厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究

岩石力学与工程学报 Vol.27 No.5

2008年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2008

厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究

陈卫忠1，于洪丹1，郭小红2，卢海峰1，贾善坡1，伍1

(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；

2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

摘要：厦门东通道海底隧道是一项规模宏大的跨海工程，是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道，也是中国第一座采用钻爆法修建的大断面水底隧道，工程于2007年下半年由陆域进入施工难度最大、最危险的海域部分，其中的海底风化槽地段采用CRD工法进行施工，隧道开挖、支护过程中围岩和支护结构的受力和变形特征广为人们所关注，因此对于该段隧道稳定性的研究具有重要意义。应用大型有限元软件ABAQUS，依据流固耦合理论，对翔安隧道风化槽段隧道CRD工法的施工过程进行了三维动态仿真数值模拟，研究隧道施工过程中围岩的应力场、位移场、外水压力分布规律以及支护结构受力情况和衬砌外水压力的分布规律，研究成果为该隧道施工和同类工程建设提供了理论依据和实践经验。 关键词：海底隧道；CRD工法；流固耦合；有限元模拟

中图分类号：U 459.5；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)05–0873–12

STUDY ON STABILITIES OF SURROUNDING ROCKS THROUGH

WEATHERED SLOT IN XIAMEN SUBSEA TUNNEL

CHEN Weizhong1，YU Hongdan1，GUO Xiaohong2，LU Haifeng1，JIA Shanpo1，WU Guojun1

(1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of

Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China；2. CCCC Second Highway Consultants Co.，Ltd.，Wuhan，

Hubei 430056，China)

Abstract：East passageway of Xiamen subsea tunnel is a huge sea-crossing project. It is a significant route connecting Xiamen island with Xiang′an city. Furthermore，it is the first large cross-section subsea tunnel in China，which is constructed with drill and blasting method. The construction will go through the most unfavorable strata and the most difficult construction was found in the latter half year of 2007. The CRD method is used to excavate the weathered slot. The mechanical behaviors and deformational characteristics of the supporting structures and host rock during the tunnel excavation are highly focused on recently. From the characteristics of the excavation，based on the hydro-mechanical coupling theory，the CRD construction process in the weathered slot is simulated with finite element software ABAQUS. The distributions of stresses，external water pressures and displacements in the host rock，the distributions of stresses in the supporting structures，the external water pressures of initial lining during the CRD construction process are analyzed. The obtained results from the research work are useful for the tunnel construction，and it will provide references to other projects in practice. Key words：subsea tunnel；CRD construction method；fluid-solid coupling；finite element simulation

收稿日期：2007–10–12；修回日期：2008–01–02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50579087，90510019)；国家自然科学基金委重大国际合作项目(50720135906)；中交集团科技资助项目

作者简介：陈卫忠(1968–)，男，博士，1990年毕业于山东矿业学院采矿工程专业，现任研究员、博士生导师，主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：wzchen@whrsm.ac.cn

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1 引 言

从20世纪30年代起，一些发达国家就开始修建海峡海底隧道，现在建成海峡海底隧道的国家有日本[1]、挪威[2]、英国和法国[3]等。目前中国正在规划或建设的海峡隧道有琼州海峡隧道[4]、厦门翔安海底隧道[5]及青岛—黄岛的海底隧道[6]等。

厦门翔安海底隧道及两岸接线工程位于福建省厦门地区，是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道，兼具高速公路和城市道路双重功能。该隧道长5.948 km，两岸接线长2.747 km。该隧道工程穿越深海地段2 860 m，潮间带1 0 m，陆域地段1 8 m，隧道最深处在海平面以下约70 m，设计为两孔三车道隧道，并在两主隧道之间修建一条服务隧道，采用钻爆法修建。

厦门翔安海底隧道于2005年9月6日开工建设，预计将于2008年完成土建工程，2009年年底通车。隧道施工目前进展顺利，已完工隧道总进度超过40%。翔安隧道的施工于2007年下半年由路域隧道进入难度最大最危险的海域部分。该部分施工要穿过海底4条宽50～160 m与海水相通的构造风化深槽[7

，8]

，是该隧道施工中最困难的部分。该

段隧道施工过程中的衬砌、围岩及临时支护的力学特征以及施工阶段的水害防治为人们所广泛关注。海域风化槽地段施工所面临的主要问题就是水害，包括施工过程中的突涌水事故和运营过程中的渗漏水。事实上，海底隧道施工中的突涌水事故多发生在不良地质段及地层结构界面，地层过度变形引起地层开裂以及地层坍塌诱发海水涌入等。若技术设施不到位

[9～11]

，极易发生坍塌、突水事故。因此对

于该段隧道的研究具有十分重要的意义。

根据厦门翔安海底隧道风化槽地段的地质与施工特点，本文应用流固耦合理论，研究CRD工法时，隧道施工过程中围岩和衬砌外水压力的变化过程以及围岩和衬砌的受力特征及工程超前支护的效果。

