一、世界著名海底隧道不良地质段施工技术
海底隧道由相关理论的开始、产生、发展至最终实现，在促进人类交通便捷化的同时，也产生了很多新的工程和技术挑战，巧巧着巨大的以险，引发了一系列工程事故。海底隧道不良地质段在建造过程中出现的一系列工程难题推动了海底隧道理论研究的发展，理论研究的成果应用于工程实际，又促进了海底隧道建造技术的进少。因此，海底隧道建造技术和理论研究是相辅相成，共同促进的。下面就世界著名海底隧道在建造过程中针对不良地质段所采用的建造技术作一简单介绍。
1 靑函隧道
鬥本青函隧道为新干线铁路隧道，穿过津轻海峡，全长巧.85km，海底段长23.3km，采用钻爆法施工。隧道在海面下最大埋深为240m，其中水深140m左右，隧道顶部岩层平均厚度为100m，隧道设计最大级坡为12%。隧道由两条主洞和一条辅助坑道组成，主洞为双线马蹄形断面，内径为9.6m，辅助坑道与主洞平行，间距30m，内径为5m。隧道通过地层主要为火山质岩和中新流沉积岩，沿线海底段有9条较大的断层，其它小断层每千米约1-3处，地质条件十分复杂，地下水为基岩裂隙水，水压力值达2.5MPa。青函隧道的海底段长达23.3km，由于不能像山岭隧道一样多开挖竖井、斜井以増加工作面，只能从两岸向海峽中央开挖施工，因此每端都有长达10bn多的独头隧道施工，其通风、运输各项作业都十分困难。
青函海底段隧道于1972年正式开工，1988年3月全线通车，开挖持续了16年。虽然隧道施工过程中在不良地质段发生了4次大的涌水，但青函海底段隧道最终能得以贯通，并琪称20世纪最宏伟的隧道建设壮举，送得益于隧道开挖过程中采用的一系列的不良地质段开挖稳定性控制技术，这些技术为后来的海底隧道的修建留下了宝贵经验，青函隧道在不良地质段开挖稳定性控制技术主要包括；
（1）超前地质预报:青函海底段隧道采用千米水平钻机超前钻探，预先掌握地质和可能发生涌水的情况，同时采用辅助坑道作为地质探洞进行地质调査，并处理主洞涌水，増开工作面；
（2）超前地层加固:对不良地质地段，先注浆堵水和加固围岩，再进行开挖:在水的处理上以堵为主、以排为辅。隧道注浆范围一般为3倍毛洞直径。正洞注浆段一般长70m，平行导坑和先行导坑一般为40m.JT挖段则为60m或30m，预留10m不挖作为止水岩盘。注浆钻孔化置根据注浆范围及隧道管巧形式确定， -般呈伞状福射状，孔数根据地质水文资料及每化负担约3m的固结范围确定，注浆终压一般为3倍涌水压力；
（3）减小地层扰动:巧挖爆破采用密布眼、穿巧孔、放小炮的措施，尽量减轻爆破对围岩的扰动，支护紧跟巧挖作业面；
（4）准备安全和应急设备:在海底段两端斜井底部设胃了庞大的排水设备，保证及时排出进入巧挖面的海水；采用电网电源和自备发电机双电源确保海底隧道施工供电安全、可靠，保障排水、照明、通风不间断。
（5）合理的支护结构设计:青函隧道海底段外水压力经测试达2.5M化，如按承受全部水压力计算，则隧道衬砌相当厚，鉴于在开挖前进行了注浆堵水，为了经济及易于施工，隧道衬柄按不承受水压设计，采用泄水方法。根据地质条件，隧道大部分采用马蹄形断面并做仰拱(地质条件好的地段不做)，全部采用H型巧和喷射混凝土支护以及70-90cm厚的C16混凝土衬巧。
2 英吉利海峽隨道
英吉利海峽隧道工程是20世纪最大的工程之一。该隧道全长50.5km，海下长37km，共设有3条平行的洞室，其中两条单线铁路隧道，内径为7.6m，相距30m，中间为服务隧道，直径为4.8m。隧道采用掘进机法施工。英吉利海峽最大水深为60m，隧道最小覆盖层厚度为21m。英吉利海峡两岸的地层也不对称；英国一側海岸，地层语皱平缓，白蛋较完整；法国一侧海岸，白至层常有裂隙，加大了地层的透水性，同时隧道有遇到不稳定地层的危险性，而且还穿过一层含水的乂色白聖层达蓝色白奎层。
