長大海底隧道合理埋置深度論證

段壯志 張宗強(qiáng) 強(qiáng)文斌

(工程兵學(xué)院，江蘇 徐州 221004)

0 引言

與其他類型的隧道相比，長大海底隧道具有穿越距離長、地質(zhì)不定性因素多、海底巖層勘測(cè)難度大、地質(zhì)超前預(yù)知能力弱等特點(diǎn)。此外，長大海底隧道雖然一般埋置于海平面以下上千米甚至數(shù)千米的深度，但扣除海平面到海底軟弱巖層厚度(對(duì)隧道結(jié)構(gòu)物頂部承壓的極不利因素，巖層不能形成自穩(wěn)體系)，海底隧道的凈埋深顯得很薄。根據(jù)海底隧道上覆層中軟弱巖層厚度及隧頂?shù)胶Ｆ矫嬷g的海水深度對(duì)海底隧道埋置處圍巖及襯砌的壓力影響及擾動(dòng)情況，合理確定其埋置深度對(duì)于長大海底隧道的設(shè)計(jì)是有益的。

1 長大海底隧道的合理埋置深度

1.1 海底隧道對(duì)埋深要求的意義

從宏觀上講，為了避免海底隧道穿越不良地質(zhì)段造成掘進(jìn)過程中的坍塌、涌水及其他施工事故的發(fā)生，海底隧道應(yīng)該埋置于堅(jiān)硬、致密、完整的巖體中。從地質(zhì)學(xué)角度及地下勘探結(jié)果來看，除了海底表面局部斷層、溝壑、軟弱破碎帶及地下壅水等地質(zhì)病害地址附近外，地下巖層隨著深度的增加地質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸趨于完整、致密、堅(jiān)硬，海底隧道埋置深度越大，避開海底斷層、溝壑及避免地表海水滲漏或涌入的可能性也越大。同時(shí)，海底隧道在巖層中的埋置深度越大，在掘進(jìn)過程中圍巖的自穩(wěn)性能越好，對(duì)海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力與施工過程中的掘進(jìn)環(huán)境越有利。因此，海底隧道在硬質(zhì)巖層中埋置越深，越有利于襯砌結(jié)構(gòu)受力及掘進(jìn)施工。

但是，隨著海底隧道埋置深度的增大，在隧道線路縱坡一定的條件下，穿越相同寬度海域的海底隧道其引入段長度隨之增加，對(duì)新建海底隧道的經(jīng)濟(jì)性是極不利的。以埋深1000 m(含海水深度)的海底公路隧道為例，在隧道內(nèi)線路最大縱坡限制下(參《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》)，海底隧道埋深每增加10 m，海底隧道出(入)口引出(入)段須各增加約200 m長度的經(jīng)濟(jì)投入。對(duì)于海底鐵路隧道內(nèi)線路最大設(shè)計(jì)縱坡限制的要求，則隧道埋置深度每加深10 m導(dǎo)致其出(入)口引出(入)段增加的長度對(duì)工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)投入影響更為顯著。

對(duì)于穿越距離較短的海底隧道而言，采用加大隧道埋深改善襯砌結(jié)構(gòu)受力性能與保證施工掘進(jìn)過程中安全的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性矛盾顯得尤為突出，因此，短距離海底隧道往往不過分追求埋置深度要求，而是以加強(qiáng)支護(hù)或采用沉管法等改善設(shè)計(jì)與施工理念的方法來解決海底復(fù)雜地質(zhì)條件的不良影響。

在長大海底隧道設(shè)計(jì)時(shí)，一方面，穿越長度對(duì)線路縱坡設(shè)置提供可能的優(yōu)勢(shì)使得海底隧道埋入深層硬質(zhì)巖層客觀上可以實(shí)現(xiàn);另一方面，海底隧道埋置深度的增加對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力、掘進(jìn)施工安全及隧道運(yùn)營過程中的滲漏甚至涌水等后續(xù)問題的改善極為有益，因此，在長大海底隧道埋置深度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合比較圍巖與隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力要求、掘進(jìn)施工安全因素與經(jīng)濟(jì)投入之間的制約關(guān)系，選定出合理的埋置深度。

1.2 長大海底隧道合理埋置深度含義

長大海底隧道的合理埋置深度是指在滿足隧道結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，施工掘進(jìn)過程中允許發(fā)生一定范圍的圍巖變形，在沒有初期支護(hù)(或僅進(jìn)行簡單支護(hù))的情況下圍巖能夠形成自穩(wěn)，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性要求下長大海底隧道的埋置深度。合理埋置深度是根據(jù)圍巖類別、上覆巖層與海水的共同作用確定的。