2 厦门海底隧道风化槽段工程概况

2.1 工程地质条件

根据地质勘查情况隧道主要穿越第四系覆盖层及燕山期侵入岩两大类地层[11

～13]

。隧道洞口陆地及

浅滩约有1 100 m位于全强风化地段，又处于地下

水位以下，海域隧道地段存在多处风化深槽，岩体主要为全、强风化花岗岩，每50～100 m，静水压力0.5～0.7 MPa。在海域内，左线有10处以上位于风化槽地段，其中有3处在风化槽内穿过；右线有9处以上位于风化槽地段，其中有4处在风化槽内穿过。风化槽地段围岩条件较差，一般为IV，V级围岩。厦门翔安海底隧道围岩及结构材料基本物理力学参数如表1所示。洞口段为第四纪残积土和全强风化花岗岩属IV，V级软弱围岩，为保证施工的安全采用CRD工法[14

，15]

。具体长度为：左

线长度1 405 m，右线长度1 350 m。

表1 厦门翔安海底隧道围岩及结构材料基本物理力学参数 Table 1 Basic physico-mechanical parameters of surrounding

rocks and structures for Xiamen Xiang′an subsea tunnel

围岩及结构 E/GPa

μ

γ/(kN·m－

3)

c/MPa ϕ/(°)

弱风化槽 25.0 0.2925 0.36 50.0强风化槽 1.0

0.46

19 0.29

30.0

喷射混凝土 25.0 0.1725 2.35 57.0二次衬砌

30.0 0.20

25

2.38 58.7

2.2 水文地质条件

根据地下水含水层所处的位置不同，场区地下水可分为陆域地下水和海域地下水两大类。陆域地下水据其赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水3种，均为潜水。陆域地下水主要受大气降水的补给，就近向低洼地段排泄，总体上属于潜水，仅局部洼地(如隧道出口处)因上覆土层中含大量高岭土的黏土相对隔水层。地下水具承压性，但承压水头是变化的，干旱季节承压转为无压。海域地下水据其赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水3种。海域地下水主要受海水的垂直入渗补给。翔安海底隧道风化槽的分布如图1所示。计算过程中模拟海域隧道施工进口段，海水深度为20 m。

3 强风化槽段施工过程动态仿真模拟

3.1 厦门海底隧道强风化槽段CRD施工方法

按照有关设计方案，海底强风化槽地段，将采用CRD工法进行施工(见图2)。CRD工法是日本在吸取欧洲CD工法[16]的基础上，将CD工法中先挖中壁一侧改为两侧交叉开挖，步步封闭成环。结构受力均匀，围岩变形小，地面沉降小。厦门海底隧

第27卷 第5期 陈卫忠，等. 厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究 • 875 • 强风化槽 弱风化花岗岩 图1 厦门翔安海底隧道风化槽位置图 Fig.1 Location of weathered slots for Xiamen Xiang′an subsea tunnel 图2 CRD工法施工示意图 Fig.2 Schematic diagram of CRD construction process 道海底部分施工应用新奥法原理，在注浆小导管和长管棚超前支护作用下，采用CRD工法施工。注浆小导管和长管棚采用全断面(帷幕)超前预注浆施工(见图3)[17]。每次循环超前预注浆共设置105个注浆孔；注浆孔前段安设φ 76 mm×4 mm套管；套管段采用φ 80 mm钻头成孔，后续注浆段采用φ 60 mm钻头成孔；注浆液采用超细水泥浆液(w/c = 1.0～1.5)，浆液配合比应在实际施工中根据注浆效果及时调整；注浆压力应以中压为主，一般采用2.5～4.0倍静水压力。 图3 全断面(帷幕)超前预注浆立面示意图[17](单位：m) Fig.3 Schematic diagram of full section(curtain) with

advanced pregrouting[17](unit：m)