英吉利海峽隧道的施工工期为4年，比计划的工期缩短了3年，工程采用n台隧道掘进机同时开挖，每个工作面上安排5个班组，24小时轮班工作。英吉利海峡隧道的成功贯通为海底隧道的修建留下了许多宝贵的经验。
（1）先进的地质勘探；英吉利海峽隧道运用较为完善的离新技术，全方位的进行地质勘察，确定适合开挖的岩层。英吉利海巧隧道地质钻探工作从1958年开始，1987年结束，共钻探94个重要钻孔。浅层勘探主要在塔道布置范围内的海底以下150m之内进行。同时采用大型北海石油钻机在海底以下800m之内进行巧层勘探，用以评估地震^险，平均每个钻孔巧用在50万英镑左右。勘探结果显示，在海底存在层厚度h=30m，饱和容重y==23KN/m3，单轴抗压强度p=6.9M化，变形模量E=800·1600M化，蠕变系数(=1.5，渗透系数k=(l·2)X10-5cm/s的泥灰质白里岩(Cha化Marl)。该层泥灰质白里岩具有抗渗性好，硬度较小，裂隙较少，易于掘进等优点，因此它的下部，在海底25-40m的地方，非常适合踐道掘进。为适应岩层的起伏，同时满足隧道运营坡度的需求，隧道纵向和横向都呈平坦的以形。工程专家们认为，英吉利海峽隧道能找到理想的，适合隧道掘进的岩层的关键就是收集了充分的地质资料和做出了正确的判断。
（2）超前地质预报:英吉利海峽隧道工程在施工期间大量采用了超前水平钻孔和地质超前预报；
（3）超前注浆加固不良地层:海下服务隧道在开挖1km后遇到了极为困难的地层。水从高度裂隙岩体中流出并冲刷出岩石碎块周围的细屑，从而导致直接在盾构掘进机后面形成懊形的地层巧落。对此采取的措施是，从机械掘进的服务隧道进行灌注二氧化娃为主要原料的浆液，在约700m的地段形成一个保护罩；
（4）对于不同性质的地层，采用不同设计的隧道捆进机:英国一侧海岸地层为蓝色白輩，岩性较好，自稳能力强，因此在掘进后直接铺设衬棚。法国一侧海岸地层极可能遇到富水断层，并且开挖断面位于海平面以下90m，将承受9Xl〇5pa的水压。为防止在开挖过程中的突、涌水，在踐道掘进机上安装不透水的隔膜和高压垫圈，从而把盾构旋转头与隧道的其它部位隔开，同时安装涂有专口润滑油脂的金属刷组成的一个止水圈，使掘进机护盾外壳能在己铺装的拱形衬硕懊块上滑动。
（5）准备一系列安全和防火措施:包括联合灭火方案、重大灾难紧急救险方案、各种紧急状况应急方案等。在隧道施工期间，采取以下严密的安全和防火通讯指挥措施；
l 地面王程指挥部利用有线通讯设备及时了解和指挥水下各工程段的施工和防火安全；
l 水下工程检验(特别是检漏)人员利用超短波手机通讯及时向地上指挥部通报情况；
l 使用特种財高温通讯设备。由于在地下工程施工阶段，萬温作业区的辉接、连接和钻化机等处易发生火灾，所以需使用能耐950’C島湿的特种有线通讯设备，及时通报情况和指挥联络。
挪威隧道
在过去30年單，挪成连成了40条海底隧道，积累了丰富的巧验，形成了被称为"撕威海底隧道概念"的一整輕技术￡以。挪威海底踐道一般会穿越的岩层众多，其中最为常见的是硬岩(像前寒武纪的片麻岩)，有时也不得不穿过硬度较低的千枚岩，性质不佳的页岩与片岩，或者断层、软锅带或强风化带，给施工带来极大的困难。挪威均采用钻爆法开挖，为确保隧道修建过程中的安全，挪威海底隧道修建的主要经验和技术措施包括:
