城市水下淺埋暗挖隧道最小覆蓋層厚度確定方法

豆世康

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國水下隧道建設(shè)蓬勃發(fā)展。近年來，國內(nèi)修建了一大批穿越江河湖海的水下隧道。在這些隧道的設(shè)計(jì)與施工過程中，如何確定水中段隧道的最小覆蓋層厚度，確保隧道的功能實(shí)現(xiàn)、施工安全與運(yùn)營穩(wěn)定，一直是建設(shè)人員的困擾，也對礦山法修建水下隧道工程構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。為此，國內(nèi)眾多專家、學(xué)者做了大量研究工作。王夢恕等[2]通過對水下隧道最小巖石覆蓋層厚度的研究，提出了應(yīng)從圍巖穩(wěn)定性和隧道涌水量的大小綜合考慮的方法。李術(shù)才等[3]就廈門翔安隧道設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用工程類比和數(shù)值計(jì)算方法對其最小覆蓋層厚度做了專項(xiàng)研究。王培勇等[4]就水下隧道合理覆蓋層厚度進(jìn)行了有限元模擬研究。陳海軍[5]就基于工程技術(shù)措施下的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法，以長沙市營盤路湘江隧道為例，提出了營盤路湘江隧道按10.5 m控制的原則。該隧道位于全分化和強(qiáng)風(fēng)化巖石地層。中鐵四院完成的長沙瀏陽河湘江大道越江隧道設(shè)計(jì)，提出了越江隧道按14 m最小覆蓋層厚度的原則，隧道拱部全部位于強(qiáng)風(fēng)化礫巖中。中鐵六院完成的浙江衢州市荷一路越江隧道工可報(bào)告，提出了越江隧道按8 m最小覆蓋巖石厚度的原則。而本文結(jié)合贛州市蓉江四路越江隧道工程的交通功能需求、陸域道路接線條件、建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)與工程投資，提出基于注漿加固圍巖下的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法，供類似隧道工程借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

江西省贛州市蓉江四路越江隧道穿越章江，為連接贛州市鳳崗片區(qū)與蓉江新區(qū)之間的重要通道。雖然蓉江新區(qū)與經(jīng)開區(qū)不斷增加交通基礎(chǔ)設(shè)施的投入，但兩區(qū)之間通道缺失，越江交通需求難以得到滿足，越江交通矛盾將越來越突出。蓉江四路越江隧道工程全長約2.5 km，隧道主線全長約為1.738 km，匝道長約1.3 km，時速50 km/h，雙向六車道。主線隧道為雙向六車道，采用淺埋暗挖法（俗稱“礦山法”）施工，標(biāo)準(zhǔn)段斷面凈寬12.5 m，開挖面積平均137 m2；主線設(shè)計(jì)最大縱坡4.95%，匝道設(shè)計(jì)最大縱坡5.9%。隧道自東向西長距離穿越粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫層、江中斷裂帶、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、雜填土，洞身所處地層透水性弱、自穩(wěn)能力一般，開挖易坍塌，沿線各地層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。章江江水深度隨季節(jié)變化較大，最大水深約15 m（100 a一遇），平時水深3～5 m。

表1 巖(土）體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 交通功能需求

結(jié)合城市既有路網(wǎng)與規(guī)劃方案，本隧道“兩主線、四匝道”的整體布局，可實(shí)現(xiàn)章江兩岸各個方向的互通。通過匝道隧道與主線隧道的合理銜接，形成東西為主、南北為輔的交通格局，隧道的交通功能可得到極大拓展。隧道總體布置見圖1。隧道縱斷面與地質(zhì)巖芯分別見圖2、圖3。

圖1 隧道總體布置

圖2 隧道縱斷面

圖3 地質(zhì)巖芯

2 研究最小覆蓋層厚度的意義和影響最小覆蓋層厚度的因素

2.1 研究最小覆蓋層厚度的意義

隧道開挖后，其上覆圍巖在達(dá)到和超過一定的厚度時，將可提供相當(dāng)?shù)淖苑€(wěn)與自承載能力，巖體自重荷載的絕大部分將不再下傳由襯砌結(jié)構(gòu)承受；反之，當(dāng)其上覆圍巖厚度不夠時，則將不足以提供其自穩(wěn)和自承能力，巖體自重荷載將大部分或全部下傳由襯砌結(jié)構(gòu)承受。圍巖體以能提供自承載與自穩(wěn)能力的最小厚度稱為最小覆蓋層厚度[6]。