隧道强风化深槽段注浆压力采用1.7～2.6 MPa

。初期支护由φ 32 mm中空注浆锚杆、双层钢筋网、喷射混凝土、工字钢钢拱架组成，结合超前小导管和长管棚，模筑钢筋混凝土作为二次衬砌，初期支护与二次衬砌之间设防窜流防水板作为防水层。初期支护全部完成封闭后，再施作二次衬砌的仰拱和填充，最后分段拆除临时支护，一次灌注二次衬砌混凝土。仰拱部分的φ 32 mm中空注浆锚杆，L = 350 cm，纵环向间距75 cm(纵)×150 cm(环)，梅花形布置，其余φ 32 mm中空注浆锚杆，L = 400 cm，纵环向间距75 cm(纵)×100 cm(环)，梅花形布置；初期支护采用30 cm厚C25喷射混凝土、φ 8 mm钢筋网(间距20 cm×20 cm)、20b工字钢(间距100 cm)；预留变形量12 cm；防水层采用2 mm厚防窜流PVC防水板；二次衬砌采用70 cm厚C45高性能耐腐蚀钢筋混凝土(见图2)。 3.2 有限元模型 在模拟风化槽CRD工法施工时，本次模拟隧道开挖48 m，穿越弱风化槽段的总长度为18 m，穿越强风化槽段总长度为30 m，模型共划分57 040个单元，如图4，5所示。围岩与衬砌单元采用八节点流固耦合实体单元模拟，锚杆以及钢支撑采用梁单元模拟。超前注浆区域如图4所示，模拟过程中采用改变该区域材料属性来实现超前注浆。CRD工法施工断面开挖布置情况如图2所示，每步开挖后初期支护通过初次衬砌和临时钢支撑封闭成环，开挖和支护循环进尺为2 m，循环进尺台阶为10 m，如图5所示。整个模拟过程共分为35步，第1步是进行地应力平衡；第2步是进行弱风化槽段隧道的开挖，该段隧道开挖长度为9 m，采用全断面开挖同时施作支护；然后进入到强风化槽段隧道的施工，即进行CRD工法施工。具体开挖和支护施工顺序如下：

(1) 施作超前注浆小导管和长管棚，根据现场试验结果，在模拟时采取提高c，ϕ值同时降低渗透系数K的方法来进行模拟，具体将围岩c值提高

• 876 • 岩石力学与工程学报 2008年

弱风化岩层

初次衬砌 二次衬砌 预留变形 超前注浆区域 临时钢支撑1246关键点 3锚杆 5 强风化岩层

图4 有限元分析模型

Fig.4 Finite element model used in calculation

次衬砌和临时钢支撑封闭后，开始R部，即CRD3部的开挖；C部的开挖同时进行，并施作初次衬砌、锚杆和临时钢支撑，初次衬砌和临时钢支撑形成封闭环。

(5) 当R部，即CRD3部开挖10 m，且初次衬砌和临时钢支撑封闭后，开始D部，即CRD4部的开挖；C部、R部的开挖同时进行，并施作初次衬

图5 CRD法施工CRD1部推进到33 m及断面布置示意图

(单位：m)

Fig.5 Schematic diagram of CRD construction process and

cross-sections when CRD1 is advancing 33 m ahead (unit：m)

砌、锚杆和临时钢支撑，初次衬砌和临时钢支撑形成封闭环。

(6) 在开挖支护完成时，临时钢支撑暂不拆除，待施工二次模筑混凝土衬砌时再分段拆除。仿真时，采取施作二次衬砌的同时拆除临时钢支撑。

20%，即1.2 GPa，ϕ值增加到35°，渗透系数K由1.5×106 m/s降低到1.5×107 m/s。

－

－

4 数值仿真结果

通过对厦门翔安海底隧道风化槽地段施工过程的三维数值仿真，施工过程中围岩与衬砌的受力、变形特征及外水压力呈现以下特点。 4.1 围岩与初期支护应力场 4.1.1 围岩应力场

CRD工法在施工过程中不断改变岩土体的应力场，围岩的变形也随之不断发生变化。围岩的变形将导致地层应力与衬砌结构受力状况的改变，隧道围岩及开挖面前方一定范围内围岩主应力也随之

(2) 开挖C部上部，即如图5所示CRD1部，同时施作初次衬砌、锚杆和临时钢支撑，初次衬砌和临时钢支撑封闭成环。

(3) 当C部上部，即CRD1部开挖10 m时，且初次衬砌和临时钢支撑封闭后，开始C部下部，即CRD2部的开挖；CRD1部的开挖同时进行，并施作初次衬砌、锚杆和临时钢支撑，初次衬砌和临时钢支撑形成封闭环。

(4) 当C部下部，即CRD2部开挖10 m，且初

第27卷 第5期 陈卫忠，等. 厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究 • 877 •

出现较大的变化。由于CRD工法的复杂性，围岩的应力变化规律用主应力云图和主应力变化曲线来进行说明。

图6，7分别给出CRD1部推进到33 m时B-B断面(见图5)围岩的最大和最小主应力分布云图。从图中可以看出：拱顶和左侧拱腰产生了应力集中，最小主应力值为－4.8 MPa，横向临时钢支撑中部的围岩出现了较小的拉应力，最大主应力值为0.2 MPa；伴随着施工的进行，在CRD2部未推进到B-B断面前，断面应力分布情况变化不大，一旦CRD2部及以后的CRD3，4部推进到该断面位置，该断面的应力分布将发生显著变化。

图6 B-B断面围岩最大主应力分布云图(单位：Pa) Fig.6 Nephogram of maximum principal stresses of

surrounding rock of cross-section B-B (unit：Pa)

图7 B-B断面围岩最小主应力分布云图(单位：Pa) Fig.7 Nephogram of minor principal stresses of surrounding

rock of cross-section B-B(unit：Pa)

