书馆banner

您的位置:首页 > 书馆 > 工程档案

博斯普鲁斯隧道工作井的设计和施工

作者:  来源:驰道通达   发布:2018/11/16  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:土耳其一项隧道计划,在博斯普鲁斯海峡下面建一条三层的隧道,连接伊斯坦布尔的亚洲部分和欧洲部分。土耳其总理艾哈迈德•达武特奥卢说,这条长约6.5公里的隧道将与伊斯坦布尔现有的高速路、铁路合为一体,以缓解城市交通压力。本文将介绍该隧道位于亚洲端的工作井的设计与施工。

土耳其博斯普鲁斯海峡隧道长为5.4km,海底段全长3.4km,采用TBM开挖,是世界上水压最大的TBM隧道之一;欧洲端设工作井、明挖暗埋段以及U形槽;亚洲端设工作井、新奥法隧道、明挖暗埋段以及U形槽段,亚洲端工作井和新奥法隧道的平面布置图如下所示。

博斯普鲁斯海峡隧道平面

亚洲段隧道结构平面图

工程地质

隧道所处地区地质条件非常复杂,在TBM一文中已有介绍。大的地质构造位于称为北安纳托利亚大断裂带,该断裂带是世界上地震活动最多的地区之一。对隧道影响最为直接的是马尔马拉断层,它是北安纳托利亚大断裂带的一部分,位于隧道的南侧,在地震期间依然是活动断层。

该地区地层在当地被称为色雷斯组(Trakya formation),它呈现为下石炭统的特征,主要由砂岩、粉砂岩、泥岩相互夹层以及火山岩脉侵入,在受到强烈折叠和断裂的地质作用下岩体强度呈高度的可变性。场地详细地质调查完成于2010年至2012年之间。工作井共设12个地质钻孔,设置依据参考了Eurocode 7的建议,即对于对类似的结构物,地质钻孔间距宜不大于50m。新奥法隧道段钻孔设置参考伊斯坦布尔类似工程经验,并适当加密。对地质钻孔岩芯进行了大量的土工及岩石试验。

工作井西端离博斯普鲁斯海峡仅70m,西端的地下水位距离地面约4m,距离博斯普鲁斯海峡较远的东端的地下水位距离地面约8m。岩体质量分类使用岩石质量等级(RMR)和地质强度指数(GSI)进行评估,两个系统都显示岩体质量分布为非常差至较好。下图为其中一个钻孔深度10.5—26.2m处的岩芯,从上到下分别为2m砂岩、4.5m的角砾岩、4m的砂岩和5.2m的泥岩,从图中可以看出,较完整和完全破碎的互相交叠,没有特别的规律。图4为部分钻孔位置及其RMR值,从中可以看出,不同位置围岩变异性很大。在复杂的地层中选取合适的设计参数相当困难,最终,经过较多讨论以及参考当地经验后,将岩石分为较好、差、很差和非常差四种,有效摩擦角(φ’)范围取20°~35°,有效黏聚力(c’)范围取60kPa~160kPa。具体计算时将最近钻孔的地质代入。

工作井S-AS-101钻孔10.5-26.2m

工作井部分钻孔分布和RMR值(由岩芯恢复围岩分级值)

亚洲端工作井

TBM从亚洲端的工作井入坑开始跨海段开挖,同时亚洲端工作井也是新奥法隧道开挖的起点,因此该工作井也被称为两种施工方法的转换井。

工作井平面(全长168.26m)

根据隧道总体设计需要,工作井全长168.2m;在TBM侧宽25.0m,挖深38.2m,是工作井最大挖深;新奥法隧道侧宽34.4m,挖深31.3m,如图所示。

工作井尺寸:向新奥法隧道侧即东侧


工作井尺寸:向TBM隧道侧即西侧

工作井围护结构分上下两层,上层为防水的咬合桩,桩直径为0.8m,桩间距1.3m,桩长12.2m~20m;下层采用灌注排桩,桩直径为0.8m,桩间距为1.10m,两桩之间净距为0.3m,如图所示。

原设计工作井围护结构典型断面

预应力锚杆长24~48m,最初设计采用双重防腐锚杆(DCP),但现场测试发现外层防护套管粘结性能较低,最终放弃了外部套管,由于工作井主要服务于施工期间,虽然施工期长达2年,但去除套管的性能仍可满足要求。上层锚杆的预加力取45t,下层锚杆的预加力取60t两种,锚杆工作长度取8m。支护结构分上下两层,主要考虑到在岩石地层中一次性施工长达50m的长桩的难度较大,而且分两层有利于通过上层施工更好理解地层并及时调整下层的设计。

根据土耳其交通运输部规定,墙体的水平变形应控制在0.1%~0.2%。设计依据欧洲规范设计方法2,采用有限元软件Plaxis和Zsoil验证和校核墙体和锚杆的变形和应力位于安全范围内,极限平衡法用于检查整体稳定性。工作井的监测系统包括14个测斜仪测量墙体的变形和位移,16个水平拉伸计和63土压力盒监测锚杆的变形和应力。