在海底和床底基巖裂隙水的作用下，對注漿密封巖體而言，將能形成強(qiáng)大的圍巖承載圈。此時，外水壓力和上覆巖體自重將由襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖承載圈來共同承受，而不只是襯砌結(jié)構(gòu)獨(dú)自擔(dān)當(dāng)，這樣設(shè)計(jì)計(jì)算出的襯砌厚度和配筋顯然更加經(jīng)濟(jì)并符合工作實(shí)際。圍巖能以形成承載圈的厚度稱為圍巖承載圈厚度[7]。

圍巖最小覆蓋層和最小承載圈厚度是跨海隧道工程設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)。通過對圍巖最小覆蓋層和最小承載圈厚度的研究，可以保證隧道設(shè)計(jì)的安全和經(jīng)濟(jì)，最大程度降低開挖施工中的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度。

2.2 影響最小覆蓋層厚度的因素

水下隧道的最小覆蓋層厚度是影響施工安全和工程造價(jià)最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。在保證施工安全的前提下，隧道的覆蓋層厚度越小，隧道埋深就越小，作用在隧道結(jié)構(gòu)上靜水壓力就越小[8]，隧道結(jié)構(gòu)尺寸也可以越小。同時，隧道埋深越小，在隧道坡度一定的前提下，隧道長度就越短，與兩端的接線就越容易，因而隧道的工程造價(jià)也越低。另外，水下隧道覆蓋層越薄，河（海）水與隧道之間的滲流通道就越短，隧道施工過程中發(fā)生突水、塌方的概率就越大[9]。因此，設(shè)計(jì)水下隧道，要綜合考慮功能需求、工程造價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)等因素來確定合理的最小覆蓋層厚度。從國內(nèi)外已建的各種類型水下隧道工程來看，影響其最小覆蓋層厚度的主要因素有以下幾點(diǎn)：

（1）所確定的覆蓋層厚度能否保證水下隧道的施工安全。

（2）水下隧道的功能需求。

（3）隧道兩端陸域的接線條件。

（4）隧址處水域段工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件。

（5）滿足隧道使用功能所確定的隧道斷面尺寸。

（6）水域基床控制條件，如規(guī)劃航道標(biāo)高、沖刷線等。

3 現(xiàn)有方法分析

國內(nèi)外規(guī)范對水下隧道最小覆蓋層厚度并沒有明確限制，各國確定最小覆蓋層厚度主要采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)與工程類比方法。日本和挪威是世界上水下隧道鉆爆法實(shí)踐最多的國家，通過對許多成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)的總結(jié)，各自歸納了一套經(jīng)驗(yàn)公式。我國水下隧道的最小覆蓋層厚度也基本是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定的，同時參考類似工程和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對比。

采用礦山法修建水下隧道，埋深不能過大，也不能過小，需要采用最小的安全埋深。埋深過大，既會帶來隧道與兩岸接線困難、縱坡增大、運(yùn)營條件變差的問題，又會使隧道增長、造價(jià)提高。若埋深不足，會增加圍巖加固的難度、堵水和排水的費(fèi)用，甚至?xí)?dǎo)致河（海）水的灌入，危及隧道和人員安全。因此，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)營條件等多方面因素，綜合確定隧道的最小安全埋深（巖石覆蓋厚度）。確定最小埋深控制值是隧道縱斷面控制的重要因素。

3.1 挪威經(jīng)驗(yàn)法

挪威海底隧道建設(shè)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出海底隧道最小埋深經(jīng)驗(yàn)參考圖（見圖4）?？v軸H表示水深，橫軸h表示巖石覆蓋厚度。圖中按巖石的完整程度分別給出了良質(zhì)巖石和弱質(zhì)巖石兩條經(jīng)驗(yàn)曲線。良質(zhì)巖石的縱坡波速平均值為5 000～6 000 m/s，弱質(zhì)巖石的縱坡波速平均值為2 000～2 900 m/s。在已知巖石縱坡波速的情況下，可采用內(nèi)插的方法，根據(jù)圖4計(jì)算最小巖石覆蓋厚度。

