厦门海底隧道设计_施工_运营安全风险分析

施工技术

2005 增刊CONSTRUCTION TECHNOLOGY 1 厦门海底隧道设计、施工、运营安全风险分析

王梦恕　

（北京交通大学，北京 100044）

［中图分类号］U455；U459.5 ［文献标识码］A ［文章编号］1002－8498（2005）S0－0001－04 Design，Construction and Operation Safety Risk Analysis of

the Xiamen Submarine Tunnel

WANG Meng－shu

（Beijing Jiaotong University,Beijing 100044，China）

厦门东通道海底隧道工程是我国计划建设的第一个钻爆法修建的海底隧道，1998年以来厦门市路桥建设投资总公司分别委托中交第二公路勘察设计研究院承担工程预可行性研究和工程可行性研究，此外还委托多家单位进行了相关专题研究，目前已经做了很多工作。下面将结合海底隧道的特点，重点谈以下几点：①顶板厚度的确定和工程对比；②水压力值的确定设计理念和施工理念；③衬砌结构断面优化和结构防排水方案；④海底穿越不良地质段断层和溶槽的措施；

⑤浅滩不良地质段的穿越措施；⑥隧道运营通风方式的选择；⑦服务隧道设置的必要性和防灾性。

1 顶板厚度的确定及其研究现状

在海底隧道的设计中，当线路方案选定后，合理地确定隧道的岩石覆盖层厚度十分重要。一方面，如果岩石覆盖层过于薄，海底隧道工作面就有面临严重的失稳问题和海水涌入的危险，即使不发生，也会使辅助工法的投入增大；另一方面，覆盖层厚度太大，不仅使得作用于衬砌结构上水压力增大，而且也决定了海底隧道的长度，可见，覆盖层厚度是一个主要经济因素。

不过应该明确的一点是，覆盖层厚度并没有技术上的限制，也就是说不会因为最小岩石覆盖厚度的问题，在技术上使海底隧道无法修建，无非是采用较高的开挖支护技术和投入较高的费用而已，但其工程风险之大是显而易见的。

日本青函隧道，水深140m，岩石最小覆盖层厚度100m。该值的确定是根据当时日本水下采煤的安全规程，即隧道最小埋深不小于60m，鉴于该规程并没有考虑水深这一因素，最后为了安全起见，将最小覆盖层厚度定为100m。而日本关门海底隧道海底地段平均覆盖层厚度仅为11m。

挪威是世界上采用钻爆法修建海峡海底隧道最多的国家，至今已建成累计100多km的海底隧道。挪威的交通海底隧道大部分位于火成岩和变质岩等比较坚硬的岩石层内，并对海底隧道最小岩石覆盖层厚度的问题上曾经做过专门的研究，提出了一些经验值（见表1）。1993年Nilsen，B.对于挪威当时已竣工的近20多条海底隧道工程的最小岩石覆盖厚度进行了统计分析，并给出了2条统计经验曲线（见图1、2）。与挪威经验曲线相比，青函隧道和关门隧道是2个极端的例子。可见，挪威的海底隧道设计似乎有点过于稳妥。

表1 海底隧道最小顶板厚度

最小覆盖层厚度/m

水深/m

（至基岩）好质量围岩坏质量围岩

最大坡度

0 ～25 25 30～35 2.0 25～50 30 35～40 2.6 50～100 35 40～50 3.8 100～200 40 45～60 6.0 此外，英法海峡隧道在施工过程中的服务隧道内，进行了覆盖层厚度与渗入水量之间的关系研究（见图3）。研究结果表明，在一定深（厚）度下面，流入水量的增加会逐渐增加到一个极限。因此，可以由此确定一个最佳的覆盖层厚度，这种研究是合理确定隧道线路与覆盖层厚度的一个先决条件。

