长大海底隧道合理埋置深度论证

段壮志 张宗强 强文斌

(工程兵学院，江苏 徐州 221004)

0 引言

与其他类型的隧道相比，长大海底隧道具有穿越距离长、地质不定性因素多、海底岩层勘测难度大、地质超前预知能力弱等特点。此外，长大海底隧道虽然一般埋置于海平面以下上千米甚至数千米的深度，但扣除海平面到海底软弱岩层厚度(对隧道结构物顶部承压的极不利因素，岩层不能形成自稳体系)，海底隧道的净埋深显得很薄。根据海底隧道上覆层中软弱岩层厚度及隧顶到海平面之间的海水深度对海底隧道埋置处围岩及衬砌的压力影响及扰动情况，合理确定其埋置深度对于长大海底隧道的设计是有益的。

1 长大海底隧道的合理埋置深度

1.1 海底隧道对埋深要求的意义

从宏观上讲，为了避免海底隧道穿越不良地质段造成掘进过程中的坍塌、涌水及其他施工事故的发生，海底隧道应该埋置于坚硬、致密、完整的岩体中。从地质学角度及地下勘探结果来看，除了海底表面局部断层、沟壑、软弱破碎带及地下壅水等地质病害地址附近外，地下岩层随着深度的增加地质结构逐渐趋于完整、致密、坚硬，海底隧道埋置深度越大，避开海底断层、沟壑及避免地表海水渗漏或涌入的可能性也越大。同时，海底隧道在岩层中的埋置深度越大，在掘进过程中围岩的自稳性能越好，对海底隧道衬砌结构的受力与施工过程中的掘进环境越有利。因此，海底隧道在硬质岩层中埋置越深，越有利于衬砌结构受力及掘进施工。

但是，随着海底隧道埋置深度的增大，在隧道线路纵坡一定的条件下，穿越相同宽度海域的海底隧道其引入段长度随之增加，对新建海底隧道的经济性是极不利的。以埋深1000 m(含海水深度)的海底公路隧道为例，在隧道内线路最大纵坡限制下(参《公路隧道设计规范》)，海底隧道埋深每增加10 m，海底隧道出(入)口引出(入)段须各增加约200 m长度的经济投入。对于海底铁路隧道内线路最大设计纵坡限制的要求，则隧道埋置深度每加深10 m导致其出(入)口引出(入)段增加的长度对工程造价的经济投入影响更为显著。

对于穿越距离较短的海底隧道而言，采用加大隧道埋深改善衬砌结构受力性能与保证施工掘进过程中安全的理念进行设计时，其经济性矛盾显得尤为突出，因此，短距离海底隧道往往不过分追求埋置深度要求，而是以加强支护或采用沉管法等改善设计与施工理念的方法来解决海底复杂地质条件的不良影响。

在长大海底隧道设计时，一方面，穿越长度对线路纵坡设置提供可能的优势使得海底隧道埋入深层硬质岩层客观上可以实现;另一方面，海底隧道埋置深度的增加对衬砌结构受力、掘进施工安全及隧道运营过程中的渗漏甚至涌水等后续问题的改善极为有益，因此，在长大海底隧道埋置深度设计时，应综合比较围岩与隧道衬砌结构的受力要求、掘进施工安全因素与经济投入之间的制约关系，选定出合理的埋置深度。

1.2 长大海底隧道合理埋置深度含义

长大海底隧道的合理埋置深度是指在满足隧道结构受力要求的前提下，施工掘进过程中允许发生一定范围的围岩变形，在没有初期支护(或仅进行简单支护)的情况下围岩能够形成自稳，同时兼顾经济性要求下长大海底隧道的埋置深度。合理埋置深度是根据围岩类别、上覆岩层与海水的共同作用确定的。

1.3 合理埋置深度的围岩类别要求

我国尚未出台海底隧道围岩类别分级相关规范，借鉴现行的铁路或公路隧道围岩类别分级相关规定，在新建长大海底隧道设计选址时，在穿越海域范围内应使其尽量全布于Ⅰ，Ⅱ类硬质岩层中。

从原则上讲，新建海底隧道设计选址时应尽量避开节理发育、有层状软弱面(或夹层)的硬质岩层或节理较发育的软质岩层等Ⅲ，Ⅳ类围岩，或者，隧顶上覆层各类岩层中所含Ⅲ类以上软弱或较软弱岩层应尽可能薄。一般海底隧道不应在Ⅲ，Ⅳ类岩层中穿越，受地质条件限制隧道必须在该类岩层的海底深沟、断裂带、破碎带处穿越时，应以该段为特殊的设计、施工控制段作专门的围岩岩体、结构衬砌设计与施工方法设计论证。

由于海底Ⅴ，Ⅵ类土质、细砂类或夹土类围岩及属于Ⅳ类围岩中土质类或富夹土质类岩层在海水浸泡或浸润作用下处于流塑状态的地质层，隧道的海底穿越段不能按陆上隧道要求对其进行特殊承载要求设计计算，只能按其对下覆岩层的纯竖向压力作用进行设计验算，同时，海底隧道一般不在该类围岩中穿越。

1.4 长大海底隧道合理埋置深度的计算

长大海底隧道合理埋置深度h如图1所示。

其中，hi为隧顶各类地质层厚度。

隧顶上覆各岩层中h1～h4的值是确定的，因此，确定海底隧道合理埋置深度主要是确定穿越层(Ⅰ，Ⅱ类岩层)中h5的合理深度。

1)围岩计算模型。

a.将海平面到隧道埋置处之间的岩层(含海水层)按其对海底隧道开挖后围岩能否形成自稳分为三层:第一层是海平面以下到海底淤积层及属于Ⅴ，Ⅵ类土质、细砂类或夹土类围岩和属于Ⅳ类围岩中土质类或富夹土质类岩层(见图2)。该层仅作为对隧道埋置处的纯竖向作用，无自稳性，淤泥层及各类土质、富夹土质岩层可按其比重等代换为海水深度简化计算。