2013年5月27日至5月29日南墙靠TBM端头处变形突然变大

基坑开挖始于2013年4月。开挖过程中发现,某些位置的岩体显示出软弱的粘土状,并可以轻松地进行开挖;地下水涌入量大于预测,许多锚头渗水。2013年6月的第一周,在开挖深度达到12m时,南侧西段围护墙靠TBM端的测斜仪测量出意外的横向位移,横向位移突然从13mm迅速增加到26mm;锚杆的荷载相应增加,达到屈服强度的80%,触及橙色警报。开挖工作不得不中断,同时对西侧重新回填,增加墙前的被动土压。围护墙体出现的过大变形而停止挖掘后,不得不重新评估围护结构的计算和设计。

南墙侧回填并增加锚杆

分析锚头处土压力盒和拉伸仪传输的数据表明,在位移突然增大期间,锚杆荷载无损失,荷载随位移增大而增大,锚杆自由长度段伸长量与预计伸长量吻合,说明锚杆锚固区未发生滑移和蠕变,锚头无应力松弛。问题归咎于地质条件,实际地层比原设计中考虑的更加复杂和多变,实际参数比预计的更加不利。现场观察发现,该区域的岩石高度风化成颗粒状,更接近于无黏性的土体。另外可能原因是在南墙局部存在V形的不连续面或断层,它的倾向和走向直接作用于开挖面,对墙体不利。有限元软件Plaxis 2D被用于评估变形的发生。反分析表明,原设计分析中采用的摩尔-库仑准则难以准确模拟实际变形,调整为Hardening Soil模型后可以较好的模拟实际变形,此后计算中采用均采用Hardening Soil模型。有限元分析表明,变形的可能原因是西南侧墙后存在一个横向宽度6~8m,向下延伸至-19m以下(对应于西南端最深的咬合桩下约2m的深度)的剪切破坏滑动区直接作用于围护墙。

分析表明,在此情况下,围护结构对开挖深度的变化非常敏感,即使是0.5~0.75m深的开挖也足以引发墙后的破坏区的进一步张开。基于这些发现,需要严格限制开挖的深度和宽度,并且要求开挖后立刻安装预应力锚杆。设计参数根据墙体变形的反向分析进行了重新修改。使用修改后的参数和H-S模型,重新对围护结构进行了设计,主要的措施是在上、下两段截面的每个横断面上增加了2~3排预应力锚杆,并增加了下排钻孔灌注桩配筋达4%。桩基插入地基最小深度为6~7m。具体的设计如图所示。

反分析后工作井横断面设计及选取的计算模型

实施这些补救措施后,于2013年12月成功完成了工作井开挖工作。TBM随后于2014年4月从工作井向西推进。

TBM一侧挖到井底

新奥法隧道一侧挖到井底

施工有关照片

工作井规模颇大,地质较差挖机轻松搞定

密密麻麻的预应力锚杆

 顶上有个施工栈道

TBM开始组装没有横支撑,下面TBM的基座

进洞是高风险活,顶几个钢管撑是很利于稳定

新奥法隧道一侧工作井,TBM是双层隧道,上面车道要下来了

新奥法隧道的设计和施工只能有时间再介绍了

这是欧洲端一侧的明挖暗埋段和工作井

博斯普鲁斯海峡隧道获“2015年度关键隧道工程奖”

博斯普鲁斯海峡公路隧道建设堪称成功,曾经获得了“2015年度关键隧道工程奖”,在刚刚结束的国际隧道年会上获得了“2018年度国际隧协(ITA)技术工程创新奖”。但成功的背后需克服诸多困难,亚洲端工作井可谓其中之一。

面对复杂的地质条件,工作井设计和施工过程中最大的困难是难以准确的定义地层条件并选择合理的模型和参数。如果使用保守的设计参数来弥补对现场条件理解的局限,项目成本和进度会显著增加,然而,在允许范围内选择更有利于成本和进度的设计参数可能导致设计不充分。

在博斯普鲁斯海峡公路隧道工程中,与总承包商充分讨论潜在风险后,设计使用更有利的强度参数来设计工作井的围护系统,以实现更经济的设计。控制项目风险的措施是加强监控量测,依靠多种监测手段对关键指标进行监控,以确认施工过程结构变形是否满足设计预期,并指导下一步设计修改和施工补救。开挖不久,监测数据确认了围护结构的异常变形,反分析得以充分开展,成为安全施工的关键,从这一点上来说该工程堪称成功。一个理智、成熟的承包商必然充分重视监控量测数据,因为这是复杂地质中,应对不确定性,少有被验证可行的方法。

工作井采用预应力锚杆支护,在突然增大的变形过程中没有出现蠕变或应力松弛,充分发挥了锚杆拉力,说明在类似地层中,拉锚式支护是可行的。

欧洲端的接收井,TBM在这里完成亚洲到欧洲的跨越


隧道网版权及免责声明:

凡本网注明“来源:隧道网”的所有作品,版权均属于隧道网,未经本网授权,不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,须在授权范围内使用,并注明“来源:隧道网”。违反上述声明者,本网将保留追究其相关法律责任的权利。凡本网来源注明为非隧道网的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,该文章仅代表作者观点,并不代表本网赞同其观点或对其真实性负责,请读者自行核实相关内容,仅作参考。如因作品内容、版权和其它问题请与本网联系。

关键词

相关文章

网友评论

发表评论

发表评论 (回复限1000字以内!)

加载更多...


隧道网手机版
隧道网微信公众号
╳ 关闭