圖4 挪威法經(jīng)驗(yàn)法圖示

3.2 日本最小涌水量法和經(jīng)驗(yàn)法

3.2.1 最小涌水量法

礦山法修建的隧道，涌水量是確定埋深的重要依據(jù)。隨著埋深的增加，靜水壓力逐漸增大，但滲流通道也逐漸增長。根據(jù)不同的埋深得到相應(yīng)的涌水量，埋深和涌水量曲線上最小涌水量對應(yīng)的埋深即最小巖石覆蓋層厚度。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中：h為水下隧道巖石覆蓋厚度；H為水深；r為隧道半徑。

3.2.2 經(jīng)驗(yàn)法

日本是修建海底隧道較成功的國家之一，在此方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)。日本第一條鉆爆法海底鐵路隧道即青函隧道于1988年竣工，距今已有20多年歷史。日本總結(jié)出的最小覆蓋層厚度經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中：H為海底隧道埋深；h為最大海水深。

3.3 國內(nèi)頂水采煤經(jīng)驗(yàn)方法

水下隧道最小埋深的確定與煤礦安全開采上限的確定有相似之處。為了保證隧道施工安全，必須留設(shè)足夠的防水巖柱。安全防水巖柱的最小高度應(yīng)大于導(dǎo)水裂隙帶的高度和保護(hù)層厚度之和(見圖5）[10]。開采上限計(jì)算公式：

圖5 水下隧道最小埋深的確定圖示

式中：H為開采上限高；a為表面裂隙深度，基巖經(jīng)驗(yàn)值取2～10 m；s為保護(hù)層厚度，一般取5 m；h為爆破引起的擾動高度（導(dǎo)水裂隙帶高度）,一般取2 m。

（1）保護(hù)層厚度s的確定

根據(jù)多年來煤礦開采經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：s為保護(hù)層厚度，m；h1為水頭高度，m；h2為坑道寬度，m；c為巖層強(qiáng)風(fēng)化帶厚度，一般取2~5 m；f為普氏強(qiáng)度，查表或取樣試驗(yàn)求得。

式中：R為巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣單軸極限抗壓強(qiáng)度；c為巖層風(fēng)化帶厚度。

（2）導(dǎo)水裂隙帶高度h的確定

依巖石爆破力學(xué)：

式中：k為地基系數(shù)；w為單個最危險(xiǎn)藥包的最小抵抗線；F（n）為相應(yīng)藥包爆破指數(shù)的函數(shù)。

3.4 權(quán)函數(shù)法

確定水下隧道最小巖石覆蓋層厚度時，應(yīng)從圍巖穩(wěn)定性和隧道涌水量兩方面來考慮。首先，由于水下隧道的特殊性，圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要；其次，對于水下隧道施工安全來說，防突水也十分重要；最后，隧道涌水量影響排水費(fèi)用。綜上分析，提出水下隧道最小巖石覆蓋層厚度的確定原則：經(jīng)驗(yàn)分析法依據(jù)圍巖穩(wěn)定性和實(shí)際案例分析確定；頂水采煤值根據(jù)預(yù)留安全煤柱、防止施工突水確定；最小涌水量依據(jù)排水成本較小來確定；依據(jù)其重要性，對不同方法選取不同的權(quán)重，最后加權(quán)確定最小巖石覆蓋層厚度建議值。例如，可取建議值=經(jīng)驗(yàn)分析值×0.5+頂水采煤值×0.3+最小涌水量值×0.2。

3.5 工程類比法

除按上述方法確定鉆爆法水下隧道最小覆蓋層厚度外，工程類比也是較常用的一種方法。采用工程類比法時一定要注意可比性，應(yīng)主要從工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況、隧道斷面尺寸及隧道的使用功能等條件進(jìn)行確認(rèn)[11]。國內(nèi)外具有比較多的工程案例，已經(jīng)施工完成的國內(nèi)水下礦山法隧道，如長沙瀏陽河隧道水下最小巖石覆蓋層厚度為14 m，長沙營盤路隧道水下巖石覆蓋層厚度為10.5 m。其余均為海底隧道，由于海水水深很深，參考性不強(qiáng)。

