陳云娟，王樂寧，劉丞，潘傳瓊

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟(jì)南 250101；3.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東 濟(jì)南 250102；4.濟(jì)南魯建工程質(zhì)量檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250109）

0 引言

作為解決跨海交通問題的一種有效方式，海底隧道可以連接隔海地區(qū)的鐵路和公路干線，從而達(dá)到擴(kuò)展鐵路運輸網(wǎng)，提高鐵路運輸效能的目的。隨著我國工業(yè)技術(shù)的不斷提升，如廈門翔安海底隧道［1-3］、青島膠州灣海底隧道［4-7］等一大批海底隧道工程逐步建設(shè)完成。由于海底隧道環(huán)境復(fù)雜，且隧道上方有無限地下水補給，會使隧道處于高水壓狀態(tài)，同時圍巖裂隙不斷擴(kuò)展［8-9］，水的滲流路徑逐漸增多，一旦發(fā)生涌水將會帶來嚴(yán)重的安全問題。因此，除了做好防、排水［10-13］規(guī)劃外，選擇經(jīng)濟(jì)安全合理的開挖方式能夠極大地降低事故發(fā)生的概率。

目前，在海底隧道涌水量預(yù)測及滲流場分布規(guī)律方面，于麗等［14］通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，隧道排水時會改變洞周一定范圍內(nèi)的初始滲流場分布，其中圍巖滲透系數(shù)與圍巖局部滲流場變化情況呈正相關(guān)；YING等［15］基于保角映射技術(shù)，導(dǎo)出了地下水進(jìn)入半無限含水層中襯砌隧道的半解析解；朱成偉等［16］基于達(dá)西定律以及質(zhì)量守恒定律，采用保角變換法和疊加法推導(dǎo)了雙線平行隧道穩(wěn)態(tài)滲流場，獲得該問題的水頭分布以及隧道涌水量的解析解。同時，學(xué)者們還圍繞不同圍巖級別下隧道開挖的最優(yōu)工法展開了多項研究。漆泰岳等［17］以廣州地鐵6 號線東湖車站存車線渡線段隧道為例，采用數(shù)值模擬和實測相結(jié)合的研究手段，得到了適用于復(fù)雜斷面形式地鐵隧道的最優(yōu)工法，提出了有針對性的預(yù)加固措施；許金華等［18］以隧道洞周變形和結(jié)構(gòu)受力作為直觀、可行的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬驗證表明，采用三臺階＋預(yù)留核心土法施工的極破碎區(qū)域軟巖隧道，其循環(huán)進(jìn)尺L應(yīng)在1 ～2 m間合理選擇。

總體來看，目前學(xué)者關(guān)于工法轉(zhuǎn)換的研究大多基于同一圍巖級別下不同開挖工法的優(yōu)化對比［19-23］，且研究的關(guān)鍵點都集中于圍巖變形量或應(yīng)力應(yīng)變等常見參量，關(guān)于工法轉(zhuǎn)換對不同圍巖交接面處圍巖穩(wěn)定性的研究較少且參考對象較單一。實際工程中，由于圍巖級別轉(zhuǎn)換帶來的交界面滲水、拱頂垮塌等現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，文章結(jié)合實際工程，驗證多種涌水量解析式的合理性；同時從涌水量等其他角度對比不同工法轉(zhuǎn)換優(yōu)化方案結(jié)果，結(jié)合不同方案涌水情況的研究，獲得了工法轉(zhuǎn)換過渡段的最優(yōu)距離，提出了合理可行的工法轉(zhuǎn)換過渡段施工方法，以盡可能降低突涌水發(fā)生概率。

1 工程概況

汕頭灣海底隧道工程位于廣東省汕頭市濠江區(qū)和龍湖區(qū)境內(nèi)，單洞雙線設(shè)計，采用盾構(gòu)法＋礦山法的綜合施工方式，是世界上第一條列車速度達(dá)到350 km／h的高速鐵路海底隧道。

海底隧道穿越海域部分上覆海水深度最大達(dá)17.5 m，而隧道埋深最大則達(dá)88.98 m，且上方有無限水源補給。隧道選址所在的汕頭市瀕臨南海，有水汽來源豐富、降水強度大、降水量充沛等特點。海域段地表水以海水為主，且地下水潛水多以基巖裂隙水和第四系孔隙水為主，發(fā)育較充分。同時隧道海域段穿越了5 條斷裂帶，且均為活動斷裂帶。研究所選區(qū)段依次經(jīng)過微風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖，其中弱風(fēng)化花崗巖穩(wěn)定性極強、質(zhì)地較堅硬且?guī)r石整體性好，而強風(fēng)化花崗巖段巖體破碎程度很高、裂隙發(fā)育充分，這就導(dǎo)致由穩(wěn)定性極強的微風(fēng)化花崗巖施工至穩(wěn)定性差的強風(fēng)化花崗巖時容易出現(xiàn)交界面失穩(wěn)情況。