1.3 合理埋置深度的圍巖類別要求

我國尚未出臺(tái)海底隧道圍巖類別分級(jí)相關(guān)規(guī)范，借鑒現(xiàn)行的鐵路或公路隧道圍巖類別分級(jí)相關(guān)規(guī)定，在新建長大海底隧道設(shè)計(jì)選址時(shí)，在穿越海域范圍內(nèi)應(yīng)使其盡量全布于Ⅰ，Ⅱ類硬質(zhì)巖層中。

從原則上講，新建海底隧道設(shè)計(jì)選址時(shí)應(yīng)盡量避開節(jié)理發(fā)育、有層狀軟弱面(或夾層)的硬質(zhì)巖層或節(jié)理較發(fā)育的軟質(zhì)巖層等Ⅲ，Ⅳ類圍巖，或者，隧頂上覆層各類巖層中所含Ⅲ類以上軟弱或較軟弱巖層應(yīng)盡可能薄。一般海底隧道不應(yīng)在Ⅲ，Ⅳ類巖層中穿越，受地質(zhì)條件限制隧道必須在該類巖層的海底深溝、斷裂帶、破碎帶處穿越時(shí)，應(yīng)以該段為特殊的設(shè)計(jì)、施工控制段作專門的圍巖巖體、結(jié)構(gòu)襯砌設(shè)計(jì)與施工方法設(shè)計(jì)論證。

由于海底Ⅴ，Ⅵ類土質(zhì)、細(xì)砂類或夾土類圍巖及屬于Ⅳ類圍巖中土質(zhì)類或富夾土質(zhì)類巖層在海水浸泡或浸潤作用下處于流塑狀態(tài)的地質(zhì)層，隧道的海底穿越段不能按陸上隧道要求對(duì)其進(jìn)行特殊承載要求設(shè)計(jì)計(jì)算，只能按其對(duì)下覆巖層的純豎向壓力作用進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，同時(shí)，海底隧道一般不在該類圍巖中穿越。

1.4 長大海底隧道合理埋置深度的計(jì)算

長大海底隧道合理埋置深度h如圖1所示。

其中，hi為隧頂各類地質(zhì)層厚度。

隧頂上覆各巖層中h1～h4的值是確定的，因此，確定海底隧道合理埋置深度主要是確定穿越層(Ⅰ，Ⅱ類巖層)中h5的合理深度。

1)圍巖計(jì)算模型。

a.將海平面到隧道埋置處之間的巖層(含海水層)按其對(duì)海底隧道開挖后圍巖能否形成自穩(wěn)分為三層:第一層是海平面以下到海底淤積層及屬于Ⅴ，Ⅵ類土質(zhì)、細(xì)砂類或夾土類圍巖和屬于Ⅳ類圍巖中土質(zhì)類或富夾土質(zhì)類巖層(見圖2)。該層僅作為對(duì)隧道埋置處的純豎向作用，無自穩(wěn)性，淤泥層及各類土質(zhì)、富夾土質(zhì)巖層可按其比重等代換為海水深度簡化計(jì)算。

圖2 Ⅴ，Ⅵ類及Ⅳ類富夾土巖層簡化為海水層示意圖

b.將節(jié)理發(fā)育、有層狀軟弱面(或夾層)的硬質(zhì)巖層或節(jié)理較發(fā)育的軟質(zhì)巖層等Ⅲ，Ⅳ類圍巖，或者，隧頂上覆層各類巖層中所含Ⅲ類以上軟弱或較軟弱巖層視為第二層。第二層具有一定的自穩(wěn)性，由于原則上隧道不在該層穿越，因此，海底隧道的掘進(jìn)開挖對(duì)該層擾動(dòng)很小，該層沿節(jié)理面的層間摩阻力及節(jié)理面未貫通的巖體承擔(dān)(抵消)一部分上層海水(或等代換為海水)及第二層自身重力的作用(即該層的自穩(wěn)能力)。計(jì)算時(shí)根據(jù)該層巖體的節(jié)理發(fā)育程度、節(jié)理面走向等因素確定其所能抵消的豎向作用。

c.海底隧道埋置處巖體完整的Ⅰ，Ⅱ類硬質(zhì)圍巖為第三層。該層開挖后自穩(wěn)性良好，側(cè)向變形很小，主要承受上覆各層(包括隧頂以上第三層巖體)的豎向作用。目前，國外長大海底隧道在該類圍巖中的埋深一般為數(shù)十米到上百米，圖2中h5比隧道毛洞跨徑l大得多，由上覆各層豎向作用產(chǎn)生的彎矩對(duì)隧道開挖斷面橫向跨徑的影響已是次要因素，因此，對(duì)該層起制約影響的主要為上覆層作用引起的豎向剪力。