3.6 極限覆蓋層厚度及其確定方法

在注漿或凍結(jié)等輔助措施下，極限覆蓋層厚度的主要影響因素包括不良地質(zhì)體情況（如風(fēng)化槽、風(fēng)化囊、斷層破碎帶等）、與海（江河）水聯(lián)通狀況、注漿效果、水深、隧道開挖尺寸、支護(hù)參數(shù)選取及開挖方法等。

對于某斷面而言，在注漿條件下極限頂板的確定更多是從技術(shù)層面出發(fā)，尋求一個臨界的覆蓋層厚度安全值。然而，對于覆蓋層厚度過薄引起的圍巖失穩(wěn)尚無很好的判斷依據(jù)，目前比較常用的方法是利用塑性區(qū)或位移擾動區(qū)來判斷圍巖的穩(wěn)定性范圍。參考已有研究成果，基于Mohr-Coulomb和Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則，引入最小安全系數(shù)來確定最小安全覆蓋層厚度。其中，安全系數(shù)Fs可表示為：

式中：f（σ）為總應(yīng)力的函數(shù)；H（x）為標(biāo)量的內(nèi)變量x的函數(shù)。

對于巖石介質(zhì)，Drucker-Prager屈服條件是工程界應(yīng)用最為廣泛的屈服條件之一，其主應(yīng)力表示形式為：

式中：a、K為材料參數(shù)；I1，J2為應(yīng)力第一不變量和應(yīng)力偏量第二不變量，可分別表示為：

當(dāng)與庫倫六邊形的外頂點(diǎn)重合時，a，K與c，φ的關(guān)系為：

根據(jù)上式可得，滿足Drucker-Prager屈服條件的巖體破壞安全系數(shù)：

當(dāng)Fs＞1時，表示未破壞（屈服面內(nèi)部）；當(dāng)Fs＜1時，表示已破壞（屈服面外部）；當(dāng)Fs=1時的覆蓋層厚度為該斷面的極限覆蓋層厚度。

3.7 根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中深淺埋界限來確定

隧道最小覆蓋層厚度在概念上在公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中為深淺埋隧道分界深度Hp值。根據(jù)規(guī)范，Hp按荷載等效高度來判定[12]。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》方法借用的是《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的方法。鐵路隧道經(jīng)驗(yàn)公式是通過對127座單線鐵路隧道的417個塌方資料的統(tǒng)計(jì)分析，以5 m為基本跨度整理而成的[13]。公路隧道與鐵路隧道相比，在限界、跨度、高跨比等方面有其自身的特點(diǎn)，引用鐵路隧道經(jīng)驗(yàn)公式必然存在較大的誤差。在定性分析的基礎(chǔ)上，定量分析不可缺失，目前隧道設(shè)計(jì)規(guī)范均引入了定量分析BQ值的設(shè)計(jì)理念[14]。

BQ值通過巖體分析計(jì)算得出，巖體完整程度的定量指標(biāo)用巖體完整性系數(shù)Kv表達(dá)。Kv一般用彈性波探測值，《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—2014）計(jì)算公式采用了157組數(shù)據(jù)回歸。若無探測值，可用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv確定，見表2。

表2 巖體體積節(jié)理數(shù)

式中：Vpm為評價(jià)區(qū)域巖體的彈性縱波速度;Vpr為評價(jià)區(qū)域巖石的彈性縱波速度。

當(dāng)Rc＞90Kv+30，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計(jì)算BQ值；當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計(jì)算BQ值。

經(jīng)過修正后的BQ值，查詢得到圍巖級別，按規(guī)范公式計(jì)算最小覆蓋層厚度和重度。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算最小覆蓋層厚度與圍巖級別息息相關(guān)。公路隧道規(guī)范考慮了洞跨、洞高、圍巖級別對最小覆蓋層厚度的影響，但沒有考慮洞室形狀、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、施工方法、支護(hù)形式等因素的作用。從計(jì)算結(jié)果（見表3）可知，規(guī)范方法的計(jì)算結(jié)果均呈現(xiàn)出以下規(guī)律：圍巖級別越高（即越破碎），相應(yīng)最小覆蓋層厚度越大；洞室跨度越大，最小覆蓋層厚度越大；基巖層面上的外荷載越大，最小覆蓋層厚度也越大。