为更好地反映应力在施工过程中的变化情况，图8～11给出了A-A，B-B断面围岩关键点主应力变化曲线。以B-B断面两主应力图为例，关键点1(见图4，各断面关键点位置相同)的曲线即拱顶应力变化曲线，由这两条曲线可以看到：

－200

6－400 aP－600k 21/力3应－800 主4大 最－1 000 1 2—单元48321 5－1 200 3—单元48285 4——单元单元48357 48381 －1 400

56——单元单元48433 48409 051015

20 25 30 30开挖步

图8 A-A断面围岩关键点最大主应力变化

曲线

Fig.8 Variation curves of key points′ maximum principal

stresses of cross-section A-A in surrounding rock during excavation

1—单元48321

－ 900 2—单元48285 3—单元48357 －1 000 4—单元48381 5—单元48433 aP－1 100

6—单元48409 1k2/力－应 1 2006主小－ 1 3003最－ 1 4004－ 1 5005－ 1 600

0

5

10

15 20 25 30 30

开挖步

图9 A-A断面围岩关键点最小主应力变化

曲线

Fig.9 Variation curves of key points′ minor principal stresses

of cross-section A-A in surrounding rock during excavation

－200 12——单元单元2016620130 －400 34——单元单元2020220226 2 6 aPk－600 56——单元单元20278202 3/力应 主大－800 最5－1 000 4－1 2001 051015 20 25 30 30 开挖步

图10 B-B断面围岩关键点最大主应力变化 曲线

Fig.10 Variation curves of key points′ maximum principal

stresses of cross-section B-B in surrounding rock during excavation

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－800 －1 000 3 aPk－1 200/ 6 力应主－1 400 2 1—单元20166 1小－1 600 2—单元20130 5最 3—单元20202 4－1 800 4—单元20226 5—单元20278 －2 000 6—单元202 0 5 10 15

20 25 30 35

40

开挖步

图11 B-B断面围岩关键点位置最小主应力变化曲线 Fig.11 Variation curves of key points′ minor principal stresses

of cross-section B-B in surrounding rock during excavation

(1) 施工过程中，B-B断面拱顶处主要承受压应力，CRD1部向前推进到B-B断面后方3 m的施工过程(即模型总长度的21 m处，最初9 m为弱风化槽段，进行的是全断面开挖，然后进行CRD工法的施工，CRD1部向前推进12 m，此时CRD2部推进2 m，CRD3，4部尚未施工)，对B-B断面拱顶主应力影响不是很大，B-B断面拱顶主应力曲线斜率较小。

(2) CRD1部由B-B断面后方3 m推进到B-B断面前方5 m的施工过程，对B-B断面拱顶主应力影响显著，B-B断面拱顶最大主应力由－0.683 MPa迅速减小至－1.100 MPa，最小主应力由－0.8 MPa迅速减小至－1.360 MPa。

(3) 此后，由于初期支护的作用及CRD2部的空间位置在C部的下部，在CRD3部施工未到达该断面前，施工并没有使拱顶主应力变化曲线形状发生剧烈变化，该过程中，B-B断面拱顶最大主应力先由－1.100 MPa降至最小值－1.170 MPa，尔后增加至－1.130 MPa，但是最小主应力由－1.360 MPa降至－1.590 MPa。

(4) 当CRD3部施工经过B-B断面，B-B断面拱顶主应力曲线发生剧烈变化，CRD3部由B-B断面后方3 m推进到断面前方5 m的施工对B-B断面拱顶主应力影响最为显著，拱顶主应力迅速增大。在施工中，B-B断面拱顶最大主应力由－1.130 MPa增大至－0.500 MPa，最小主应力由－1.650 MPa增大至－1.480 MPa。

(5) CRD4部的施工由于其空间位置和初期支护的作用对B-B断面拱顶主应力的影响很小，B-B断面拱顶主应力变化曲线斜率较小。

(6) 强风化槽段开挖及初期支护完成后，施作二次衬砌的同时拆除临时钢支撑，此时B-B断面拱顶主应力变化显著，最大主应力由－0.490 MPa减小至－0.660 MPa，最小主应力由－1.500 MPa增大至 －1.400 MPa。

(7) 关键点6的曲线即拱底应力变化曲线，由这两条曲线还可以看到：当CRD1部施工经过B-B断面时，并没有对B-B断面拱底主应力产生剧烈影

响，B-B断面拱底最大主应力在施工中几乎匀步增长，且增长缓慢，整个施工过程中，B-B断面最大主应力由最初的－1.140 MPa逐步增大到－0.330 MPa；施工对B-B断面拱底最小主应力影响很小，拱底最小主应力曲线几乎水平，最小主应力保持在