事实上，我们在确定顶板最小厚度时，也应该从这两方面综合考虑，即围岩稳定性和隧道涌水量。

2 水压力值确定设计理念和施工理念

对于海底隧道而言，除了承受围岩压力，还会有

［收稿日期］2005－09－16

［作者简介］王梦恕，男，北京交通大学土建学院教授，博士生导师，工程院院士

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图1 挪威海底隧道最小岩石覆盖厚度

图2 世界主要海底隧道与挪威海底隧道　

最小岩石覆盖对比

图3 英法海峡隧道服务隧道覆盖厚度与渗水率关系　很高的水压力。有效覆盖层荷载可以被地层拱现象降低，而静水压力荷载则并不受影响，不能用任何成拱作用来降低。显而易见，海底隧道水压力值的大小是隧道衬砌结构设计的关键，其不仅与水头有关，还与地下水的处理方式有关（全封堵方式和排导方式）。

目前，我国铁路隧道设计规范和公路隧道设计规范在确定衬砌结构外水荷载时，从对地下水“以排为主”的原则出发，不考虑水压力。但对于具有稳定的高水头海底隧道如何确定作用在衬砌结构上的水压力，并不是一个简单的问题，通常是参照水工隧道设计规范和经验，根据开挖后地下水渗入情况，采用折减系数的方法对地下水位进行相应的折减来计算隧道衬砌的外水压。但是，水工隧洞仅仅要求围岩的稳定性，并不需要控制地下水的排放量，通常采用隧洞附近的天然排水（如溶洞）或人工排水等措施来减小外水压力，而海底隧道不能自然排水，显然从设计理念上就不适用于海底隧道。

在国内外的隧道工程中，对地下水的处理方式可以分为两种类型：全封堵方式和排导方式。通常情况下，当水头小于60m时，采用全封堵方式；当水头大于60m 时，宜采用排导方式，并通过施做注浆圈来达到限量排放的目的。在以上两种情况下，如何计算衬砌水压力，目前还没有系统地进行研究。厦门东通道水下隧道的地下水和海水总水头在50～70m左右，从选择地下水处治方式（即全封堵方式和排导方式）和技术经济合理性出发，采用两种方式都是可行的，故有必要结合海底隧道的特点，对此问题进行系统深入地研究。由于该问题所涉及的内容较多，这里就不讲了。下面重点讲一下《东通道隧道衬砌结构形式及其可靠性研究》科研项目在隧道衬砌水压力值确定方面的研究成果。

模型试验研究方法是用与自然现象或过程相似的模型来进行研究的方法。海底隧道具有相对稳定的水头，在试验中用恒定水位的水箱来模拟，根据厦门东通道隧道工程地质情况，分别设计了全堵方案和限量排放方案两套试验。同时，试验设计考虑到地层渗透性的相似、水压的相似、注浆圈大小及注浆效果对衬砌背后水压的影响，具体相似试验设计就不多谈了，可以参见专题报告。对隧道模拟范围根据地下水渗流等效原理进行平展处理，模型设计基本情况如图4所示。值得一提的是，该模型试验由中铁西南院主持完成的，很成功。

通过模型试验研究表明：

（1）若采用全封堵方式防水，则衬砌背后的水压力不能折减，即使采用了注浆加固（防坍）水压也不能折减。

（2）采用排导系统防排水，能有效降低水压力。但是，如果排水系统中的盲管堵塞时水压力会上升，出水孔也无济于事，因此，排水系统须可维修。

（3）与全封堵的情况不同，在排水的情况下，围岩的渗透系数与传到衬砌上的水压力有密切的关系，在相同的排导系统设计参数的情况下，隧道围岩渗透系数减小，衬砌水压力亦随之减小，即折减系数越大（见图5）。

（4）对于排水情况，与全封堵的情况不同，在相同的排导系统设计参数的情况下，若对围岩注浆，可以降低渗透系数，能够起到限量排放的作用，也可减小衬砌的水压力。

（5）假定盲沟全环布置，长度等于隧道轮廓周长，排水沟设于隧道底，盲管排水系统的设计参数中，对水压力有显著影响的主要是盲管间距、盲管直径及衬

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砌中的出水口直径，为了确保排水减压效果，盲管间距应不大于某临界值，盲管直径及出水口直径则应不小于临界值。