表3 圍巖級別

3.8 按普式壓力拱理論計(jì)算最小覆蓋層厚度

由圖6可知，取OFGB為脫離體進(jìn)行分析，在OF和GB的切面上，巖體不能承受拉應(yīng)力而只能承受壓應(yīng)力。同時假設(shè)O處拱頂和G處巖表的拉應(yīng)力部分巖石已經(jīng)完全崩落，所以O(shè)點(diǎn)和G點(diǎn)為拉應(yīng)力、壓應(yīng)力的交界點(diǎn)，其應(yīng)力為零。在彈性介質(zhì)假設(shè)下，再假定壓應(yīng)力從O點(diǎn)從下向上和G點(diǎn)自上而下均呈線性增大，分別在F點(diǎn)、B點(diǎn)達(dá)到最大值σmax。OF面上的總壓力為S=1/2×σmaxh，其作用點(diǎn)位于距O點(diǎn)2/3 h處。作用于OFGB上的垂直力有這部分巖體自重和基巖層面上的殘積土荷載及水壓力，這些豎向力的合力用P表示，P的作用點(diǎn)也不難求得。

圖6 普式壓力拱計(jì)算圖

如果σmax達(dá)到巖石的允許抗壓強(qiáng)度【Rc】，則認(rèn)為壓力拱將處于臨界破壞的允許極限。允許抗壓強(qiáng)度用下式計(jì)算：

式中：Rc為巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度；Rs為安全系數(shù)，其值根據(jù)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件決定。由于巖體的離散型和隨機(jī)性很大，工程中一般應(yīng)采用Fs=8。

若σmax≤【Rc】，則h≥2Ptan（45°-φ/2）Fs/Rc，即可得到上覆巖體可形成承載拱。根據(jù)隧道所處地層參數(shù)，計(jì)算得出不同圍巖級別的最小覆蓋層厚度。

表4 不同圍巖級別的最小覆蓋層厚度

壓力拱理論方法是基于極限平衡條件推導(dǎo)最小覆蓋層厚度公式。需要指出的是，推導(dǎo)過程中假設(shè)圖6中B，F(xiàn)兩點(diǎn)應(yīng)力同時達(dá)到最大，這適用于金屬類塑性材料，應(yīng)用于巖石類脆性材料則顯得勉強(qiáng)。因?yàn)閷r石來說，當(dāng)B點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到最大值后，它并非保持不變只發(fā)生塑性流動，而是出現(xiàn)脆性開裂發(fā)生破壞，此時F點(diǎn)的應(yīng)力往往并沒有達(dá)到最大值。另外，假定壓應(yīng)力呈線性分布也與實(shí)際不符。因此，據(jù)以推出的公式必然有很大的局限性。壓力拱理論均考慮了洞跨、洞高、圍巖級別對最小覆蓋層厚度的影響，同時還考慮到基巖層面上的外載影響，但沒有考慮洞室形狀、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、施工方法、支護(hù)形式等因素的作用。

壓力拱理論的計(jì)算結(jié)果均呈現(xiàn)出以下規(guī)律：圍巖級別越高（即越破碎），相應(yīng)最小覆蓋層厚度越大；洞室跨度越大，最小覆蓋層厚度越大；基巖層面上的外荷載越大，最小覆蓋層厚度也越大。

3.9 流固耦合理論數(shù)值模擬確定

經(jīng)典滲流力學(xué)一般假定流體流動的巖土體為剛性的多孔介質(zhì)，即在孔隙流體壓力變化后，固體骨架不產(chǎn)生任何彈塑性變形，即滲流的非耦合情況。在實(shí)際巖土工程中，巖土體和人造多孔固體如混凝土等大多為可變形體，隨著滲流過程中孔隙流體壓力的變化，將會出現(xiàn)兩個方面的影響。（1）隨著孔壓的變化將引起多孔介質(zhì)骨架有效應(yīng)力的變化，由此導(dǎo)致土體特性，如滲透率、孔隙度等的變化。（2）土體特性的變化又反過來影響孔隙流體的流動和壓力的分布。