d.陸上隧道開挖后毛洞的圍巖力學(xué)狀態(tài)為應(yīng)力重分布后的二次應(yīng)力狀態(tài)，須考慮自重引起的初始地應(yīng)力場，并將其視為無限體中的孔洞問題。對(duì)于長大海底隧道，隧頂以上穿越層硬質(zhì)圍巖(如圖2所示第三層)及選址時(shí)盡量避開的Ⅲ，Ⅳ類巖層(如圖2所示第二層)相對(duì)于上千米甚至數(shù)千米無側(cè)向作用的海水(含淤積層等)而言可視為板層結(jié)構(gòu)，因此，在計(jì)算中可以忽略地場應(yīng)力，僅考慮上覆各層對(duì)該板層的豎向剪應(yīng)力作用，這樣做對(duì)海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力是偏安全的。

2)合理埋置深度計(jì)算(見圖1，圖2)。

取沿海底隧道穿越方向單位長度的巖柱作為研究對(duì)象。

a.第一層地質(zhì)層不具有自穩(wěn)性，該層僅作為純豎向作用，其豎向作用力P1為:

其中，γ0為海水比重;l為隧道開挖斷面跨徑;h0為圖1中海水層、淤積層和Ⅴ，Ⅵ類及Ⅳ類富夾土巖層等各層厚度等代換為海水層的厚度。其等代方法為:

其中，hi為海水層、淤積層和Ⅴ，Ⅵ類及Ⅳ類富夾土巖層的各層厚度;i=1 時(shí)，取 γ1=γ0。

b.第二層自重P2為:

其中，γ2為第二層的巖層比重。

第二層巖體可以抵抗的豎向作用力F2為:

其中，α為第二層巖體相對(duì)于完整巖體的破碎程度折減系數(shù)，根據(jù)勘測(cè)資料中巖體的破碎程度取值;［τ2］為該類巖層的容許抗剪應(yīng)力;2(1+l)為海底隧道穿越方向單位長度研究對(duì)象(巖層)的水平截面周長。

巖體可以抵抗豎向作用力F2的大小直接反映該巖層開挖或擾動(dòng)時(shí)的自穩(wěn)性能。

c.第三層(海底隧道穿越層)隧頂以上自重P3為:

其中，γ3為第三層的巖層比重。

第三層所須抵抗的豎向作用F3為:

其中，［τ3］為第三層巖體的容許抗剪應(yīng)力;Pi由式(2)，式(4)，式(6)確定;F2由式(5)確定。

1.5 結(jié)論

長大海底隧道合理埋置深度h為(見圖1):

其中，h1～h4根據(jù)對(duì)地層勘測(cè)實(shí)測(cè)而得;h5由式(7)確定。

式(8)主要用于長大海底隧道在海底穿越段的合理埋置深度計(jì)算。對(duì)于長大海底隧道出入口引出或引入段的隧道部分，其上覆層沒有地表海水，可由陸上隧道成熟的設(shè)計(jì)、施工方法根據(jù)不同圍巖類別要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或施工。

2 討論

相對(duì)于陸上隧道，長大海底隧道最顯著的特點(diǎn)是上覆層中深度很大的地表海水作用對(duì)隧道凈埋置層受力模式的影響，使得長大海底隧道在計(jì)算過程中可以忽略開挖后地層的應(yīng)力重分布問題。同時(shí)，深地表海水及無自穩(wěn)性的淤積層、土質(zhì)層或富夾土層在計(jì)算模式中的純豎向作用使長大海底隧道合理埋置深度計(jì)算(不能將其視為無限體中的孔洞問題求解)成為區(qū)別于陸上隧道的又一顯著特點(diǎn)。

此外，文中對(duì)于第二層巖層抗剪力的分析中，相對(duì)于完整巖體的破碎程度折減系數(shù)α在計(jì)算中具有一定的科學(xué)性與合理性，但在國內(nèi)外隧道計(jì)算理論中尚未明確提出，其取值的具體性與合理性尚需有關(guān)專家進(jìn)一步論證。

3 結(jié)語

綜合經(jīng)濟(jì)性要求，長大海底隧道在合理埋置深度條件下一方面避開了海底斷層、溝壑、破碎帶等淺層不良地質(zhì)段及海底電纜、光纜等管線，另一方面考慮了埋置深度增加造成隧道設(shè)計(jì)長度增大的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力要求、掘進(jìn)施工的安全要求及新建海底隧道資金投入的經(jīng)濟(jì)要求方面都有其積極的意義。

［1］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［3］柳新華，劉良忠，侯鮮明.國內(nèi)外跨海通道發(fā)展百年回顧與 前瞻［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2006(24)：11.