图4 模型设计示意

图5 渗透系数与水压折减系数关系

但是有一点必须注意，以上模型试验并没有考虑地应力这一主要问题。

3 衬砌断面优化与防排水设计

根据海水深度和隧道顶板厚度，东通道海底隧道最大水头高达0.7MPa，若采用全封堵方案，水压力对衬砌结构内力的贡献最大，并起着决定作用，在这种情况下，从经济的角度考虑，有必要选取一种隧道结构受力和开挖面积较小的断面形式。如果采用排导方案，则需要确定出注浆加固圈的厚度及其渗透系数的大小，其结果不仅与隧道结构承受的静水压力大小有关，还和排放量的大小有关。此外，若达不到设计要求时，可能会影响注浆加固圈的稳定性和排放量是否能够得以控制，最终对隧道安全会很不利。故采用限量排放方式时，应对加固圈的厚度和渗透系数的大小进行专门的研究，以便确定出不同静水压力条件下隧道加固圈的最为合理的加固范围。可见，采用限量排放方案，关键在于对隧道周围围岩的注浆效果和注浆加固圈的厚度如何等有关，与二次衬砌的断面形式关系不大，注浆加固圈需要进行专门设计。

基于以上分析，我们重点进行了全封堵方案情况下主隧道和服务隧道的衬砌结构优化。

针对厦门东通道海底隧道所处的地质和水文环境，从优化设计的角度出发，内轮廓采用多心圆形式。在满足隧道建筑限界的前提下，并从经济上考虑，减少隧道开挖量，提出了多种断面形式进行计算。

计算结果表明，在选取断面形式时，应该特别注意以下几点：①不宜选取仰拱扁平的断面结构形式；

②隧道仰拱和边墙宜采用大直径圆弧顺接，以改变边墙下部受力；③隧道边墙下部所承受的弯矩值很大，在具体设计时应将该处截面加厚。

对于服务隧道，建议服务隧道采用圆形的断面形式。

由于厦门海底隧道压力水头相对不高，最大仅有0.7MPa，建议在具体设计时，衬砌计算考虑全水头；防水体系设计的原则是“以堵为主，限排为辅”，即采用防水板＋埋设填料＋排水孔，从而达到限量排放的目的。此外，当然也可以考虑用注浆圈。

4 海底穿越不良地质段的施工方法

厦门东通道海底隧道主要位于海底弱、微风化花岗岩中，穿越3条强风化基岩深槽和4号风化囊，而且微风化风化槽附近存在微风化岩破碎带，地下水具有一定的承压性。开挖扰动后，极易发生涌水、突水，威胁施工安全。由于水压力较高，水源补给无限，且施工中不具有自然坡排水条件，一旦发生大的突涌水，就可能引起严重的灾难性后果。典型的工程实例莫过于日本的青函隧道，在施工期间，发生了4次严重涌水事故，轻则给工程进展造成影响，重则使工程安全和施工人员的生命毁于一旦。因此，软弱不良地质段的穿越，是海底隧道工程施工成败的关键。青函隧道海底段施工过程中，采取的方式是探水→注浆→开挖3个环节交替进行，而水平超前钻探和注浆被认为青函隧道最为成功的两项技术。

穿越软弱不良地质段的问题，主要是加固堵水的问题。目前国内外经常采用的方法是注浆法、冻结法和其它辅助方法。下面结合具体工程实例介绍几种穿越软弱不良地质段的施工方法。

4.1 全断面帷幕注浆

由防排水和防渗水的重要性决定了注浆工法成为青函海底隧道最为现实的辅助工法。注浆范围取决于土质和渗水情况，其基本设想是使注浆带厚度延伸到松弛带外侧，一般注浆范围为毛洞洞径的2～3倍，海底段为3倍。每次注浆段长分3个阶段：第1个阶段为35m；第2阶段至50m；第3阶段至70m。然后开

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挖，预留20m为下一次注浆的工作面，如图6所示。注浆孔呈伞形辐射状，每孔承担3倍孔径范围的堵水效能。注浆材料采用具有良好渗透性的水玻璃和超细高炉矿渣水泥。欧洲注浆段一般取得较短，如英国第2座穿越泰晤士河隧道，导洞通过淤泥、砂砾层时，注浆段仅取11 m。因此，注浆段多长为宜，应视具体情况及经验而定。