可見，工程實(shí)際中有許多情況必須考慮孔隙流體在多孔介質(zhì)中的流動規(guī)律及其對多孔介質(zhì)本身的變形或者強(qiáng)度造成的影響，即考慮多孔介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力場與滲流場之間的相互耦合作用流。流固耦合理論的研究一般都是基于比奧Biot的三維固結(jié)理論開展的，只是選取了不同的多孔介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。比如彈塑性多孔介質(zhì)模型、黏彈性多孔介質(zhì)模型等；或者孔隙流體假設(shè)為多相流體或單相流體的差別（有的稱為非飽和多孔介質(zhì)或者飽和多孔介質(zhì)）。

對于流固耦合問題的數(shù)值求解，通常有兩種方法：有限差分法和有限單元法。

FLAC3D可以模擬流體通過可滲透固體的滲流，例如模擬地下水在土體中的滲流，而這一過程可以與力學(xué)計(jì)算無關(guān)，即單相滲流，也可以與力學(xué)建模并行完成，由此獲得流固耦合作用的效果。在數(shù)值方法中，流體范圍是被離散的節(jié)點(diǎn)六面體區(qū)域。力學(xué)區(qū)域的劃分同樣如此。在內(nèi)部，每一個區(qū)域被劃分為四面體，孔隙壓力和飽和度都被假設(shè)為是時變線性的節(jié)點(diǎn)變量。

4 蓉江四路章江隧道最小覆蓋層厚度的確定

4.1 前述各種方法確定

按經(jīng)驗(yàn)曲線、公式和工程類比確定的最小覆蓋層厚度，根據(jù)挪威經(jīng)驗(yàn)曲線，該隧道最小覆蓋層厚度應(yīng)為42 m左右。按日本最小涌水量法計(jì)算，本隧道最小覆蓋層厚度應(yīng)為18.7～31.5 m（從正常段到大跨段）。按簡易公式計(jì)算，應(yīng)為6.67～13.33 m（該法應(yīng)用較少，計(jì)算結(jié)果不作為參考）。按國內(nèi)頂水采煤的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，最小覆蓋層厚度應(yīng)為20.7～27.5 m（從正常段到大跨段）。公路隧道規(guī)范方法計(jì)算為38.48 m。普式壓力拱公式計(jì)算得出21.66~35.3 m。類比國內(nèi)同類型隧道，最小覆蓋層厚度為10.5～33 m。基本為隧道開挖寬度的1.0～2.0倍。

4.2 基于交通功能的需求最小厚度

根據(jù)章江兩岸接線道路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，章江隧道主線縱坡不應(yīng)大于5%，匝道縱坡不應(yīng)大于6%。根據(jù)交通功能需求，經(jīng)擬合隧道縱剖面，滿足隧道交通功能后所確定的隧道與水下最小覆蓋層厚度為10.0 m，拱頂覆巖為中風(fēng)化泥巖，隧道覆跨比僅為0.67，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)與難度較大。

4.3 基于注漿加固圍巖的流固耦合模擬計(jì)算

各種方法計(jì)算和功能需求確定的隧道最小覆蓋層厚度來看，兩者相差較大。因此，首先對滿足功能需求的覆蓋層厚度條件下采用注漿加固圍巖，重新進(jìn)行流固耦合模擬分析，判定注漿加固圍巖后的風(fēng)險(xiǎn)。最后在對采取工程措施所增加的費(fèi)用、隧道埋深減小導(dǎo)致隧道長度縮短所減少的費(fèi)用，以及由于隧道埋深改變引起的隧道兩端接線位置變化所造成的交通功能影響進(jìn)行綜合比較的基礎(chǔ)上，確定水下隧道的最小埋深。

據(jù)大量工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，預(yù)注漿加固能有效地對天然巖土體進(jìn)行加固和改良，而水下隧道同時采用了大管棚注漿與帷幕注漿技術(shù)對隧道開挖斷面進(jìn)行預(yù)加固，因此需考慮注漿加固對隧道覆蓋層厚度的影響。對于大斷面隧道，通常采用單層280 mm厚初期支護(hù)，分部開挖施工，根據(jù)地質(zhì)情況，通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行分析，施工期間存在塌方、涌水、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞及大變形等風(fēng)險(xiǎn)。采用CRD與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，各施工步驟保證初期支護(hù)封閉成環(huán)，單循環(huán)進(jìn)尺不超過3 m，控制收斂變形，計(jì)算時根據(jù)工法確定施工步序。采取φ108超前大管棚和φ42超前小導(dǎo)管等預(yù)支護(hù)措施，靜壓注漿水泥漿液，分別采用桿單元按管徑確定參數(shù)模擬，圍巖裂隙得到填充和改善。在采取工程技術(shù)措施后，隧道按滿足交通功能需求所確定的最小覆蓋層厚度，能滿足施工階段圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的要求[15]。結(jié)合模擬計(jì)算和工程實(shí)際案例，水下隧道最小覆蓋層厚度10 m是可行的。

