1.1 研究目的

从国外海底隧道施工现状和发展趋势看，在海底隧道施工方面都积累了一定的经验，但在富水、软弱地层中修建大断面隧道并无先例，因此，本课题结合xx海底隧道的地质条件复杂、开挖断面大、无成熟的经验可借鉴等特点，对软弱地层施工方法、沉降控制、辅助工法等进行深入研究，总结出一套适合软弱地层、大断面、海底隧道施工的技术和方法，利用研究成果指导施工，优化设计，非常具有实际意义。

1.2 研究内容

本课题紧密结合xx海底隧道施工，通过现场监测、数值计算和理论分析进行研究。

（1）利用数值方法，模拟现场土层和施工条件，对CD和CRD工法分别建模计算、进行数值模拟分析和比较，综合考虑，确定合理的施工方法；

（2）设计六种不同的工况和两种不同工序，对各种工况开挖过程中的地层三维变形状态进行数值模拟，分析和总结变形、失稳规律，在此基础上优化CRD工法各部之间的步距和工序；

（3） 将变形分配控制原理应用于隧道施工，确定控制目标值，通过监测反馈，分步控制，将变形控制在安全范围之内；

（4）研究锁脚锚杆的作用机理，对锁脚锚杆的施工效果进行数值模拟，系统地研究其受力和变形规律，优化锁脚锚杆的设计和施工方法；

（5）建立初支和围岩相互作用的突变模型，利用初支刚度和围岩的弱化刚度研究围岩的突变失稳。从理论上解释了壁后注浆加固机理，结合现场监测，验证充填注浆对控制沉降的作用。

2.1浅埋大跨软岩隧道施工方法

近年来国内外的工程实例表明，在各种地质条件下隧道施工的方法很多，但适合大断面隧道的基本施工方法有六种：台阶法、上半断面临时闭合台阶法、CD工法、CRD工法、侧壁导坑法、眼镜工法（双侧壁导坑法）。

大量施工实例统计结果表明：

在控制沉降方面施工方法择优顺序为：双侧壁导坑法、 CRD工法、CD工法、预留核心土台阶法、台阶法；

在控制水平位移方面施工方法择优顺序为：CRD工法、双侧壁导坑法、CD工法、上半断面临时闭合台阶法、台阶法；

从施工进度和经济角度方面择优顺序为：台阶法、预留核心土台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑法。

xx海底隧道断面大、围岩软弱、地质条件复杂，台阶法难以适用，双侧壁导坑法是在对地表沉降要求特别严的情况下采用的施工方法，所以根据海底隧道的实际，只考虑采用CD工法或CRD工法。

本章对这两种施工方法进行模拟和比较。     

2.2 工程及地质概况

xx隧道海底段长4200m，浅滩段上部覆土厚度平均为7.35m，通过的地层主要为填筑土、粘土、砂质亚粘土、黑云母花岗岩，为V类围岩，开挖跨度为16.74m，开挖高度为12.261m。

2.3 隧道入口端CD法与CRD法开挖引起的沉降量比较

模型建立

采用FLAC3D进行计算分析，模型范围向下取50m、向上取到地表、隧道左右两侧各取50m、纵向从洞口取50m。   

模型位移边界条件

隧道左右两侧给定X方向位移约束；底面给定Z方向位移约束；纵向边界面（不包括洞口边界面）给定Y方向位移约束。

模型中采用8节点六面体单元进行网格划分，地层及管棚加固区采用摩尔－库仑模型，隧道结构采用线弹性模型，模型共划分16900个单元，18438个单元节点。

施工台阶长度为15米时各工况拱顶最大沉降量

CD法施工 导洞1、2分别向前开挖20、5m时拱顶最大沉降86mm

CRD法施工 导洞1、2分别向前开挖20、5m时拱顶最大沉降66mm

CD法施工 导洞1、2、3、4分别向前开挖45、30、25、10m时拱顶最大沉降98mm

CRD法施工 导洞1、2、3、4分别向前开挖45、30、25、10m时拱顶最大沉降68mm

2.4 本章小结

（1）采用CD法施工，台阶长度分别为5m、10m、15m米时隧道拱顶最大沉降分别为91、94、98mm，因为台阶越长，整体封闭成环时间越长，所以产生的沉降越大；

（2）虽然台阶短，封闭成环时间短，拱顶产生的沉降小，但台阶长度一般不宜小于5m，如台阶过短，上台阶开挖施工机械难以摆放，且下台阶掌子面过早暴露，上下台阶开挖相互扰动影响过大，反而增大围岩变形；