（1）巧制隧道的虽小围巧覆盖厚度:最小围覆盖厚度是海底隧道最重要的参数之-，鬧岩覆盖太小会增加隧道失稳的可能性，并增加隧道漏水、支护、防渗和排水的费用，此外，围岩覆盖厚度还与灌浆压力有关，要保化预灌浆质量，必须用化够离的压力，而离灌浆压力则要求有足够的围岩覆盖厚度。关于海底隧道最小围岩覆盖厚度，巧威公路隧道设计规范规定要求大于50m；如果小于50m，则必须进行详细的地质勘探及特别分析，并报告国家公路管理局批准。但实际上，由于拂咸海底踐道所处围岩性质较好，分析结果表明采用的最小围岩覆盖厚度一般可小f50m.最巧的只有23m。最小围岩覆盖厚度与围岩强度和基岩以上水涕有关，围岩强度島，基岩上海水巧，围巧覆盖厚度可降低。海腹踐道最小尚岩覆盖厚度通常用工程类比法，矩经验确定。
（2）详细的地质勘探；在挪威，陆地隧道的地质勘探费用通常占总施工费的1%左右，而海底隧道要占到5%-10%左右。在规划阶段，采用海洋声波发射探测海水深度、海底地形和松散材料覆盖层；在详细设计阶段，采用物理探测和钻孔探测相结合的方法，详细定义隧道顶板围岩的覆盖厚度和不良地质体的位貴、交界面及围岩性质。物理探测主要采用折射地震波探测。钻孔探测主要在岸边或海中岛蜗、礁石上进行，有垂直孔，倾斜孔或水平定向孔，同时取芯。水平定向孔通常从与水平线成25"45-逐步转到水平，由岸边倾斜巧钻，由此可以得到隧道可能遇到的大部分断层和软弱带的详细资料。
（3）超前地质预报:当系统探测钻孔发现海底隧道某段可能存在出水带或其它不良地质条件时，开挖时在掌子面进行超前地质钻孔，以保证确定出在距工作面前方足够远的地方的可能涌水量，为超前注浆封闭确定参数。
（4）超前地层加固:通常当一个或多个探孔的出水量超过6L/min且出水处至工作面的距离小于10m时即施行超前注浆。首先钻锥形布晋的注浆孔，注浆截止压力要适合于具体情况，如采用普通快凝水泥时一般为4M化。为缩短凝固时间尽可能快地开始下一个爆破循环，可以采用特殊的速凝水泥(Lemsil)在注浆截止压力为6MI>a时进行注浆，这样可使注浆时间由2仙降至化。挪威海底隧道平均每米注浆量一般为0-100多公斤。
（5）配备了特殊的应急设备來对付大涌水:
l 水累应有对付大涌水的能力，有危险时备用水系应能立即投入使用；
l 停电时应急电源应能立即投人使用；
l 超前注浆所需的一切设备和材料在隧道开工么前就应放貴在现场；
l 隧道海底部分施工时，备用的全断面衬巧模板，应能迅速运到掌子面，当需对工作面斑注混凝土时，设计的模板应能封闭工作面。
综合而言，历史化界著名海底隧道在处理不良地质段的主要施工技术包括:保证海底隧道有一定的上覆围岩厚度，减小围岩特性不确定性的影响，保证开挖稳定性；详细的地质勘探和超前地质预报，探明不良地质段的位置和地质特性，从而能够及时采取措施；超前加固不良地质地质体，封堵海水，增加困岩在开挖过程中的自稳能力；注重开挖过程中的安全和应急设备和措施，以保证施工安全；以及合理的隧道支护结构设计，保证隧道运营过程中的安全性。海底隧道建造技术的发展离不开研究理论的支持，理论研究和建造技术是相辅相成，共同促进的。下面就海底隧道不良地质段安全控制的理论研究作一总结。
二、海底隧道围岩开挖稳定性研究
隧道围岩稳定性是指在隧洞巧挖并施加支护过程中，掌子面及周围岩体的稳定程度。它是一个反映地质和水文环境、支护结构形式和刚度、施工方法和工芝等众多因素的综合指标。围岩稳定性研究主要是对在隧洞巧挖及支护结构施加过程中，围岩的应力、化变及破坏发展规律等的研究。由于隧诣工程地质和水文环境的复杂性和难确定性，以及施工过程中产尘事故后果的严重性，围岩稳定性成为隧道设计和施工中需要考废的首要问题。
