一、引言

不良地质段在海底隧道的建设和运营阶段都起着控制性作用，表现在:

1）直接影响海底隧道的位置和埋深，海底隧道的选线应尽可能避巧不良地质段；

2)能否安全通过不良地质段是海底隧道工程成败的关键，不良地质段在建设期间的巧涌水与坍塌会造成灾难性的后果:延误工期，增加建设成本，危及施工人员的牛.命安全，产牛严重的社会影响；

3)是海底隧道安全高效运营的控制性地段，建成运营的海底隧道在不良地质段的渗漏水和坍塌事故也时有发生。

历史海底隧道不良地质段在建设和运营期的事故统计表明约有80%的海底隧道不良地质段的事故发生在工程建设期巧，20%发生在隧道建成后的运营期间，因此，海底隧道不良地质段最核的问题是建设期的安全控制。

海底隧道不良地质段的工程特点主要表现在以下几个方面：

(1）不确定因素多，不良地质段的准确位置、规模、空间展布情况、充填物性质和海水连通性等工程特性难以确定；

(2)施工风险大，易于出现巧涌水与塌方等灾难性事故；

(3)施工进度慢，方法复杂，通常需要带水施工；

(4)需要超前预支护和特殊的支护；

(5)需要配备特殊的应急设备来应付巧涌水与塌方事故。

翔安隧道是国内第一条大断面海底隧道，所处地质条件复杂，需要穿越4处风化槽(囊)，该地段围岩破碎，岩体强度低，自稳能力差，水压大由于地下水很有可能通过围岩裂隙与海水连通，受无限海水补给，稍有不慎就有可能造成海水倒灌，形成灾难性后果，因此，能否成功穿越风化植(囊)等不良地质段是翔安隧道工程建设成败的关键。我国海底隧道处于起步阶段，没有成熟的理论和技术加以支撐，也没有现成的国外巧论和技术可借鉴，因此需要实现理论和技术创新，以保证工程的顺利建成，同时也能为我国后的海底隧道工程提供有益借鉴。

文章从海底隧道典型不良地质现象的成因和不良地质段开挖稳定性影响因素出发，分析隧道建设过程中不良地质段的突水机制巧流固耦合作用下的围岩失稳机理，从而为相应的不良地质段的注浆堵水及加固技术，施工过程中围岩稳定的精细化控制，及施工过趕中支护结构的安全性评估提供理论上的依据，并由此形成中国海底隧道修建技术模式的重要特点。

二、海底隧道不良地质现象和稳定性影响因素

1  典型的海底不良地质现象

海底隧道不良地质段书要山海底围岩中的地居软弱区形成，海底围岩中的地层软弱杉；根据成因丰要可分为四种；

(1）由于风化和剥蚀作用产斗:的海底基岩凹陪处:

(2)由地壳运动产斗；的断居或破碎带；

(3)在入侵岩脉和围岩接触处的破碎带；

(4)水平走向的软弱沉积岩。

这四种软弱地层区根据其尺寸、走向、和隧道开挖面的距离等特性，在隧道掘进过程中产生如图3.1所示的6种典型不良地质现象:

 (1）在围岩破碎带产尘的巧涌水(类型1）:当海底基岩面比较平缓，隧道上覆围岩厚度较大，基岩上面只有很薄或者没有滲透系数很低的软粘沉积土作为海水滲流的屏障时，在隧道管挖面接近围岩破碎带时，海水容易沿着破碎围岩中的不连续面涌入隧道。

(2)在海底围岩凹陷处的开挖失稳(类型2):海底围岩由于风化和剥蚀作用产化凹陷处，通常凹陷处山K化跑岩或海底沉积上填充，当海底隧道管挖面接近海底围岩凹陷处的时候，由于m略处巧充强度较低，在巧挖烧动过程中，容易产生开挖失稳。

(3)在海底围岩凹略处的巧涌水和巧挖失稳(类型3)；当海底存在一个围岩凹陷处，同时隧道上覆围岩破碎，隧道管挖引起的应力重分布可能产生大量渗水，渗流作用使围岩强度降低，导致围岩失稳。

(4)在断层或破巧带的渗水或围岩失稳(类型4)；隧道管挖的稳定性受破碎带的尺寸、位胃、走向和软弱面的强度的影响，海水会沿着不连续交界面涌入隧道，渗流作用使围岩强度降低，导致围岩失稳。

