1、越江隧道钻爆法施工最小岩石覆盖层厚度研究靳晓光 1 ,张燕琼 1 ,林 志 2 ,颜 勤 1(11 重庆大学土木工程学院 ,重庆 400045 ;21 重庆交通科研设计院 ,重庆 400067)摘要 : 越江隧道上覆最小岩石覆盖层厚度是决定隧道建设造价和安全的主要因素之一。以拟建的重庆朝天门两江隧道为例 ,采用工程类比法和 3D 弹塑性有限元数值模拟对隧道钻爆法施工的最小岩石覆盖层厚度进行了分析。工程类比分析表明 ,在正常水位条件下隧道最小岩石覆盖层厚度为 22 27m ;数值模拟分析表明 ,在历史最高洪水位条件下隧道最小岩石覆盖层厚度为 23m。综合分析认为 ,两江隧道合理的最小岩石覆盖层厚
2、度为 23m。关键词 : 越江隧道 ;最小岩石覆盖层厚度 ;工程类比 ;数值模拟中图分类号 : U451 ; U455141 文献标识码 : A 文章编号 : 100023665 (2007) 0320067204收稿日期 : 2006207206 ; 修订日期 : 2006209207基金项目 : 国家自然科学基金项目 (50334060 ,50679097) ;重庆市自然科学基金项目 (CSTC , 2006BB6167)作者简介 : 靳晓光 (19672) ,男 ,副教授 ,博士后 ,从事隧道与地下工程、地质工程、道路工程等科研和教学工作。E2mail :Jxgcqu 1631com1
3、引言岩石覆盖层厚度是决定越江隧道建设造价和安全的主要因素之一 。隧道覆盖层厚度越小 ,江底隧道越短 ,静水压力越低 ,作用在衬砌上的势能荷载也越小 ;覆盖层厚度越厚 ,在江底和隧道之间的渗流通道就越长 ,就会降低流向隧道的渗水量。因此 ,越江隧道的建设必须保证足够的岩石覆盖层厚度 ,在发生意外 (如岩石崩落和坍塌 )时不至于在隧道里出现危险 ,同时避免江水的大量渗漏。从相关文献和越江隧道建设工程实例来看 ,所有确定最小岩石覆盖层厚度的方法都建立于详细的地质调查资料基础上 ,主要采用工程类比法和数值分析法进行分析。本文以规划拟建的重庆朝天门两江隧道为例 ,采用工程类比法和数值分析法 ,对越江隧道
4、上覆最小岩石覆盖层厚度进行了探讨。拟建的朝天门两江隧道为双洞单向 2 车道 ,越江段单洞长 904m ,建筑限界为宽 1015m、高 510m。属城市主干道 级 ,计算行车速度为 50 kmPh。隧道水深30m(防洪标准警戒水位 ) 46m (历史最高洪水位 ) 1 2 。2 工程类比分析采用钻爆法设计和修建的水底 (主要是海底 )铁路和公路隧道主要集中在日本和挪威 3 4 。根据挪威已建的海底隧道经验 ,统计建立了完整好岩石 (如 、级围岩 )和破碎岩石 (如 、级围岩 )最小岩石覆盖层厚度与海水深度的关系 ,可供参考 (图 1) 。图 1 挪威海底隧道最小岩石覆盖层厚度与海水深度的经验曲线
5、Fig. 1 Empirical curve of the minimum overlying rock think2ness vs the sea water depth of submarine tunnel in Norwegian日本第一条钻爆法海底铁路隧道建成已有 60 余年 ,并于 1998 年竣工了世界瞩目的青函海底隧道 ,在此方面积累了较多经验 ,其经验公式为 4 5 :H = 13 23 h式中 : H 海底隧道埋深 ;h 最大海水深。211 隧道工程地质条件(1)地层岩性及工程地质岩组隧道穿越地层主要为侏罗系中统上沙溪庙组中段(J2 s2 ) 紫红色厚层、块状砂质泥岩 ,局
6、部夹薄层长石石英砂岩或透镜体 ;上部为全新统洪冲积层 (Qal + pl4 ) (图2) 。主要工程地质岩组为软质岩工程地质岩组 (C) 、较软岩工程地质岩组 (B) 。软质岩工程地质组工程地76 2007 年第 3 期 水文地质工程地质 质性质基本稳定 ,强风化带岩石厚 1140 4110m ,单轴抗 压强度 419 1412MPa ,岩体纵波速 2 300 3 920mPs ,岩石纵波速 3 160 4 718mPs ,完整性系数 01690180。较软岩工程地质岩组工程地质性质较稳定 ,强风化带岩石厚 1160 2150m。单轴抗压强度 19102719MPa ,岩体纵波速 2 210
7、4 561mPs ,岩石纵波速4 000 4 950mPs ,完整性系数 0170 0186。图 2 隧道工程地质纵断面示意图Fig. 2 Geologic profile of the tunnel(2)水文地质条件J2 s 砂岩裂隙含 (透 ) 水岩组主要由厚层长石砂岩层组成 ,地下水赋存、运移于砂岩层的裂隙系统或网络之中 ,渗透性强度取决于含 (透 )水层的裂隙发育程度 ,裂隙发育程度高的含 (透 )水层透水率高。裂隙含 (透 )水岩层的渗透性以中等透水和弱透水为主。隧道上覆岩体含水岩组与泥岩体相间产出 ,往往造成砂岩裂隙含水岩组中的地下水互无水力联系 ,各个砂岩裂隙含水层成为一个个独立