（3）采用CRD法比CD法施工拱顶沉降将明显减小，台阶长15米拱顶最大沉降仅68mm，比CD法减小30mm，这是由于CRD法的腰撑能及时闭合掌子面，腰撑成为临时仰拱，在阻止结构初期下沉方面起了关键作用，因此拱顶沉降明显减小。

3.1 概述

大断面软弱地层修建隧道，CRD工法是一种比较有效的方法，本章结合实际施工状况优化CRD工法步距和步序，将拱顶沉降控制在最小范围内。

根据xx海底隧道出口端地层软弱、易膨胀、稳定性差等特点，设计六种开挖与支护工况，利用数值方法模拟开挖过程中的地层三维变形状态，总结变形、失稳规律，优化开挖支护方案，解决施工技术难题。

3.2 地质状况及面临的问题

隧道陆域段为全风化花岗岩，这种围岩未扰动之前坚硬、干燥、稳定，而开挖暴露、遇水后则迅速膨胀、软化，自稳能力急剧下降。如果工序衔接不紧、掌子面封闭不及时、CRD步距过大、拱脚积水等会导致围岩变形异常。

△喷射混凝土开裂

这些异常变形表现为喷射混凝土出现开裂、临时支护变形严重、初支受到破坏等。以下对产生大变形的原因进行分析，以详细了解CRD工法施工各导洞变形比例分配、各导洞步距和施工顺序对沉降的影响，提出CRD施工变形控制措施，指导施工。

△临时支护严重变形

3.3 CRD工法导洞步距对沉降量的影响

为掌握CRD步距对拱顶沉降的影响，选取地质条件基本相同，但步距不同的两段进行监测， 步距和监测情况见下表

根据第二章模拟结果，同样工况下CRD1、2部步距分别为15、10、5m时拱顶最大沉降量分别为99、95、91mm，可见步距会对拱顶沉降造成一定的影响，步距越大，沉降越大。

3.4 两种不同施工工序计算分析

3.5 本章小结

（1）两种工序，导洞1开挖产生的拱顶沉降所占整体沉降的比例都最大，从32％－37%，因而控制导洞1的沉降量对减小最终拱顶沉降有决定意义；

（2）同等条件下，1234工序控制拱顶沉降的效果优于1324工序，1234工序沉降232.2mm，而1324工序沉降263.5mm，可见，从数值理论上分析，1234工序更有利于控制拱顶沉降。因为隧道开挖洞跨比决定自然成拱能力，土体大部分应力要由结构承担，洞跨比越大，变形就越大；CRD工法中，先开挖12导洞后开挖34导洞，其受力机理相当于CD法；先开挖13导洞后开挖24导洞，相当于台阶法，显然，CD法控制沉降优于台阶法。

（3）从现场监测和数值分析结果看，仰拱闭合对拱顶沉降起着决定性作用，单个导洞未闭合之前沉降占总沉降75％以上，因此，应加快仰拱闭合；

（4）从六种工况、两种工序数值分析得到的拱顶最大沉降值看，按设计要求正常施工，拱顶沉降可以控制在设计允许范围内；

4.1概述

软弱地层大断面海底隧道施工是一个庞杂的系统工程，涉及到多种工艺、多道工序，自始至终是动态的、不断变化的过程，因此它对拱顶下沉、水平收敛和地表沉降的影响是一个累积的效果，所以可以把对拱顶沉降和地表下沉的控制标准分解到每个施工步序中，形成施工各具体步序的控制标准或控制指标，只要单个步序的沉降量得到控制，则最终变形量就能得到控制，这就是所谓变形分配控制原理。