(5)在入侵岩脉和围岩接触处的围岩破碎带的渗水(类型5):入侵岩脉和基岩的交界面通常围岩破碎，易在隧道管挖过程中产化海水巧涌的通道。

(6)在水平走向的软弱沉降岩的失稳(类型6)；沉降岩通常强度较低，如果上覆围岩的厚度不够，很可能在隧道管挖过程中产生断裂，引起失稳。

2  海底隧道开挖稳定性影响因素

海底隧道不良地质段主要由海底围岩中的地层软弱区产成，其巧挖稳定性的主要影响因素包括:

(1）地层软弱区的结构和工程特性:软弱区的尺寸、走向和开挖面的距离是影响开挖稳定性的主要因素，软弱区和周边围岩交界面内填充物的强度也会影响开挖面的稳定性，而填充物的透水性则是影咱开挖巧涌水的主要因素。对于新近形成的软弱区，如果软弱区内的填充物是松散的沉积土和碎岩，则该软弱区很可能在开挖时形成向隧道内的涌水通道；如果软弱区交界面内的填充物是密实的碎岩和粘土，由于填充物的低透水性，开挖过程中隧道內的涌水量可能很小。在挪威岩O三l〇6〇rd隧道的修建过程中，由于软弱区内填充物的商透水性产生了与上覆海水之间的透水通道，开挖预注浆过程中消耗了大量的浆液，但仍难以保证注浆效果，最后不得不采用冷冻法來保证开挖的顺利进巧气.

（2）围岩的工程特性；由于海底隧道处于窝水压状态下，隧道上方的围岩必须有足够的强度来维持开挖稳定性。在地应力一定的前提下，围岩可分为脆性围治和塑性围岩。其中，塑性围岩一般为破碎松散岩、黏土矿物类岩和吸水膨胀性岩等。这类圃岩通常具有力学强度低，风化速度快，遇水膨胀、软化、崩解等特征，对隧道困岩巧挖稳定性不利。脆性围岩一般为强度较高的硬质岩，通常这类围岩岩石的强度远离于岩体的强度，故这类围岩的强度主要山岩体结构面的工程特性决定，围岩本身的强度的影响并不显著。

（3）隧道上覆圍岩顶板的厚度:隧道上覆围岩顶板必须要有足够的厚度来产化开巧时的成拱效应，但隧道上覆围岩顶板厚度的增加会引起隧道埋深的增加，从而增加隣道长度以及隧道建设和运营的费用，因此，隧道上覆围岩顶板的厚度通常是一个考虑隧道全生命建设和运营费用的优化结果。

（4）初始地应力:初始地应力在某些特定的情况下可能对开挖稳定性产尘很不利的影响。研究表明。地层中的次主应力和地层中的主要地层结构面的相对方向对海底隧道的涌水量有很大影响，在次主应力方向处于不利状态下，隧道涌水量可能大量增加。巧威的Godoy隧道在建设过程中就因为次主应力的方向不利而出现了大量的涌水并由此消耗了大量的预注浆。

海底隧道不良地质现象种类巧多，影响开挖稳定性的因素众多，不同的不良地质段失稳的模式也存在很大的差异，严格的围岩失稳分析需要根据各个隧道不同的工程、地质和水文特征采用不同的方法，但海底隧道不良地质段的灾害却有着共性，都和海水有着必然的联系:1）不良地质段由于围岩的透水性，形成海水向开挖面的渗流:2)海水的渗流，产生渗流场与应力场耦合，从而会加剧地层变形，降低围岩稳定性，导致开挖过程中的围岩失稳。因此，海底隧道不良地质段围岩稳定性的分析要解决的两个共性问题是:1）海底隧道的透水机制；2）海底隧道围岩在流固耦合作用下的失稳机制。

三、海底隧道透水机制分析

海底隧道修建于无穷无尽的海水水面以下，水害是海底隧道面临的主要问题。海底隧道的水害既包括施工过程中的突、涌水，也包括运营过程中的滲、巧水，其中在施工过程中巧、涌水可能造成灾难性后果、危害更大。按照诱因，海底隧道突、涌水的形式主要包括以下四类:

（1）地层结构界面与海水沟通；

（2）地层巧充物透水；

（3）地层过度变形引起地层开裂；

（4）地层坍塌。

上述四类巧、涌水形式都可能对海底隧道的施工产化灾难性的后果，因此，在海底隧道施工中应采取严格的监测和预防措施，对于不同的巧、涌水形式，其监测内容和预防措施化有所差别。