－1.200 MPa

左右；另外，由于二次衬砌的施作，使

B-B断面最大主应力减小，最小主应力增大。

(8) 关键点2，3的曲线即左右两侧拱腰处的主应力变化曲线，由左侧拱腰变化曲线看到：在CRD1部由B-B断面后方3 m推进到断面前方5 m的过程中，B-B断面左侧拱腰应力曲线变化显著，最大主应力由－0.990 MPa迅速增大到－0.430 MPa，而最小主应力－1.570 MPa增大到－1.240 MPa；此后B-B断面主应力变化较小，曲线较平缓，只有在二次衬砌施作后发生变化，而最大主应力由－0.480 MPa减小至－0.670 MPa，此时最小主应力由－1.350 MPa增大至－1.270 MPa；由右侧拱腰变化曲线可以看到：在CRD3部由B-B断面后方3 m推进到断面前方5 m的过程中，B-B断面右侧拱腰应力曲线发生变化显著，最大主应力由－0.570 MPa迅速减小到

－0.800 MPa，而最小主应力－1.150 MPa减小到

－1.610 MPa；在

CRD4部由B-B断面后方3 m推进

到断面前方5 m的过程中，B-B断面右侧拱腰应力曲线发生变化显著，最大主应力由－0.910 MPa迅速增大到－0.410 MPa，而最小主应力－1.510 MPa增大到－1.420 MPa。

(9) 关键点4，5的曲线，即B-B断面左右拱脚处的主应力变化曲线。由B-B断面左侧拱脚的变化曲线可以看到：在开始施工的过程中，B-B断面左侧拱脚的最大主应力逐渐增大，最小主应力变化较小；在CRD2部由B-B断面后方3 m向前推进到断面前方5 m的过程中，B-B断面左侧拱脚处主应力曲线变化较大，最大主应力由－0.670 MPa减小到

－0.760 MPa，最小主应力由－1.190 MPa减小到

－1.680 MPa，此后

B-B断面左侧拱脚处主应力变

化较小；由B-B断面右侧拱脚的变化曲线可以看到：

第27卷 第5期 陈卫忠，等. 厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究 • 879 •

在CRD4部施工未达到B-B断面前，右侧拱脚最大主应力逐渐增大，当CRD4部施工到B-B断面处，使B-B断面右侧拱脚处的最大主应力继续增大，在继续施工5 m后，B-B断面右侧拱脚处的最大主应力达到最大值，此后逐渐减小；由最初施工到CRD4部推进到B-B断面后方3 m的整个过程中对拱脚右侧最小主应力影响很小，该过程右侧拱脚的最小主应力曲线几乎水平，保持在－1.130 MPa左右；继续向前推进8 m的过程中，右侧拱脚最小主应力由

－1.210 MPa

减小到－1.590 MPa；施作二次衬砌后，

B-B断面拱脚右侧最大主应力减小，最小主应力增大。

对于拱周某一位置主应力影响显著的区域为其临近部位的施工；在整个施工过程中，某一断面后方3 m及前方5 m的范围内的施工对研究断面的应力影响显著；当某一断面最后一部分(即CRD4部)开挖完毕并继续向前推进5 m直至二次衬砌施作前主应力值趋于稳定；施作二次衬砌后，最小主应力增大值，最大主应力减小。 4.1.2 初次衬砌应力场

图12，13分别为CRD1部推进到33 m时B-B断面初次衬砌的最大主应力和最小主应力分布云图。从图中可以看出，初次衬砌除拱底出现较小的拉应力外，其余部分均为压应力，最大主应力值为0.110 MPa，出现在拱底部，最小主应力值为－8.930 MPa，出现在拱腰位置。

图12 CRD1部推进到33 m时初次衬砌的最大主应力分布

云图(单位：Pa)

Fig.12 Nephogram of maximum principal stresses of initial

lining when CRD1 is advancing 33 m ahead (unit：Pa)

在整个施工过程中，初次衬砌在左侧拱脚以及拱脚偏上的位置出现了应力集中，并随着施工的进行，该应力集中区域逐渐增大，施工中该区域出现的最小压应力为－9.480 MPa，施作二次衬砌后，该区域的应力显著增大至－5.000 MPa左右；强风化槽

图13 CRD1部推进到33 m时初次衬砌的最小主应力 分布云图(单位：Pa)

Fig.13 Nephogram of minor principal stresses of initial lining

when CRD1 is advancing 33 m ahead(unit：Pa)

段隧道拱底在施工过程中出现了0.090 MPa的拉应力，由于拉应力较小，喷射混凝土不会出现开裂现象。

4.1.3 锚杆和临时钢支撑受力特征

图14，15分别为CRD1部推进到33 m时B-B断面锚杆和临时钢支撑的轴应力图。此时CRD2～4部均未施工到B-B断面(见图5)，故锚杆和支撑只施作了CRD1部的部分。

图14 CRD1部推进到33 m时B-B断面锚杆的轴应力图

(单位：MPa)

Fig.14 Axial stresses of anchors in cross-section B-B when

CRD1 is advancing 33 m ahead(unit：MPa)