隧道管挖过程中，围岩的应力、应变的经典解巧解，如:Fenner公式、Kastner公式和Caquot公式等，都是在忽略地下水作用的假设下，基于若土体的流变模型推导的粘弹性解。我国的很多学者，如徐干成P以、郑颖人PU、付国彬P21、董方庭t以等，在国外学者经典解析解的基础上，进行了更加深入的解析推导。王明斌等t以i推导了圆形压力隧道的应力、应变弹塑性解，推导中运用了复势理论的级数展巧技术并考虑了衬硕的作用。任青文等P以以推导了圆形隧道的应力、应变弹塑性解，考虑了衬砌和围岩的相互作用，并讨论了在解析求解中Mohr-Coulomb本构模型的第一主应力的取定问题(径向应力或环向应力)。刘保国等运用了解析方法，将开挖过程中的围岩应力释放看作是时间的函数，推演了圆形隧道围岩与支护结构之间相互作用的时效规律。
经典解析解只能求解圆形隧道的应力、应变，对于其它形状隧道的研究，通常需要借助数值模拟，如有限元法和有限差分法。胡夏嵩等P81采用数值模拟，总结了围岩在初始地应力较低的情况下，地下洞室开挖引起的围岩变形特征及破坏规律，指出围岩的变形和破坏主要发生在竖直方向。赵瑜等[29印J用有限差分法建立了Mohr-Coulomb模型在剪切与拉仲复合破坏模式下的应变软化模型，分析了在巧始地应力较髙的情况下，隧道开挖产生的应力、应变，以及塑性区分布的特点，并通过室内模型试验验证了理论分析的正确性。莫阳春PD1应用有限差分法模拟了隧道俩部围岩中含有溶洞的围岩变形规律，分析了溶洞尺寸、距离等因素对困岩变形的影咱。王其胜PI1采用数值方法模拟了深埋巷道在软岩中开挖产生的围岩变形及破坏，对隧道支护结构的设计参数和安装时机提出了优化。
階洞的开挖，不仅破坏了地层中原始应力场的分布，也改变了地层中《流场的分布，造成地下水向隧洞内渗流，产生渗流力，这是隧道围若失稳的重要原因之一，也是搏道工程界一直研究的重要课题之一。Bobet*32’33堪于EinsteinandSch以artz^以的解析模型，采用相对刚度法，研究了含水情况下，搭道开挖引起的围岩与衬巧的应力、应变。李宗利等t以研究了圆形深埋隧道在平面应变条件下的围岩应力与位移的弹塑性解，刘成学等 [以将李宗利等的研究进一步推进，考虑了围岩塑性变形引起的弹性区的应力重分布，并在弹性区引入了应力调整系数。吕晓聪等P以在考虑渗流作用和衬砌作用影响的情况下，推导了圆形海底隧道围岩变形的弹塑性解析解。荣传新等运用弹塑性力学中的损伤理论，推导了隧道围岩在地下水渗流作用下稳定性分析的理论解。李敬元等P以基于Mohr-Coulomb屈服条件，考虑岩体损伤后的软化特性，应用弹塑性理论，分析了圆形竖井周围岩土体在地下水滲流作用下的应力分布规律。
李地元等采用数值方法，考虑流固縄合作用，分析了隧道在不同等级的围岩中开挖产生的应力、位移L义及渗流场的分布，以及初衬结构的受力情况。吉小明等考虑流固稱合作用，建立数值模型分析了隧道周围岩体的应力和变形，指出在考虑渗流影响的情况下，隧洞周圃岩体的位移和剪应力均会相应增大。Nam等运用数值方法分析了渗流对隧洞巧挖的影响。研究结果表明，地下水渗流对隧洞开挖面后方地层的径向位移影响较小，虽然它持续改变着隧道开挖面径向变形的大小。黄阜等运用数值方法研究了两车道公路隧道、双线铁路隧道、线埋圆形隧道的围岩稳定性，基于流固锅合理论，分析了隧道围岩状况、断面形状和是否考虑渗流3个影响因素。贾善坡等采用3D非线性有限元方法，考虑了泥岩弹塑性渗流场-应力场的稱合，并结合实际工程，模拟了賤道在盾构掘进过程中围若的应力场、位移场及渗流场的分布规律。