变形分配控制的优点

（1）将总体变形控制量分解到每个工序，明确每步控制目标，操作性强；

（2）对构筑物变形有一个整体规划，可以明确施工控制的重点；

（3）及时掌握监测值与设计值的偏离动态，及时处理，避免风险的累积， 使变形控制处于积极、主动的地位。   

将变形分配控制原理应用于xx海底隧道

（1）首先，通过数值计算和工程经验确定控制的目标值；

（2）其次，通过监测掌握变形信息，与目标值对照；

（3）最后，分析过度变形原因，采取措施，确保累计变形量小于目标值。   

4.2 目标控制值的确定

通过第三章CRD法施工1234工序进行数值模拟，得到各导洞开挖完毕累计沉降量及分部沉降比率（目标值）如下表：

注：I-II部步距10m；II-III部步距10m；III-IV部步距10m；二衬-IV部步距80m。

根据工程经验，水平位移控制目标为：相对收敛允许值是两测点间距的0.8％。

根据数值模拟结果，得出各部变形控制目标值，以各部目标控制值为标准，在施工中进行动态调整，使分步变形量低于分步控制目标，确保整体控制目标的实现。

4.3 异常变形控制措施

01 尽早设置临时仰拱，使支护结构封闭成环

02 控制台阶长度

03 初支背后及时充填注浆

04 实施超前降水

05 设置锁脚锚杆

06 及时处理拱脚积水

07 加强仰拱注浆

08 超前注浆加固地层

5.1概述

软弱地层修建大断面隧道，为减小基底弱化和初支悬空引起的下沉，尤其是在地层软弱、含水量大、拱脚积水的情况下，增设锁脚锚杆对控制拱顶下沉的效果非常明显。

本章建立锁脚锚杆的力学分析模型，通过数值模拟和现场监测，系统研究锁脚锚杆受力和变形规律，并据此分析了各影响因素与拱顶沉降的关系，最后优化锁脚锚杆的设计参数和施工方法。

△现场施作锁脚锚杆

△锚杆布置示意图

5.2 锁脚锚杆作用机理及在工程中的运用

锁脚锚杆作用原理是将锚杆打入钢拱架背后围岩并注浆，通过锚杆浆液扩散、渗透到岩层中，以提高围岩的力学性能和自稳能力，控制围岩变形。

隧道在施工中，部分断面拱顶下沉偏大，造成初支侵限，甚至发生大变形危及结构安全，为控制各部及整体下沉，施工中每榀工字钢增设四根Φ42mm，壁厚3mm，L=3m的无缝钢管注浆锁脚锚杆。

5.3 数值模拟分析

5.3.1 位移分析

采用锁脚锚杆前后行车隧道位移变化数值模拟情况见下表， 施作锁脚锚杆后，1、3部拱顶下沉分别减小20.8％和23.1％，水平收敛分别减小9.2％、11.5％，采用锁脚锚杆可有效减小拱顶下沉和水平收敛。

5.3.2  支护结构安全性分析

采用锁脚锚杆前、后支护结构安全性变化情况见下表，由表可知：采用锁脚锚杆后初期支护各部位的安全系数均比不采用时有所提高。

注：轴力、弯矩和安全系数栏中分子、分母分别为采用锁脚锚杆前后的数值。

5.3.3 锁脚锚杆沉降与所受荷载的关系

随着荷载增加锚杆端头竖向位移呈线性增加，下图给出了锚杆不同角度荷载和锚杆露头部下沉值的关系。

5.3.4  锁脚锚杆作用效果与打入角度、注浆的关系

由下图知，无论哪种工况，拱脚锚杆以25o施作时控制沉降效果最佳。锚杆注浆可增加锚杆的抗弯刚度，浆液扩散形成的注浆体可提高锚杆的抗拔力，从计算结果看，注浆之后锚杆端部沉降减小20%。