由于該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，普通圍巖與活動斷裂帶交錯分布，加上前期水文地質(zhì)勘探可能存在的測量誤差對破碎圍巖邊界判斷不準(zhǔn)確，實際施工現(xiàn)場在經(jīng)過不同圍巖級別交界面時，很容易出現(xiàn)突涌水現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 圍巖分級處突涌水現(xiàn)象

2 隧道滲流場與涌水量的理論研究

海底隧道始終處于穩(wěn)定滲流場中，水流穩(wěn)定且上方有無限水源補給，因此對海底隧道做如下假設(shè)［24］：

（1）假定隧道圍巖為均質(zhì)的、各向同性的等效連續(xù)介質(zhì)模型；

（2）海底隧道處于相對穩(wěn)定的滲流場中；

（3）隧道排水時襯砌能夠均勻滲水。

目前，越嶺隧道涌水量的相關(guān)研究已經(jīng)逐漸成熟，但在海底隧道涌水量方面依然沿用經(jīng)驗公式計算，如19世紀(jì)日本青函海底隧道采用了英法海底隧道調(diào)查事務(wù)所用的馬卡斯特經(jīng)驗解析式，其是目前海底隧道涌水量預(yù)測應(yīng)用最廣泛的公式。總結(jié)涌水量q常用的解析式見表1。其中，H為靜止水位至盾構(gòu)隧道圓心的距離，m；h為海水深度，m；h0為海床至隧道中心點的距離，m；k為隧道開挖面周圍巖體滲透系數(shù)，cm／s；r、d分別為隧道實際半徑和直徑，m；m為換算系數(shù)（取值為0.86）。

表1 常見的海底隧道涌水量經(jīng)驗公式表

選取汕頭灣海底隧道工程Ⅱ、Ⅳ級段海底隧道分別驗算，其圍巖滲透系數(shù)分別取4.63×10-5和1.15×10-4cm／s，所選區(qū)段上覆海水深度h為10 m、h0為75 m、H為85 m、r為7.34 m，代入表2 中公式求解得到的涌水量對比柱狀圖如圖2所示。

表2 隧道工法轉(zhuǎn)換段正交分析因素與水平設(shè)計表

圖2 不同解析式涌水量計算結(jié)果對比柱狀圖

根據(jù)圖2 分析可知，大島洋志式的解析結(jié)果整體偏小，與實際差距較大；鐵路規(guī)范經(jīng)驗式和馬卡斯特解析式的計算結(jié)果與工程實際勘測結(jié)果較接近，而馬卡斯特解析式的計算結(jié)果更偏向安全。由于海底隧道埋深大且上覆無限水體，隧道開挖極易遇到大量水體，因此建議采用更偏向安全的馬卡斯特解析式計算涌水量結(jié)果，以充分保證隧道施工安全，及時做好防排水措施，盡可能降低突涌水帶來的影響。

3 隧道工法轉(zhuǎn)換段優(yōu)化方案及計算模型

3.1 隧道工法轉(zhuǎn)換段優(yōu)化方案

基于正交分析法開展試驗研究，選擇工法轉(zhuǎn)換過渡段整體長度（因素1）、過渡段開挖方式（因素2）及過渡段的單個進(jìn)尺長度（因素3）等3個因素進(jìn)行正交分析，綜合其他研究共設(shè)置正交試驗的3 個水平。正交分析因素與水平設(shè)計見表2。以三臺階法為例，上述各因素示意圖如圖3所示。

圖3 工法轉(zhuǎn)換過渡段各因素示意圖

所選模擬區(qū)段共開挖40 m，其中Ⅱ級圍巖為20 m，進(jìn)洞時采用全斷面開挖，依據(jù)實際工程取開挖進(jìn)尺為4 m／d，出洞時根據(jù)優(yōu)化方案開挖；Ⅳ級圍巖段為20 m，進(jìn)、出洞均依據(jù)實際工程采用三臺階開挖，臺階進(jìn)尺取2 m／d，各個方案具體開挖情況見表3。