三、海底隧道注浆技术研究现巧
海底隧道不良地质段围岩软弱，地层透水性强、出水量大、水压髙、海水补给无限，隧道涌水、巧泥的风险大，穿越不良地质段的是否安全是工程建设成败的关键t以。安全穿越不良地质段需要解决两个问题:(1)如何加固地层，使其具有足够的承载能力以保持开挖面的稳定性；(2)如何减小地层的渗透性，防止海水通过不良地质段，特别是不良地质体与周边围岩的薄弱交界面，涌入隧道。
加固堵水是穿越不良地质段的核必技术。目前常用的地层加固和堵水方法有注浆、旋喷、人工冷冻等，其中注浆是最常用的方法注浆就是利用压力将能固化的浆液通过钻孔注入岩土孔隙或裂隙中，使其物理性能得以改善的一种方法。浆液在扩散过程中，以压迫滤水、挤压填充等不同方式填充地层空巧，阻巧滲水通道并形成商强结石，从而降低围岩的渗透性，提商围岩的强度，増加围岩的稳定性。前苏巧的资料表明:通过注浆，砂岩的单轴抗压强度(q)可提高50%-70%，粉砂告和泥质岩的单轴抗压强度- (q)可提高2￣4倍，枯聚力(C)可提高40-70%，岩体静止弹性模量巧S)可提高223^%，动弹性模量巧d)可提离45￣P5%，地震波速(V)可提高14￣53%，围岩强度提高的同时，也减小了塑形区的发展，使支护结构上的荷载减少了2/3-4/5。
園外发达国家从20世纪30年代起就巧始修建海峽海底隧道，在海底隧道的理论和施工工艺方面要领先我国。Eisenteien^l通过对比海底隧道和陆地越岭隧道，阐述了海底隧道的5个特点和修建过程中主要风险。DahloandNilsent^l通过对已经修建的挪威海底隧道工程的总结，讨论了应用超前地质勘探，预测海底隧道的地质和水文情况的可靠性，以及支护结构材料的耐久性。Tsuji等fssi总结了円本青涵隧道开挖过程发生的四次大的巧涌水事件，指出四次巧涌水事件都发生在围岩破碎带。PalmsromandSkogheimf以介绍了挪威海底隧道工程自1998年以来取得的两个重大进展。发达国家的这些施工经验可为我国的海底隧道施工提供有益的借鉴。
厦门翔安海底隧道是我国的第一条海底隧道。国内学者和工程师也对翔安隧道的设计和施工做了详细的分析和总结。李治国等翔安隧道中的服务隧道在通过M化深槽 (円风化槽)段的全断面帷幕注浆为工程实例，研究了在全风化和强风化软弱围岩中的注浆技术。华渊等PS1对比了穿越翔安隧道F1风化槽段的不同施工方案，建议采用钻爆法穿越F1K化槽，并讨论了具体的施工方案与风险控制方法。徐海廷等根据现场注浆试验结果，建议翔安海底隧道风化深槽的注浆加固范围为:服务睹道为轮廓线外4m，行车隧道为轮廓线外5m，并推荐采用超细水泥为注浆材料。甘恩来等认为翔安隧道F1K化槽地质条件特殊，为了控制施工风险，需采用超前全断面帷幕注浆和大管棚支护相结合的方法，达到加固围岩和堵水的作用。刘应亮等P以通过对全断面帷幕注浆效果的巧价，认为巧风化植注浆效果达到预期，能达到95%以上的堵水率，且围岩强度有显著提商，能满足开挖稳定性要求。潘建立、普化贤、惠武平和张明聚等也对翔安隧道的施工方法和工艺作了研究和总结t以ASl，但送些研究没有形成系统的技术体系。
四、海底隧道围岩支护结构稳定性评价
在含水地层中开挖隧道，地下水的存在一方面会影咱隧道周边地层的物理、力学参数，另一方面也会在围岩中产生的滲流体积力，从而影巧地层的应力和变形。高水头富水隧道的支护结构除了承受围岩压力，同时还要承受动、静水压力。开挖过程中的地层成拱作用可以降低围岩压力，但不会巧低水压力因此，巧水头富水隧道的支护结构设计中关于水压力的处理一直是工程界的一个难唐。目前，搭道支护结构分析模型主耍可分为荷载-结构模型和地层-结构模型f以。