8、的水文地质单元或体系 2 。212 工程类比分析结果根据江底地形图和工程地质纵断面图 ,隧道越江段江底最低高程为 142100m ,松散覆盖层厚度不足 5m ,岩石质量好。根据有关资料 ,枯水季节水位在 16410m左右 ,正常条件下的水位在 17510m 左右 ,防洪标准警戒水位为 18015m。根据挪威偏于保守的经验 (图 1) ,枯水季节 (水深24m)对应的岩石覆盖层厚度是 24m ;正常水位 (水深33m)对应的岩石覆盖层厚度是 27m ;防洪标准警戒水位 (水深 38m)对应的岩石覆盖层厚度是 28m。根据日本经验公式 ,在不考虑松散覆盖层厚度的条件下 ,枯水季节对应的隧道埋深为
9、8 16m ;正常水位对应的隧道埋深为 11 22m ;防洪标准警戒水位对应的隧道埋深为 13 25m。一般情况下 ,隧道施工是在枯水季节。根据工程类比分析 ,取基岩岩石覆盖层厚度 20 25m 是可以的。3 数值模拟分析目前 ,围岩稳定性的判据大体可归纳为围岩强度判据和围岩变形量或变形速率判据。在低围压条件下 ,当岩体内某斜截面的剪应力超过破坏理论规定的滑动界限范围时 ,岩体就发生剪切极限破坏 ;当围岩的变形量或变形速率超过一定值时 ,也认为岩体发生破坏。把上述判据应用于水下隧道最小岩石覆盖层厚度的分析可假定为 : 在应力状态变化中以主应力的扰动范围作为依据来分析各计算工况的岩石覆盖层厚度
10、; 以相邻 2 种工况同一位置的位移收敛和变化最小作为确定最小岩石覆盖层厚度的依据 5 6 。311 数值分析模型的建立及参数选取根据隧道工程地质纵断面特征和有限元计算分析原理 ,建立如图 3 所示的分析模型 ,隧道拱顶上覆基岩23m ,松散覆盖层 5m。图 3 三维有限元模型Fig. 3 Three2dimensional finite2elementmesh and model geometry模型 8 个顶点的坐标分别为 :A( - 53 ,36 ,35) , B (53 ,36 ,35) ,C(53 ,36 ,0) , D( - 53 ,36 ,0) , E( - 53 , - 47
11、,35) ,F(53 , - 47 ,35) , G(53 , - 47 ,0) , H( - 53 , - 47 ,0)隧道开挖内轮廓 B = 111425m ,开挖高度 H =914m。计算域 x y z = 106m 83m 35m ,模型边界 x 方向位移面约束 , z 方向位移面约束 ,底部边界- y 方向位移面约束 ;上覆水深按 50m 考虑 (接近历史最高洪水位水深 54m) ,其荷载压力 015MPa。有限元分析本构模型为弹塑性 ,采用 Mohr2Coulomb 屈服准则 ,其塑性判据表达式为 :13 J1 sin + J2 cos -13sin sin - c = 0(1)8
12、6 水文地质工程地质 2007 年第 3 期 = 13 arcsin 3 3 J32 J32式中 : J1 第一应力不变量 ;J2 第二应力偏量不变量 ;c、 材料的内聚力和内摩擦角。经过有限元网格划分 ,共产生 3 290 个单元和15 621个节点。根据地勘报告和相关规范选取的材料物理、力学参数如表 1 所示。表 1 材料物理、力学参数Table 1 Mechanical parameters of materials材料名称 E(103 kPa) (kN m - 3)c(kPa)( )(kPa)基 岩 7 176 0133 25 370 30 100松散覆盖层 7123 0135 191
13、8 25 20 20锚 杆 210 000 长度 315m ,环向间距 110m ,纵向间距 510m喷射混凝土20cm 21 000 012 -隧道施工按上下台阶法施工 ,每次进尺 510m。具体结构分析过程为 :(1)初始状态地应力计算 ;(2)上台阶开挖 5m(A1e ) ;(3) A1e初期支护 (喷射混凝土 ,施作锚杆 ) ,上台阶又开挖 5m(A2e ) ;(4) A2e初期支护 ,上台阶又开挖 5m (A3e ) ,下台阶开挖 5m(B1e ) ;(5) A3e 、 B1e初期支护 ,下台阶又开挖 5m(B2e ) ;(6) B2e初期支护 ,下台阶又开挖 5m (B3e ) ,
14、B3e初期支护。312 数值模拟结果分析(1)主应力特征隧道开挖完成后 ,围岩最大主应力的分布特征如图 4 所示 ,隧道正上方基岩表面最大主应力及竖向主应力 y 与施工步的关系如图 5 所示。可以看出 ,隧道围岩最大主应力、竖向主应力尚未波及到上覆基岩表面。第 4 施工步后 ,上覆基岩表面的最大主应力和竖向主应力趋于稳定 ,不受隧道施工扰动的影响。可见 ,从应力状态变化中主应力的扰动范围作为依据分析 ,隧道最小岩石覆盖层厚度取 23m 是可行的。(2)围岩位移特征隧道开挖完成后 ,围岩竖向位移 Uy 分布特征如图6 所示 ,拱顶上覆基岩下沉位移如图 7 所示。可以看出 :竖向位移最大值为 21
15、0mm ,分布在隧道顶和底 ;上覆基岩表面的位移很小 ,约 015mm ,且基本趋于稳定。图 4 隧道围岩最大主应力分布 ( kPa)Fig. 4 Distribution of maximum principalstress of tunnel ( kPa)图 5 上覆基岩表面应力与施工步的关系Fig. 5 Relationship between overlyingbedrock and construction step有限单元的中心坐标 :258 (11244 , 291897 , 311057) ,582(11244 , 291897 , 281943) ,578 (11244 ,