图2 Ⅴ，Ⅵ类及Ⅳ类富夹土岩层简化为海水层示意图

b.将节理发育、有层状软弱面(或夹层)的硬质岩层或节理较发育的软质岩层等Ⅲ，Ⅳ类围岩，或者，隧顶上覆层各类岩层中所含Ⅲ类以上软弱或较软弱岩层视为第二层。第二层具有一定的自稳性，由于原则上隧道不在该层穿越，因此，海底隧道的掘进开挖对该层扰动很小，该层沿节理面的层间摩阻力及节理面未贯通的岩体承担(抵消)一部分上层海水(或等代换为海水)及第二层自身重力的作用(即该层的自稳能力)。计算时根据该层岩体的节理发育程度、节理面走向等因素确定其所能抵消的竖向作用。

c.海底隧道埋置处岩体完整的Ⅰ，Ⅱ类硬质围岩为第三层。该层开挖后自稳性良好，侧向变形很小，主要承受上覆各层(包括隧顶以上第三层岩体)的竖向作用。目前，国外长大海底隧道在该类围岩中的埋深一般为数十米到上百米，图2中h5比隧道毛洞跨径l大得多，由上覆各层竖向作用产生的弯矩对隧道开挖断面横向跨径的影响已是次要因素，因此，对该层起制约影响的主要为上覆层作用引起的竖向剪力。

d.陆上隧道开挖后毛洞的围岩力学状态为应力重分布后的二次应力状态，须考虑自重引起的初始地应力场，并将其视为无限体中的孔洞问题。对于长大海底隧道，隧顶以上穿越层硬质围岩(如图2所示第三层)及选址时尽量避开的Ⅲ，Ⅳ类岩层(如图2所示第二层)相对于上千米甚至数千米无侧向作用的海水(含淤积层等)而言可视为板层结构，因此，在计算中可以忽略地场应力，仅考虑上覆各层对该板层的竖向剪应力作用，这样做对海底隧道衬砌结构受力是偏安全的。

2)合理埋置深度计算(见图1，图2)。

取沿海底隧道穿越方向单位长度的岩柱作为研究对象。

a.第一层地质层不具有自稳性，该层仅作为纯竖向作用，其竖向作用力P1为:

其中，γ0为海水比重;l为隧道开挖断面跨径;h0为图1中海水层、淤积层和Ⅴ，Ⅵ类及Ⅳ类富夹土岩层等各层厚度等代换为海水层的厚度。其等代方法为:

其中，hi为海水层、淤积层和Ⅴ，Ⅵ类及Ⅳ类富夹土岩层的各层厚度;i=1 时，取 γ1=γ0。

b.第二层自重P2为:

其中，γ2为第二层的岩层比重。

第二层岩体可以抵抗的竖向作用力F2为:

其中，α为第二层岩体相对于完整岩体的破碎程度折减系数，根据勘测资料中岩体的破碎程度取值;［τ2］为该类岩层的容许抗剪应力;2(1+l)为海底隧道穿越方向单位长度研究对象(岩层)的水平截面周长。

岩体可以抵抗竖向作用力F2的大小直接反映该岩层开挖或扰动时的自稳性能。

c.第三层(海底隧道穿越层)隧顶以上自重P3为:

其中，γ3为第三层的岩层比重。

第三层所须抵抗的竖向作用F3为:

其中，［τ3］为第三层岩体的容许抗剪应力;Pi由式(2)，式(4)，式(6)确定;F2由式(5)确定。

1.5 结论

长大海底隧道合理埋置深度h为(见图1):

其中，h1～h4根据对地层勘测实测而得;h5由式(7)确定。

式(8)主要用于长大海底隧道在海底穿越段的合理埋置深度计算。对于长大海底隧道出入口引出或引入段的隧道部分，其上覆层没有地表海水，可由陆上隧道成熟的设计、施工方法根据不同围岩类别要求进行设计计算或施工。

2 讨论

相对于陆上隧道，长大海底隧道最显著的特点是上覆层中深度很大的地表海水作用对隧道净埋置层受力模式的影响，使得长大海底隧道在计算过程中可以忽略开挖后地层的应力重分布问题。同时，深地表海水及无自稳性的淤积层、土质层或富夹土层在计算模式中的纯竖向作用使长大海底隧道合理埋置深度计算(不能将其视为无限体中的孔洞问题求解)成为区别于陆上隧道的又一显著特点。

此外，文中对于第二层岩层抗剪力的分析中，相对于完整岩体的破碎程度折减系数α在计算中具有一定的科学性与合理性，但在国内外隧道计算理论中尚未明确提出，其取值的具体性与合理性尚需有关专家进一步论证。

3 结语

综合经济性要求，长大海底隧道在合理埋置深度条件下一方面避开了海底断层、沟壑、破碎带等浅层不良地质段及海底电缆、光缆等管线，另一方面考虑了埋置深度增加造成隧道设计长度增大的影响，对结构设计的受力要求、掘进施工的安全要求及新建海底隧道资金投入的经济要求方面都有其积极的意义。

［1］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002.

［3］柳新华，刘良忠，侯鲜明.国内外跨海通道发展百年回顾与 前瞻［J］.科技导报，2006(24)：11.