表3 隧道工法優(yōu)化試驗方案表

3.2 數(shù)值模型的建立

以礦山法施工的隧道海域段為研究背景，根據(jù)真實地質(zhì)情況建立三維仿真模型。選取汕頭灣海底隧道里程標(biāo)號DK161＋400 ～DK161＋440 段作為主要研究對象，同時應(yīng)用有限元軟件FLAC3D 運算。FLAC3D視巖體為等效連續(xù)介質(zhì)，實現(xiàn)了流體計算與力學(xué)計算的耦合，并通過其自有內(nèi)置命令設(shè)置水面位置真實模擬海平面。

3.2.1 模型尺寸

所選區(qū)段h為10 m、h0為75 m，具體研究區(qū)段模型總尺寸為40 m×80 m×100 m，其中隧道總長度為40 m，利用犀牛軟件建立三維模型后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行流固耦合計算。隧道依次穿越微風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖，其中Ⅱ、Ⅳ級隧道段各占20 m，隧道具體尺寸及斷面形狀如圖4 所示。整體模型及所選區(qū)段模型如圖5所示。

圖4 隧道具體尺寸及斷面形狀圖

圖5 整體模型及所選區(qū)段三維圖

3.2.2 模型計算信息

整體模型地層采用實體單元，同時在模型上方10 m處建立等同于海平面作用的水面，能夠直接將海水體作用以孔隙水壓力的形式施加至海床。初期支護(hù)的噴射混凝土與二次襯砌均設(shè)置為實體單元，應(yīng)用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性本構(gòu)模型，符合Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。其中，由于防水板尺寸與隧道襯砌厚度相比較小，實際建模時與初期支護(hù)噴射混凝土同步設(shè)置；Ⅳ級圍巖段的超前小導(dǎo)管及超前中管棚采用Cable單元。

計算過程中對模型的四周及底面邊界設(shè)置法向約束固定位移邊界，模型四周及底面均設(shè)置為不透水邊界。

3.3 參數(shù)選取

依據(jù)初期對汕頭灣海底隧道2＃斜井現(xiàn)場圍巖的實際測量結(jié)果，參考不同風(fēng)化程度花崗巖的多種力學(xué)參數(shù)范圍，取相應(yīng)地層力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 地層力學(xué)參數(shù)信息表

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，圍巖初期支護(hù)采用噴射混凝土及鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，錨桿依據(jù)工程實際情況按需搭設(shè)（可不搭設(shè)），海底隧道防水板全環(huán)搭設(shè)，二次襯砌采用C50鋼筋混凝土，各個支護(hù)參數(shù)見表5。

表5 圍巖支護(hù)參數(shù)信息表

4 工法優(yōu)化方案結(jié)果分析

4.1 不同試驗條件下的過渡段涌水量分析

4.1.1 圍巖交界面涌水量情況

隧道不同級別圍巖交界面涌水穩(wěn)定情況是檢驗工法轉(zhuǎn)換過渡段有效程度的一個重要指標(biāo)，因此在不同級別圍巖交界面處襯砌背后設(shè)置環(huán)向不同監(jiān)測點，如圖6所示，其中垂直于平面向內(nèi)的為Ⅱ級圍巖，而垂直于平面向外的為Ⅳ級圍巖。

圖6 圍巖交界面涌水量測點布置圖

FLAC3D軟件提供了兩種方法用于用戶實現(xiàn)自定義開發(fā)本構(gòu)模型程序：（1）使用該程序內(nèi)置編程語言FISH對變量、數(shù)組和函數(shù)等進(jìn)行命令控制，可以借助該方法導(dǎo)入涌水量相關(guān)公式以獲取全局涌水量；（2）使用語言編程軟件和部署開發(fā)環(huán)境自定義模型程序的研制，通過調(diào)用命令加載成功編譯的動態(tài)鏈接庫文件（dll 文件）以實現(xiàn)本構(gòu)模型的應(yīng)用。文章通過編寫FISH語言，引入Extra 自定義涌水量，編譯馬卡斯特解析式分別得到不同試驗條件下（試驗分組見表3）圍巖分級界面4個監(jiān)測點的涌水量，對每個子試驗組的涌水量均值對比如圖7所示。

圖7 各試驗組交界面涌水量柱狀圖

由圖7可知，隨工法轉(zhuǎn)換段總長度的增加，涌水量范圍出現(xiàn)明顯下降。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)換段長度為10和12 m時，界面涌水量最小值較8 m 時分別下降了16.7%和9.8%。對比同組試驗結(jié)果，開挖方式為三臺階時隧道內(nèi)的界面涌水量相對小于其余兩種開挖方式，但各個試驗組內(nèi)每延米的界面涌水量最大值與最小值差值基本≤1 m3／d，即認(rèn)為差距較小，現(xiàn)場可以根據(jù)施工需求自主選擇開挖方式。