5.3.5 垫块对锁脚锚杆作用效果影响

由上表计算结果可知，锁脚锚杆注浆并加垫块比不加垫块沉降减小15-20％，与不注浆相比加垫块后沉降减小40%。主要因为其抗弯、抗剪、抗拉等性能都得到了很好的发挥，其内力计算结果见下表。

5.4 计算结果及结论

通过研究，本章得出如下结论：

（1）采用锁脚锚杆可有效控制隧道拱顶下沉和水平收敛；同时锁脚锚杆可提高初支结构的安全性；

（2）当角度一定时，随着荷载的增加，锚杆竖向位移呈线性增加；在同等施工条件下，拱脚锁脚锚杆施作25度左右控制沉降的效果最佳；

（3）不同工况下沉降值相差比较大，不注浆沉降最大，其次是注浆，再次是加垫块。注浆后比不注浆沉降减小20%左右；注浆加垫块沉降值能减小40%；

（4）加垫块后锁脚锚杆的弯矩、剪力、拉力等内力值都有显著的增加。

6.1 海底隧道注浆技术综述

软弱地层海底隧道施工风险突出，一旦围岩变形较大，极易引发突水、塌方。为确保掌子面的稳定和隧道施工安全，进行注浆加固和堵水是非常必要的。通过全强风化地层注浆前后地层力学特性的变化，结合现场试验，对注浆后围岩的稳定性进行评价。

△注浆效果图片

6.2 壁后注浆的作用 

壁后注浆的作用体现在两个方面：提高围岩的刚度（弹性模量）、强度（粘聚力和内摩擦角），增强围岩稳定性；在含水地层，壁后注浆还可以减小渗漏，防止围岩遇水弱化，其作用同样是增加围岩刚度。

6.3 软弱地层渗透挤密注浆对控制沉降的影响

在注浆试验段选取两个沉降较大的点，绘制注浆前后沉降曲线见下页图6.1～6.2 ，从监测数据分析，注浆有效的控制了围岩的变形。

注浆前掌子面泥塑状不稳定

注浆后掌子面干燥稳定

6.4 本章小结

初期支护背后渗透挤密注浆，水泥浆液充填初支围岩间的空隙，以及土体间的空隙，增强密贴程度，提高围岩和初支的承载力，控制变形，主要体现为两种作用：

（1）渗透作用：指在压力作用下浆液充填土中的孔隙，挤排出孔隙自由水，而基本上不改变原状土的结构和体积，所用注浆压力相对较小。

（2）渗透和挤密作用：浆脉周围土体被渗透和挤密，从而增加周围土体的密实度和强度，减小渗透系数，这是一种综合效果。

通过充填注浆，使颗粒间的空隙充满浆液并使其固化，这种注浆不改变原土结构，但是充填其原有空间为密实连续体，有效的控制了地层水的渗入，改善原有围岩受力条件，有效的控制了沉降。

课题结合xx海底隧道进行研究，取得如下成果：       

1.xx海底隧道断面大、围岩软弱、地质复杂，台阶法难以适用，双侧壁导坑法工序多，进度慢，一般是在地表沉降要求特别严的情况下才采用的施工方法，因此，重点只需考虑采用CD或CRD工法；为此，对CD和CRD工法分别建模计算，对这两种工法进行数值模拟分析和比较，经综合比选，最后确定采用更合理的施工方法—CRD工法，它既保证了xx海底隧道的施工安全，又节约了成本，加快了施工进度，创造了月掘进73米的高速度；

2.利用数值方法模拟6种工况、2种工序开挖过程中的地层三维变形状态，并结合实际施工中的变形监测状况，不断调整优化CRD工法各部步距、开挖顺序和施工工艺。这项创新性成果，为软弱地层大跨隧道采用CRD法提供新经验，使异常变形得到有效控制，将隧道变形控制在目标值之内；