从图14还可以看出，锚杆主要承受拉应力，最大拉应力值为63.3 MPa，只有在左侧拱腰处的锚杆由于应力集中承受一定的压应力，最小压应力值为

－21.9 MPa。伴随着施工的进行，施工部位和支护

形态发生不断的变化，锚杆的应力也不断的发生变化。在CRD1部(CRD3部)推进的过程中，在左侧(右侧)拱腰位置的锚杆要承受一定的压应力，而其下部CRD2部(CRD4部)的施工使应力重新分布，压应力集中部位转移到洞室的拱脚，原来承受压力的锚杆

• 880 • 岩石力学与工程学报 2008年

地面沉降，这就需要临时钢支撑承受很大的应力。由图15可以看出，临时钢支撑的最小压应力值为

－125.8 MPa，出现在支撑拱顶的位置；最大压应

力值为－65.7 MPa，出现在竖向临时钢支撑的中部。图17为强风化槽段开挖和初期支护完成时B-B断面的临时钢支撑受力情况。从图中可以看到，临时钢支撑所受的轴应力远远大于CRD1部推进到33

图15 CRD1部推进到33 m时B-B断面临时钢支撑的轴应

力图(单位：MPa)

Fig.15 Axial stresses of temporary steel supports in cross-

section B-B when CRD1 is advancing 33 m ahead (unit：MPa)

m时的受力，如图17所示，最小压应力值为－9.00 MPa，出现在支撑拱底的竖向临时钢支撑的底部。从模拟中还可以发现：在CRD工法施工时开挖面前方2 m内的已施作的临时钢支撑端部出现较明显的压应力集中现象，最小压应力达－190.20 MPa，在施工中期尤为明显；施工中出现的最大拉应力为33.00 MPa，拉应力的出现，主要是因为未开挖部分岩体由于其相邻部分岩体的开挖而产生的应力释放引起的；强风化槽段隧道开挖及初期支护完成时，临时钢支撑应力重新分布，应力值较大(大于－10.00 MPa)且分布较均匀。整个施工过程中，临时钢支撑承受很大的压应力，尤其在临时钢支撑的端部将出现很大的应力集中现象；当某一断面施工完毕，该断面的临时钢支撑应力将重新分布，轴应力显著增大；由于最小轴应力出现在临时钢支撑端部位置，因此在施工过程中建议将临时钢支撑端部进行加固，尤其是施工中期，更应对临时钢支撑端部做好全面监测和检测，以保证施工安全。

转为承受拉应力。图16给出施工结束时B-B断面锚杆轴应力图，从图16中可以看到：B-B断面锚杆主要承受拉应力，最大轴应力83.4 MPa，出现在拱底左侧；拱顶及拱底附近锚杆轴应力先施工的左侧部分大于右侧；在两侧拱脚出现了压应力，尤其是后施工的右侧拱脚处，最小轴应力达－37.4 MPa。整个过程中拱顶和拱底的锚杆承受较大的拉应力，锚杆出现的最大压应力为83.4 MPa，出现在拱底左侧，最小压应力为－49.8 MPa，出现在CRD4部施工时开挖面前方的右侧拱腰。

临时钢支撑在施工过程中和初次衬砌封闭成环，作用是减小施工过程中围岩的变形，从而减小

图16 施工结束时B-B断面锚杆的轴应力图(单位：MPa)

Fig.16 Axial stresses of anchors in cross-section B-B when the construction is completed(unit：MPa)

第27卷 第5期 陈卫忠，等. 厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究 • 881 •

图17 当CRD4部开挖39 m时B-B断面临时钢支撑的轴

应力图(单位：MPa) Fig.17 Axial stresses of temporary steel supports in cross-

section B-B when CRD4 is advancing 39 m ahead(unit：MPa)

4.1.4 强风化槽段施工完成时二次衬砌的应力场

当强风化槽段的开挖和初期支护完成时，拆除临时钢支撑的同时施作二次衬砌。二次衬砌的应力分布情况如图18，19所示。强风化槽段施工完成时二次衬砌的拱腰和拱脚处有局部的应力集中，尤其是强风化槽最前方5 m拱腰偏下位置有较小范围的压应力分布，最小主应力值为－9.020 MPa，该位置之所以出现明显的压应力是因为该位置正处在与最初施工的弱风化槽段相接的附近。最后的弱风化段施工完毕后，二次衬砌应力重新分布，整个二次衬砌的拱腰位置均出现较小的压应力，最小主应力值为－8.0 MPa，仰拱中部局部区域出现较小的拉应力，最大拉应力值为0.400 MPa，由于拉应力很小，二次衬砌不会产生开裂。

图18 强风化槽段施工完毕时二次衬砌的最大主应力分布

图(单位：Pa)

Fig.18 Maximum principal stress distribution of secondary

lining during construction when strong weathered slots are finished(unit：Pa)