4.1.2 工法過渡區(qū)段涌水量情況

工法轉(zhuǎn)換過渡段整體涌水量云圖能夠直觀反映隨開挖進(jìn)行不同位置的涌水量變化情況，在FLAC3D中編寫FISH語言引入Extra自定義涌水量即可得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)云圖。計算區(qū)段隧道襯砌背后的涌水量云圖如圖8～10所示。

圖8 試驗1組過渡段涌水量云圖

圖10 試驗3組過渡段涌水量云圖

由圖8～10 可以看出，涌水量較大位置一般出現(xiàn)在隧道的拱底及邊墻處。其中，試驗1 組涌水量最大值出現(xiàn)在試驗1-3中，而最小值出現(xiàn)在試驗1-2中，其最小值約降低了3.3%；試驗2 組涌水量最大值出現(xiàn)在試驗2-3 中，而最小值出現(xiàn)在試驗2-2中，其最小值約降低了2.8%；試驗3 組涌水量最大值出現(xiàn)在試驗3-1 中，而最小值出現(xiàn)在試驗3-2中，其最小值約降低了2.3%。

綜合9 種試驗結(jié)果可以看出，工法轉(zhuǎn)換過渡段長度由8 m變至10、12 m時，其過渡段上的涌水量最大值分別降低了6.3%、5.8%，即轉(zhuǎn)換過渡段總長度約為10 m時，涌水量整體降低幅度最大；轉(zhuǎn)換段總長度＞10 m時，涌水量降低幅度趨于平穩(wěn)。

4.2 優(yōu)化方案的各因素顯著性結(jié)果分析

直觀分析工法轉(zhuǎn)換過渡整體長度、過渡段開挖方式及過渡段的單個進(jìn)尺長度3 種因素影響程度。重新定義參數(shù)Δh為不同級別圍巖交界面前、后拱頂差值，監(jiān)測結(jié)果能夠直觀反映經(jīng)過不同圍巖級別交界面時圍巖的穩(wěn)定情況，并依此反映工法過渡段圍巖穩(wěn)定性效果。分別監(jiān)測拱頂差值及交界面前、后1 m 范圍內(nèi)環(huán)向涌水量Q，其正交試驗結(jié)果見表6。

表6 拱頂差值及涌水量Q正交試驗結(jié)果表

從表6可以看出，當(dāng)工法轉(zhuǎn)換過渡段為10 m時，拱頂沉降差值最小，可以認(rèn)為工法轉(zhuǎn)換過渡段總長度為10 m，即施工經(jīng)過圍巖分級界面時，隧道圍巖整體穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生過大突變；基于相同轉(zhuǎn)換過渡段長度對比來看，三臺階開挖的穩(wěn)定性優(yōu)于二臺階開挖，全斷面次之，但3種開挖方式整體差異不大。通過表6中涌水量結(jié)果可以看出，當(dāng)工法轉(zhuǎn)換過渡段在10 m時，其圍巖交界面前、后1 m范圍內(nèi)的涌水量普遍小于其余試驗組，涌水量Q的最大值出現(xiàn)在試驗1-3中，涌水量單日內(nèi)每延米最大值約為12.38 m3。整體來看，轉(zhuǎn)換過渡段約為10 m時，圍巖交界面處涌水量降低的效果較好，相較于轉(zhuǎn)換段總長度為8 m的試驗組涌水量結(jié)果均值降低了10.5%，當(dāng)轉(zhuǎn)換段總長度＞10 m時，對涌水量結(jié)果改善不明顯，與轉(zhuǎn)換段總長度為10 m的試驗組相比僅降低了3.2%；對比工法轉(zhuǎn)換段長度相同的同組試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開挖方式由全斷面變?yōu)槿_階時其涌水量結(jié)果略有增大。

根據(jù)表6 正交試驗結(jié)果，采用直觀分析法（又稱極差分析法）進(jìn)行分析，可以判斷某一因素對指標(biāo)的影響程度。根據(jù)表2 中設(shè)計的正交試驗水平，分別計算各因素第i水平下（i＝1，2，3）的各指標(biāo)數(shù)值之和Kij（為判斷拱頂沉降差值Δh影響大小的數(shù)學(xué)指標(biāo)）、Kiz（為判斷涌水量Q影響大小的數(shù)學(xué)指標(biāo)），兩個指標(biāo)極差分析結(jié)果見表7、8。同試驗組Ki最大值與最小值的差值稱為極差Ri，極差值越大對應(yīng)因素的影響程度越大。

