六種開挖與支護工況，利用數(shù)值方法模擬開挖過程中的地層三維變形狀態(tài)，總結變形、失穩(wěn)規(guī)律，優(yōu)化開挖支護方案，解決施工技術難題。

3.2 地質狀況及面臨的問題

隧道陸域段為全風化花崗巖，這種圍巖未擾動之前堅硬、干燥、穩(wěn)定，而開挖暴露、遇水后則迅速膨脹、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。

△噴射混凝土開裂

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(chǎn)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

3.3 CRD工法導洞步距對沉降量的影響

為掌握CRD步距對拱頂沉降的影響，選取地質條件基本相同，但步距不同的兩段進行監(jiān)測，步距和監(jiān)測情況見下表

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。

3.4 兩種不同施工工序計算分析

3.5 本章小結

（1）兩種工序，導洞1開挖產(chǎn)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，土體大部分應力要由結構承擔，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。

（3）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(nèi)；

4.變形分配控制原理及其在隧道中的應用研究：

4.1概述

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，則最終變形量就能得到控制，這就是所謂變形分配控制原理。

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，避免風險的累積，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xx海底隧道

（1）首先，通過數(shù)值計算和工程經(jīng)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。

4.2 目標控制值的確定

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：

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(jīng)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(diào)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)。

4.3 異常變形控制措施

01 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

5.鎖腳錨桿作用機理數(shù)值模擬分析：

5.1概述

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。

△現(xiàn)場施作鎖腳錨桿

△錨桿布置示意圖

5.2 鎖腳錨桿作用機理及在工程中的運用

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。

隧道在施工中，部分斷面拱頂下沉偏大，造成初支侵限，甚至發(fā)生大變形危及結構安全，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。

5.3 數(shù)值模擬分析

5.3.1 位移分析

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。

5.3.2 支護結構安全性分析

采用鎖腳錨桿前、后支護結構安全性變化情況見下表，由表可知：采用鎖腳錨桿后初期支護各部位的安全系數(shù)均比不采用時有所提高。

注：軸力、彎矩和安全系數(shù)欄中分子、分母分別為采用鎖腳錨桿前后的數(shù)值。

5.3.3 鎖腳錨桿沉降與所受荷載的關系

隨著荷載增加錨桿端頭豎向位移呈線性增加，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。

5.3.4 鎖腳錨桿作用效果與打入角度、注漿的關系

由下圖知，無論哪種工況，拱腳錨桿以25º施作時控制沉降效果最佳。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

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(nèi)力計算結果見下表。

5.4 計算結果及結論

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安全性；

（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佳；

（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(nèi)力值都有顯著的增加。

6.軟弱地層滲透擠密注漿沉降控制研究

6.1 海底隧道注漿技術綜述

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)定和隧道施工安全，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。

△注漿效果圖片

6.2 壁后注漿的作用

壁后注漿的作用體現(xiàn)在兩個方面：提高圍巖的剛度（彈性模量）、強度（粘聚力和內(nèi)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。

6.3 軟弱地層滲透擠密注漿對控制沉降的影響

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。

注漿前掌子面泥塑狀不穩(wěn)定

注漿后掌子面干燥穩(wěn)定

6.4 本章小結

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，主要體現(xiàn)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，而基本上不改變原狀土的結構和體積，所用注漿壓力相對較小。

（2）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。

7.結論

課題結合xx海底隧道進行研究，取得如下成果：

1.xx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(jīng)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xx海底隧道的施工安全，又節(jié)約了成本，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(diào)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(jīng)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(nèi)；

二、海底隧道穿透水砂礫層施工技術

透水砂層與隧道關系縱向剖面圖：

端透水砂層開挖后揭示的地質情況

富水砂層與海水連通，砂層侵入隧道內(nèi)長度達259m，其余191m在拱頂以上不足1米，極易發(fā)生坍塌和突涌水。

△掌子面揭示的粗顆粒黃砂

△掌子面揭示的粉細白沙

端透水砂層段施工方法：

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(nèi)進行井點降水；

洞內(nèi)采用TSS導管超前注漿；

采用CRD工法開挖。

洞內(nèi)采用TSS導管超前注漿

三、海底隧道穿越海域風化深槽施工技術

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、 F2累計寬220m、 F3累計寬255m、 F4累計寬212.5m、 F5累計寬153m、累計長約風化槽總長度為1118.5m，風化槽內(nèi)巖體強度低，自穩(wěn)能力差，受到較大的動水壓力，存在滲透破壞的可能，是最大的施工風險。

穿越海域風化深槽施工流程：

1、超前鉆孔取芯精確定位風化槽位置和分布性態(tài)

2、風化槽施工前施做防水閘門

3、施做止?jié){墻

4、全斷面、半斷面、周邊帷幕注漿

5、注漿效果取芯檢查

6、隧道開挖、支護

超前地質預報水平鉆探：

△風化槽巖芯

△探明的地質狀況--風化槽與隧道關系

△風化槽施工前設置防水閘門

△風化槽施工前施作砼止?jié){墻

全斷面、半斷面、周邊帷幕注漿技術：

海底隧道穿越風化深槽施工，史無前例，無成功經(jīng)驗可以借鑒；風化槽內(nèi)，地質復雜，穿越第一個風化槽施工，采用最保守的全斷面帷幕注漿技術施工，效果較好，但工期過長，為8個月。在總結第一個風化槽施工成功經(jīng)驗的基礎上，針對不同地質條件的風化槽，研究應用了復合注漿技術，嘗試采用上半斷面帷幕注漿、上半斷面周邊注漿并獲得成功。在確保安全施工的前提下，采用非全斷面注漿降低了工程造價，每個風化槽施工工期由8個月縮短到2個月。

全斷面注漿孔、半斷面注漿孔、周邊注漿孔示意圖

全斷面、半斷面、周邊帷幕注漿加固效果圖