按覆蓋層厚度減小最少的5 m計(jì)算，在相同接地點(diǎn)高程和縱坡情況下，隧道長度縮短了近400 m，按照水下隧道18萬元/m造價(jià)指標(biāo)估算，直接工程費(fèi)減少7 200萬元；隧道采用初期支護(hù)、超前支護(hù)和注漿加固等工程技術(shù)措施所增加的費(fèi)用約為1 200萬元。綜合比較，工程造價(jià)降低約6 000萬元。此外，按該法確定的隧道最小覆蓋層厚度，能夠滿足隧道兩岸的接線要求，并能充分發(fā)揮隧道的跨越和分流功能，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會環(huán)境效益也是非常顯著的。

采用FLAC3D模擬計(jì)算的方法（見圖7），從注漿加固后水壓和滲水量的關(guān)系確定蓉江四路越江隧道預(yù)注樁的注漿范圍，隧道加固范圍為開挖輪廓線外4 m，達(dá)到安全要求；研究了掌子面圍巖安全系數(shù)與注漿范圍和堵水效果的關(guān)系（見圖8）。

圖7 基于注漿加固的流固耦合計(jì)算

圖8 注漿圈厚度與安全系數(shù)關(guān)系圖

以基于注漿和排水費(fèi)用之和最小的原則（見圖9），4 m注漿圈達(dá)到兩者之和極小，由此得到的滲流模型計(jì)算得到隧道允許排放量，確定了蓉江四路越江隧道允許排放量，其平均值為0.35 m3/d，低于國外0.43 m3/d的排水量水平。

圖9 費(fèi)用與注漿圈厚度關(guān)系圖

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合蓉江四路越江隧道所處的實(shí)際條件，按目前國內(nèi)外常用的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法推算的覆蓋層厚度將無法滿足隧道的接線要求，難以發(fā)揮隧道的交通疏解功能。在進(jìn)行充分的調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上，提出了基于圍巖加固的流固耦合模擬計(jì)算和結(jié)合工程類比水下隧道最小埋深的確定方法。該方法的具體步驟如下:

（1）根據(jù)水下隧道工程兩岸的接線條件和線路的坡度初步確定隧道的最小覆蓋層厚度。

（2）采用注漿加固的流固耦合模擬數(shù)值計(jì)算方法分析該覆蓋層厚度條件下隧道施工過程的安全性。

（3）在以上分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算隧道埋深減小時為保證施工安全所增加的工程措施費(fèi)用，隧道埋深增加造成的隧道長度加長所增加的費(fèi)用，隧道埋深改變引起的隧道兩端接線位置的變化所造成的環(huán)境影響。在綜合比較的基礎(chǔ)上，確定水下隧道的最小覆蓋層厚度。

（4）在水下隧道施工中，注漿加固和防滲是減少流固耦合效應(yīng)影響的主要手段，且能最大程度上優(yōu)化水下隧道最小安全覆蓋層厚度。因此，有必要對水下隧道注漿施工工藝及其效果進(jìn)行控制，圍巖注漿效果將對優(yōu)化水下隧道最小安全覆蓋層厚度有重要意義。

（5）在工程實(shí)施階段，應(yīng)特別加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與實(shí)時監(jiān)控量測工作，相對普通鉆爆法隧道，應(yīng)加密監(jiān)測斷面，運(yùn)用信息化施工技術(shù)，全面掌控各類工序的施作時機(jī)。蓉江四路越江隧道工程的順利實(shí)施是在豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上完成的，本文提出的水下隧道最小覆蓋層厚度確定方法，是在成功案例上的一種提煉，類似工程能否直接采用本工程的相關(guān)參數(shù)，應(yīng)經(jīng)認(rèn)真斟酌分析后確定。