在荷载-结构模型中，荷载主要來自巧挖后的閨岩压力和水压力，并由隧道衬砌结构承担，因此，衬棚结构需能安全、可靠地承受圈岩压力和水压力的作用。一般的计算步嫂为；先确定围岩压力和水压力(山地层分类法或实用公式确定)，然后计算衬砌的内力(按弹性地基上的结构计算)，最后进行结构截面设计。该模型有以下优点；模型的物理意义明确、数据输入容易、计算速度快；但由于它不能考虑隧道围岩与支护结构的相互作用，计算结果受假设的荷载作用模式的影响较大，通常偏于保守，该模型比较适用于浅埋隧道，特别是在围岩塌落，出现松动压力的情况。
当考虑地下水的作用时，通常外水压力比围岩压力大，因此，外水压力的确定是采用荷载-结构模型确定支护结构受力特征的关键。在隧道排水时，外水压力的取值一直是隧道工程界研究的热点也是备受争议的难题1^1。在高压、富水隧道支护结构设计中，由于对外水压力的认识不够深入，国内铁路、公路隧道设计一般采用"以排为主’’，甚至是…完全排出"的原则，从而回避隧道衬砌结构设计中的水压力取值问题f以。
国内学者张有天和王建宇等深入研究了隧道支护结构水压力的化值问题。张有天认为决定隧道支护结构的外水压力大小的主要因素为围岩的水文和地质条件，以及支护结构自身的渗透性，其他因素还有人工排水及堵水措施等。王建宇则从地下水的滲流作用的角度，讨论了隧道衬砌外水压力荷载的计算，指出隧道衬硕渗透系数同地层渗透系数的比值决定了水压力折减系数的大小。李贿飞和张顶立等t以结合青岛胶州湾海底隧道工程实例，基于荷载—结构模型，选取了8个形状不同的衬巧结构断面，采用ANSYS有限元程序，分析了衬巧结构的受力情况，建议了断面形状细部设计参数的取值，优化T胶州湾海底隧道在海域V级围岩段的衬硕结构断面形状，建立了以衬勸结构断面中各单元最小安全系数最大化的目标函数，使衬巧结构断面各处的弯矩和轴力更加均匀，安全系数的离散性更小，衬确结构的配筋设计更合理。
地层-结构模型则是基于连续介质力学理论，通过考虑支护结构和围岩的共同作用來计算二者的应力与位移。和荷载-结构模型相比，地层-结构模型更符合地下结构的支护作用原理。国内外很多学者都对地层-结构模型作了深入研究。经典的隧道弹塑性解大多是在忽略地下水滲流作用的前提下得到的。近年來，国内外很多学者对在地下水的作用下，隧道围岩和衬巧的力学特性进行了有益的探索。美国学者Bobet等采用地层-结构的解析模型，分析了含水地层隧道围岩和衬巧的力学特性。
国内张有天等根据地下结构自身的特点，提出了地下结构在水荷载作用下力学分析的三大原则；①水荷载是一种渗流场力，作用于包含隧洞及围岩在內的，地下水位以下的半空间内；②水荷载的历史对水荷载产生的隧洞应力起决定性作用；③隧洞衬砌与围岩只能有条件地共同工作，隧洞应力应按滲流荷载增量理论分析。
我固海底隧道大体上埋深较浅，而承受的水压力较高。隧道支护结构受力的影响因素主要包括:水位高度，初始地应力，围岩水平侧压系数，隧道顶板厚度，支护结构的刚度、厚度以及施作时机，围岩和支护结构的接触条件等，实际情况与隧道支护结构内力经典弹塑性解假设的边界条件出入较大I以。阜甫明等采用连续介质模型，分析了紹安海底隧道的支护结构受力。陈卫忠等运用3D动态仿真数值模拟技术，对翔安隧道风化槽段CRD法的施工过程进行了模拟和分析，研究了施工过程中围岩的应力、位移和渗流场，及支护结构的受力和衬硕水压力的分步特征。
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