16、291897 , 261057) ,902(11244 , 291897 , 231943)4 结论根据挪威和日本水下隧道建设经验 ,工程类比得到两江隧道正常水位条件下上覆最小岩石覆盖层厚度为 22m(日本经验公式 ) 27m (挪威经验 ) 。依据应力状态变化中主应力的扰动范围和施工工况对上覆基岩围岩的影响 ,三维弹塑性有限元数值模拟得出的隧道在历史最高洪水位条件下最小岩石覆盖层厚度取 23m是可行的。研究结果进一步证实了一些学者认为依据96 2007 年第 3 期 水文地质工程地质 图 6 围岩位移特征 ( m)Fig. 6 Characteristics of displacement
17、oftunnel surrounding rock ( m)图 7 隧道拱顶上覆基岩下沉位移Fig. 7 The crown displacement ofthe overlying bedrock挪威经验确定水下隧道最小岩石覆盖层厚度偏于保守的结论。分析结论不仅为两江隧道的规划、设计、施工提供了科学依据 ,而且为水下隧道稳定性分析提供了研究方法和途经 ,具有重要的理论意义和工程价值。参考文献 :1 邹云 ,蒋树屏 . 重庆朝天门两江隧道方案研究 J .公路交通技术 ,2004(4) :79 - 8312 重庆交通科研设计院 . 重庆两江隧道工程预可行性研究报告 R.重庆 :重庆交通科研设计院
18、 ,200513 胡政才 ,余辉 ,兰利敏 ,等 (译 ) . 挪威对海底隧道工程的研究 J .世界隧道 ,1995 (3) :68 - 7614 刘松 . 矿山法修建海底隧道最小埋深的探讨 J .隧道建设 ,2003(6) :4 - 615 王燕 . 复杂地质条件海底隧道顶板厚度研究 D.济南 :山东大学硕士学位论文 ,200516 王刚 . 裂隙岩体海底隧道最小岩石覆盖厚度研究D.济南 :山东科技大学硕士学位论文 ,20051Study on the minimum overlying rock thickness of a crossing2rivertunnel by borehole
19、2blasting methodJ IN Xiao2guang1 ,ZHANG Yan2qiong1 ,LIN Zhi2 ,YAN Qin1(11 College of Civil Engineering , Chongqing University , Chongqing 400030 , China ;21 Communications Research and Design Institute , Chongqing 400067 , China)Abstract : The minimum overlying rock thickness of a crossing2river tun
20、nel is one of the major factors , whichdetermine the construction cost and the safety of the tunnel. For the Changjiang River and the Jialingjiang Rivertunnels to be built in Chaotianmen , Chongqing , through the engineering analogy method and the three2dimensionalelasto2plastic finite element numer
21、ical modelling , the reasonable minimum rock overlying thickness is suggested.Engineering analogy analysis shows that the minimum overlying rock thickness is 22m 27m at regular water leveland numerical analysis shows that the minimum overlying rock thickness is 23m at the historic highest flood leve
22、l.The synthetical analysis result of engineering analogy and numerical modelling is that the reasonable minimumoverlying rock thickness is 23m of the Changjiang River and the Jialingjiang River tunnel.Key words : crossing2river tunnel ; minimum overlying rock thickness ; engineering analogy ; numerical modelling编辑 :张明霞07 水文地质工程地质 2007 年第 3 期