表7 拱頂沉降差值Δh極差分析結(jié)果表

表8 涌水量Q極差分析結(jié)果表

根據(jù)表7、8可以看出，因素1對于指標(biāo)Δh及Q的影響程度最大，因素2、3 的影響均不大，可以認(rèn)為，因素1即工法轉(zhuǎn)換過渡段長度是影響工法轉(zhuǎn)換段有效程度的主要因素，因素2、3 次之。分別對比兩個指標(biāo)下3個因素及誤差的極差值發(fā)現(xiàn)，3個因素的極差值均大于誤差極差值，即試驗效果合理顯著。

為了評價各個因素對工法轉(zhuǎn)換段有效性的影響程度，基于正交試驗的直觀數(shù)據(jù)展開方差分析，進(jìn)一步評判各個因素對研究目標(biāo)的影響顯著程度。方差分析表見表9。其中，當(dāng)n＝2 時，F(xiàn)0.9（2，2）＝9、F0.95（2，2）＝19、F0.99（2，2）＝99，即F＜F0.9（2，2）時該因素影響不顯著，F(xiàn)0.9（2，2）＜F＜F0.95（2，2）時該因素影響一般顯著，F(xiàn)0.95（2，2）＜F＜F0.99（2，2）時該因素影響比較顯著，而F0.99（2，2）＜F時該因素影響非常顯著。

表9 拱頂差值Δh及涌水量Q最大值正交試驗方差分析結(jié)果表

根據(jù)表7數(shù)據(jù)可知，工法轉(zhuǎn)換過渡段長度對圍巖交界面前后拱頂沉降量差值影響比較顯著，而開挖方式及單個開挖進(jìn)尺的影響不顯著；工法轉(zhuǎn)換過渡段長度和方式對圍巖交界面前、后1 m 范圍內(nèi)涌水量Q影響比較顯著，而單個開挖進(jìn)尺的影響不顯著。

整體來看，工法轉(zhuǎn)換過渡段總長度會對工法轉(zhuǎn)換過渡段圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，結(jié)合4.1節(jié)已有結(jié)論可以認(rèn)為，工法轉(zhuǎn)換段總長度＜10 m時效果一般，約為10 m時對過渡段圍巖穩(wěn)定性改善效果較好，過渡段長度＞10 m時一般不出現(xiàn)對圍巖穩(wěn)定性的較大幅度改善，因此可以認(rèn)為過渡段長度為10 m時能夠得到較好的施工效果。此外，研究發(fā)現(xiàn)開挖方式及開挖進(jìn)尺對工法轉(zhuǎn)換過渡段圍巖穩(wěn)定性影響不大，可以充分考慮就工程經(jīng)濟(jì)及施工進(jìn)度進(jìn)行選擇。

5 結(jié)論

根據(jù)上述研究可知：

（1）與大島洋志式、鐵路規(guī)范經(jīng)驗式相比，馬卡斯特解析式涌水量預(yù)測結(jié)果更偏向安全，實際工程可以參考馬卡斯特解析式結(jié)果；同時，調(diào)用FISH 函數(shù)編譯涌水量公式發(fā)現(xiàn)，海底隧道涌水量最大值普遍出現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)的左、右邊墻處，仰拱及拱底可能產(chǎn)生的涌水量相對較小。

（2）當(dāng)工法轉(zhuǎn)換過渡段長度由8 m 變至10、12 m時，其過渡段上的涌水量分別降低了6.3%、5.8%，即轉(zhuǎn)換過渡段總長約為10 m 時，整體涌水量降低，而＞10 m時，其降低程度趨于平穩(wěn)。

（3）工法轉(zhuǎn)換段總長度＜10 m對圍巖交界面處的圍巖穩(wěn)定性改善效果一般，而＞10 m 對圍巖交界面處的圍巖穩(wěn)定性改善效果較好。

（4）對涌水量及隧道交界面前后圍巖變形量差值兩個指標(biāo)分別進(jìn)行方差分析后發(fā)現(xiàn)，工法轉(zhuǎn)換過渡整體長度、過渡段開挖方式及過渡段的單個進(jìn)尺長度3個因素對工法轉(zhuǎn)換段效果均有一定影響，其中工法轉(zhuǎn)換過渡段長度對工法轉(zhuǎn)換段效果的影響顯著。