4.2 围岩变形

图20给出了施工过程中围岩B-B断面关键点位

图19 强风化槽段施工完毕时二次衬砌的最小主应力分布

图(单位：Pa)

Fig.19 Minor principal stress distribution of secondary lining

during construction when strong weathered slots are finished(unit：Pa)

10 9 687 x mm6 /移51位4 32 1—节点14296 1 6—节点14415 0x—水平收敛 －1 0

5

10

15

20 25 30 30开挖步

图20 施工过程中围岩断面B-B关键点位移及水平收敛

位移变化曲线

Fig.20 Variation curves of key points′ displacements for

cross-section B-B in surrounding rock and horizontal convergence displacements

移及水平收敛位移变化曲线。由图20关键点1，6位置位移变化曲线可以看到，隧道在施工过程中使围岩的位移不断发生变化，由于CRD工法步步封闭成环，减小了围岩的位移；在CRD3部即R部推进到B-B断面时，拱顶和拱底的关键点1和6的位移迅速增大，关键点1处的拱顶下沉位移由3.6 mm增大到5.0 mm，仰拱中部关键点6处的底鼓量由4.0 mm增大到4.8 mm；由水平收敛位移变化曲线可以看到，在CRD2部即C部下部推进到B-B断面时，

水平收敛位移由1 mm迅速增大到6 mm；在CRD4部即D部推进到B-B断面时，水平收敛位移亦显著增大到9 mm，伴随着初次衬砌的闭合，围岩位移趋于稳定，而二次衬砌的施作，使得围岩的顶拱下沉、仰拱底鼓量和径向相对水平位移均有所减小。

施工过程中，施工开挖面处的位移将迅速增大，随着施工的继续，围岩与初次衬砌协调变形，变形趋于稳定；CRD1，3部的开挖对拱顶下沉位移影响

• 882 • 岩石力学与工程学报 2008年

显著，而CRD2，4部的开挖对底鼓位移影响显著；

二次衬砌施作后，围岩变形减小；整个施工过程中地表的最大沉降为3 mm，顶拱最大沉降量为8 mm，施作二次衬砌后，顶拱的最大沉降量减小到5.5 mm。

4.3 围岩与衬砌外水压力分布特征 4.3.1 围岩外水压力分布特征

海底隧道所面临的主要问题就是水害，包括施工过程中的突涌水事故和运营过程中的渗漏水，其中施工阶段的水害防治更为人们所关注。海底隧道施工中的突涌水事故多发生在不良地质段及地层结构界面。对工程设计来讲，衬砌的长期外水压力荷载大小将直接关系到二次衬砌的配筋设计和排水设计。根据施工设计，翔安隧道采用以堵为主排为辅的方案。隧道各断面围岩关键点(见图4)外水压力在施工过程中的变化曲线如图21～23所示。

700 6 aP6004 5k/力2 压5001水 外400点键300 1—单元48321单元48285关岩200 2— 3—单元48357 4—单元48381围100 5—单元48433 6—单元484090

3 0 5 10 15 20 25 30 35

40 开挖步

图21 A-A断面围岩关键点位置外水压力变化曲线

Fig.21 Variation curves of key points′ external water

pressures of cross-section A-A in surrounding rock mass 700 600 a P4 k/力 2 压500水 外点400 5键关 3 岩300 1—单元20166 2—单元20130围6 3—单元20202200 4—单元202261 5—单元20278100 6—单元2020 5 10 15

20 25 30 35 40

开挖步 图22 B-B断面围岩关键点位置外水压力变化曲线 Fig.22 Variation curves of key points′ external water

pressures of cross-section B-B in surrounding

rock mass

700 6aP600 k4 /力3压5002 水 外4001 点键300 关岩200 1 2—单元63963 围100 3—单元4—单元63927 —单元63999 023 5 0 56—单元—单元075 051 051015 20 25 30 30开挖步

图23 C-C断面围岩关键点外水压力变化曲线 Fig.23 Variation curves of key points′ external water

pressures of cross-section C-C in surrounding rock mass

由图21可以看出，各关键点位置外水压力随开挖过程不断变化，当开挖在所取观察断面即A-A断面附近时，外水压力逐渐减小；开挖到达该段面时，外水压力将迅速减小；当开挖逐渐远离该断面时外水压力值逐渐趋于稳定值。可取上图一具体曲线进行分析，比如右侧拱腰(关键点3所在位置)的变化曲线，在开挖初始几步，右侧拱腰的外水压力逐渐降低，是由于弱风槽段开挖的影响；开挖推进到强风化槽段，就进入到CRD工法的施工阶段，CRD1部的开挖使右侧拱腰的外水压力由0.380 MPa下降到0.280 MPa；接下来进行的是CRD1，2部的开挖，对右侧拱腰影响不是很大，所以出现了一个明显的变化平台；当CRD3部开始推进(即开始经过A-A断面)时外水压力由0.260 MPa迅速下降至0.002 MPa，这是由CRD3部开挖引起的；而随后的外水压力值迅速上升则是由于初次衬砌的不断闭合；当