透水砂层与隧道关系纵向剖面图：

端透水砂层开挖后揭示的地质情况

富水砂层与海水连通，砂层侵入隧道内长度达259m，其余191m在拱顶以上不足1米，极易发生坍塌和突涌水。

△ 掌子面揭示的粗颗粒黄砂

△ 掌子面揭示的粉细白沙

端透水砂层段施工方法：

综合超前地质预报探明砂层分布形态、性状；

地下连续墙止水围幕；

连续墙内进行井点降水；

洞内采用TSS导管超前注浆；

采用CRD工法开挖。

洞内采用TSS导管超前注浆

隧道穿越的风化槽简介

隧道穿越5条风化深槽，F1累计宽278m、 F2累计宽220m、 F3累计宽255m、 F4累计宽212.5m、 F5累计宽153m、累计长约风化槽总长度为1118.5m，风化槽内岩体强度低，自稳能力差，受到较大的动水压力，存在渗透破坏的可能，是最大的施工风险。

穿越海域风化深槽施工流程：

1、超前钻孔取芯精确定位风化槽位置和分布性态

2、风化槽施工前施做防水闸门

3、施做止浆墙

4、全断面、半断面、周边帷幕注浆

5、注浆效果取芯检查

6、隧道开挖、支护

超前地质预报水平钻探：

△ 风化槽岩芯

△ 探明的地质状况--风化槽与隧道关系

△ 风化槽施工前设置防水闸门

△ 风化槽施工前施作砼止浆墙

全断面、半断面、周边帷幕注浆技术：

海底隧道穿越风化深槽施工，史无前例，无成功经验可以借鉴；风化槽内，地质复杂，穿越第一个风化槽施工，采用最保守的全断面帷幕注浆技术施工，效果较好，但工期过长，为8个月。在总结第一个风化槽施工成功经验的基础上，针对不同地质条件的风化槽，研究应用了复合注浆技术，尝试采用上半断面帷幕注浆、上半断面周边注浆并获得成功。在确保安全施工的前提下，采用非全断面注浆降低了工程造价，每个风化槽施工工期由8个月缩短到2个月。

全断面注浆孔、半断面注浆孔、周边注浆孔示意图

全断面、半断面、周边帷幕注浆加固效果图

帷幕注浆结束后施工方案：

开挖方法（台阶法）

上台阶高度3m

长度5～8m

核心土长3m

开挖进尺0.5~1.0m

开挖前采用6m钻杆超前探孔，不少于3孔

施工中加强监控量测，当出现异常变形时，立即转换为CD、CRD法施工。

施工中出现险情应急预案：

应急抢险预案：

硬岩控制爆破技术研究思路

研究思路：

硬岩控制爆破技术研究方法

研究方法：

理论方法：断裂力学、应力波理论、水力学理论等；

试验方法：现场试验

数值方法：ANSYS/LS-DYNA大型通用有限元软件；

△ 现场试验

△ 有限元模拟

爆破作用导致围岩松动圈理论

利用断裂力学和爆炸力学理论深入研究含水裂隙岩体的断裂破坏机理及钻爆开挖时围岩中的应力场和振动规律，在此基础上确定了爆炸作用下导致的松动圈大小计算公式， 并分析了爆破作用和应力重分布对隧道总松动圈大小的影响比例，便于推广应用。该成果具有理论创新性。 

海底隧道松动圈的确定

1、服务洞Ⅱ级围岩钻爆开挖形成的松动圈大小都控制在1米以内。曲墙测试孔爆破松动范围约为0.4～0.6m；底板处测试孔松动圈范围约为0.5～0.7m；拱顶处测试孔松动圈范围约为0.4～0.7m；

2、主洞Ⅱ级围岩开挖在拱顶形成的松动圈大小为1.1m，左右曲墙分别为1.0m和0.9m，左边底板处松动圈大小为1.1m。认为小断面Ⅱ级围岩松动圈大小主要是爆破作用的影响，并总结了爆破作用和应力重分布作用在大断面Ⅱ级围岩松动圈大小中各自的影响比例；

3、Ⅴ级围岩中钻爆开挖形成的松动圈大小在2.0m 左右，超过了1.5m，按照松动圈支护理论，隧道周边岩体属于软岩，不利于海底隧道围岩特别是覆盖岩层的稳定，要加强支护并勤监测，防止塌方、大变形等地质灾害的发生。