图6 全断面帷幕注浆示意

4.2 导坑超前帷幕注浆扩挖法

具体做法是，先对导洞进行全断面帷幕注浆，然后再径向注浆，扩挖隧道其余部分。采用这种方法好处是可以将注浆段一般取得较短，也容易保证注浆的质量，特别使用于大断面隧道穿越软弱不良地质段。Guavio水电站泻水渠穿越溶槽地段就是采用这种方法，溶槽宽约80 m，水压高达2.0MPa。具体方法是：每次注浆段长15m，然后开挖，预留5m为下一次注浆的工作面，最后再采用径向注浆的方法。

4.3 全断面先注浆后冻结法

冻结法是利用冷媒传递冷量给地层使含水地层降温冻结，依靠冻土的强度达到承受地压的目的，使开挖和衬砌工作处在冻土保护之下安全进行。冻结法的特点是适应地层条件广，但可靠程度不稳定，造价高，周期长，融冻过程对地层破坏严重，因此采用先注浆后冻结可以更可靠，造价和工期均可减少。所以用于注浆加固方法不能全部堵住水流的情况下采用。它完全有条件用于海底隧道穿越断层破碎带，尤其对于注浆法不能实现的渗透系数小于10－4cm/s的断层泥，完全可以作为一种最后手段加以应用，确保安全可靠地穿越断层破碎带。在我国用于隧道方面的实例很少。但注浆冻结法有其弱点和实用条件，主要问题是所用设备多，成本较高，对冻结本身的质量和施工准确性要求高。此外，冻结法要求地下水流速不能太大（不宜超过2.0 m/d），否则土体将难以冻结。

挪威Oslofjord海峡隧道，在穿越破碎带时，通过超前探水发现，隧道穿越该破碎带时，上部围岩含有粘土、砂子、卵石和块石等，下部围岩为碎石，并含有粘土，渗透系数较小，水压高达1.2MPa。为了确保工程如期完成，采用迂回式施工法，做了350m长的旁通道，断面面积为47m2。

5 浅滩不良地质段的穿越措施

对于浅滩地段，基本处于全风化花岗岩地层，为II、III类围岩，隧道跨度达16m，高度约为11m，如此大跨度海底隧道在国内外隧道建设史上还是少见得。为了保持隧道成型良好，减少超欠挖，减少对围岩的扰动，不仅要制定较合理的减振爆破技术，而施工方案也显得尤为重要。

对于浅滩不良地质段，建议以水泥旋喷桩对隧道外围围岩进行改良，以保证开挖面的稳定性，隧道开挖采用CD法或CRD法。在具体施工时，可以考虑采用其他辅助工法。

6 隧道运营通风方式的选择

建议采用纵向射流式通风，在左、右洞各设置

1个竖井，将隧道纵向分为2段进行通风，可以用

少量射流风机解决通风问题。具体是由隧道两端引

进新鲜空气，从竖井排出。

竖井设置在浅滩地段，其施工方法可以采用钻

孔连续墙做围护结构，内做衬砌。

7 服务隧道设置的必要性和作用

（1）施工阶段在施工阶段，服务隧道的设置具有以下优缺点：①可以作为平行导坑，能够超前探明地质状况，以及取得不良地质段处理的方法和工艺；②可以通过横洞及时沟通左右线正洞，可开辟多个工作面，加快施工进度，使4年的工期得到充分的保证；

③有利于隧道施工通风、排水及施工资源的合理分配；

④在2条主隧道开挖之前，由服务隧道向主隧道拱部范围进行侧向探测，可作芯心钻探并作压水透水性试验，以验证岩石质量与涌水量。⑤主隧道施工过程中，对于局部不良地质段，可在服务隧道内进行提前注浆，而不影响其余地段的施工。

（2）运营阶段①服务隧道作为紧急避难通道，解决隧道运营期间突发灾害时，人员的避难、逃生和救援；②作为检修通道，其上下空间又可作为管线通道，便于隧道管理人员的日常维护，同时可适当减小主洞断面；③服务隧道里可以铺设各种电线电缆，作为城市公用沟；④隧道运营期间也可作为排水通道及作为维修养护安全通道等。

但是，有一点必须值得注意，在军都山隧道施工过程中，导洞中出现的断层数仅为正洞中出现的断层数的73%，而且在位置上预报也不准确。位置误差小于2m 的占56%～62%，误差5～10m的占75%～81%，而这个导洞距离正洞不足30m，对注浆预报是会准确的。