开挖逐渐远离所取A-A断面，开挖影响逐渐减小。

从图21中可以看到，在A-A断面前方2 m之外的施工对该断面右侧拱腰外水压力影响已经很小，外水压力值逐渐趋于稳定值0.550 MPa。其计算结果

和设计院在施工设计阶段采用0.600 MPa水压力较为接近。表明本文所采用的计算方法较为合理。

其他位置的外水压力变化曲线分析类似。分析图21～23可以得到：在施工过程中，围岩某一位置外水压力的迅速下降是由开挖引起的，而上升则是由于该位置初次衬砌的闭合；施工中围岩外水压力主要影响范围为断面前后方2 m左右，远离断面后方2 m后外水压力将趋于稳定；二次衬砌的施作对于围岩的外水压力分布影响不大。

第27卷 第5期 陈卫忠，等. 厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究 • 883 •

4.3.2 初次衬砌外水压力分布特征

对初次衬砌的外水压力变化分析同围岩相似，其关键点外水压力变化曲线如图24，25所示。整个施工过程中，初次衬砌的闭合使外水压力迅速上升，而在远离某一断面2 m后该断面衬砌的外水压力变化曲线逐渐趋于平缓，亦即衬砌外水压力逐渐趋于稳定；二次衬砌的施作将使初次衬砌外水压力显著增大，这一点从两图中可以看到，在曲线的最后(即模拟第34步：拆除临时钢支撑并施作二次衬砌)外水压力显著上升。

600 aPk/500 3力4 1压 水4002 外6 点 1—单元1046743 键300关 2—单元1046742 砌衬200 3—单元1047500 5 45—单元—单元1047056 1047848 100 6—单元1047074 0 5 10 15 20 25 30 35 40

开挖步

图24 A-A断面初次衬砌关键点外水压力变化曲线 Fig.24 Variation curves of key points′ external water

pressures of cross-section A-A in initial lining

600 6 5 aPk500/4 1 力压2 水400外 点键300 1—单元1019585关 2—单元1019584砌衬2003 34—单元—单元10197521019699 5—单元1019831 6—单元101971710010 15 20 25 30 35 40

开挖步

图25 B-B断面初次衬砌关键点外水压力变化曲线 Fig.25 Variation curves of key points′ external water

pressures of cross-section B-B in initial lining

5 结 论

目前，厦门翔安海底隧道正在正常、紧张的施工过程中。最关键的海底风化槽地段的施工，对科研人员和施工队伍是一次严峻的考验。该段隧道施工复杂，开挖前围岩利用超前小导管和长管棚注浆加固，采用CRD工法施工，遵循“分步开挖，化

整为零，各自封闭成环”的原则。本文根据翔安海底隧道风化槽地段的地质与施工特点，依据流固耦合理论，研究该地段CRD工法时，围岩及衬砌的力学特征以及外水压力变化。通过分析可以得到：

(1) 初期支护的应力随施工的进行不断发生变化。施工过程中，初次衬砌在拱腰以及拱脚处产生了应力集中，先施工的左侧拱腰处衬砌的应力集中程度要大于右侧，仰拱承受较小的拉应力；锚杆主要承受拉应力，只有在应力集中部位承受一定的压应力；临时钢支撑在施工过程中承受很大的压应力，对控制围岩的变形起到了非常有效的作用。

(2) 围岩的变形在开挖面附近达到最大值，当施作初期支护后，围岩的变形得到一定的控制，随着施工的继续，围岩与衬砌协调变形，变形趋于稳定。在此过程中地表的最大沉降为3.0 mm，顶拱最大沉降量为8.0 mm。施作二次衬砌后，顶拱的最大沉降量减小到5.5 mm。

(3) 计算过程中边界条件采用排水边界条件，围岩外水压力在开挖面处迅速减小达到最小值，随着施工远离开挖面，外水压力逐渐增大并趋于稳定。由分析结果可以看到CRD工法施工能够非常有效的减小围岩的变形，保证隧道施工安全。

(4) 伴随施工的进行，初次衬砌上的外水压力由于衬砌的闭合而迅速增大而后趋于稳定；二次衬砌的施作，使初次衬砌的外水压力达到最大值0.550 MPa，其结果与设计单位采用的0.600 MPa较为接近。

(5) CRD工法施工地段在施工期将开展大量的现场监控量测工作，今后还将开展施工期监测成果

的反演分析，同时开展翔安隧道潮汐变化对衬砌外水压力影响。

本文的研究工作可用于厦门海底隧道海域风化槽段施工和同类工程建设。由于厦门翔安海底隧道是我国目前修建的第一条海底隧道，类似施工经验不多，施工过程中不免会有许多新的问题出现，相信通过众多工作人员的努力，一定能够排除万难，保质保量如期完成我国的第一条海底隧道建设。 参考文献(References)：

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