1  地层结构界面透水分析

海底隧道不良地质体与两側围岩的交界结构面是施工中最为危险的地段之一，通常交界面易于和海水联通，对施工的潜在危害较大。该类界面容易在3种情况下发生巧、涌水:

（1）地质勘探没有探明地层结构界面的确切位置，隧道开挖面在没有预备的情况下接近含水界面，从而造成巧然的渗水，严重时产生巧、涌水；

（2）隧道开挖产生地层变形，使原來不透水的地层交界面出现松动或局部错动，引起交界面透水三以；

（3）巧挖前，虽然对结构界面进行了注浆加固堵水等处理措施，但由于加固效果不可靠或者加固范围不足，不能抵抗水压力的作用，造成透水。

在隧道施工过程中，穿越土岩软硬交界面等地层结构界面前通常需要采取注浆或其它加固措施，否则会造透水事故而影响施工。

（1）影响透水的重要因素是结构交界面与海水的连通性；由于隧道的埋深较小，在没有地层加固或者地层加固不足的情况下，隧道管挖至含水结构界面时势必会造成隧道透水，如果不及时封巧，随着泥砂的涌出，交界面的连通性会越來越好，水量也会越來越大，形成恶性循环，最后造成灾难性后果。因此，为了确保施工安全，在穿越地层交界面前首先应对其连通性有一个全面了解，并采取措施，做到先堵后挖。

（2）地层结构交界面的相对滑动可诱发隧道透水:由于隧道的开挖跨度较大而埋深又较小，如果超前预支护及初期支护的刚度和强度较小，则容易造成地层沉降，结构界面的滑动，这时在高水压力的作用下，结构界面极易出现透水，造成事故。因此，在穿越地层结构界面时，应对交界面处地层进行提前预加固，同时还应适当加强初期支护的刚度，以控制地层的变形。

（3）隧道开挖引起的地层应力变化使结构交界面处的软弱地层产生破坏；隧道开挖后产生周边围若的应力变化，出现局部拉应力区，交界面处的地层强度很低，因而，容易造成既有界面处裂隙的扩展，同时又伴随着新的裂腺产生，造成透水。因此，为了提窩交界面地层的强度，防止地层破坏，必须进行帷幕注浆加固。

2  地层填充物透水影响分巧

海底不良地质段的填充物由于姐成成份和形成原因不同，其透水性也不同。对于新近形成的软弱区，如果填充物是松散的沉积土和碎岩，则该软弱区具有很强的透水性，]r-挖时向隧道内的涌水量可能很大；如果软弱区交界面内的填充物是密实的碎岩和粘上，由于填充物的低透水性，巧挖过程中隧道内的涌水量可能很小。

在隧道施工中，穿越具有软弱土层填充物的不良地质段时，一般需要对填充物进行化浆加固。软弱区内填充物的高透水性可能产化与上覆海水之间的透水通道，在某些情况下，开挖预注浆过程中将会消耗大量的浆液，却仍难以保证注浆效果，此时不得不采用别的加固措施，如人工冻结。经过预注浆等措施加固的地层，在隧道开挖过程中，由于地层变形，可能会形成新的张拉裂缝，从而引起透水。

3  地层变形对透水的影响分析

隧道开挖过程中，上覆地层的变形产生隧道透水的机理主要表现在两方面；1）地层过度变形造成隧道顶板破坏，使其失去防、隔水功能，诱发透水；2)不协调地层沉降造成地层松动或膨胀，从而使地层渗透系数成量级增大，造成大量海水渗入。

（1）随着隧道开挖过程中地层应力的释放，隧道周边地层产生沉降和变形，并由此向上逐步传递，如果隧道上覆土层厚度较小，或者由于不良地质段的地层强度较低，在隧道两俩上方及隧道拱顶部位的地层很容易出现张拉破坏，而隧道拱脚部位通常则易于出现塑性破坏，若上述两种破坏区扩展至沟通，则必然造成隧道透水，严重时发生突、涌水。

（2）隧道开挖产生的地层变形和沉降通常是自下而上、逐步传递和扩展的，有时是分层沉降的，各地层之间的沉降并不协调，不协调沉降造成地层的局部松动和脱离，由此増加了海水的浸入和地层的弱化，増大地层变形和降低地层稳定性，并形成恶性循环，减低路道上覆地层的整体稳定性和弱化其阻水效果，这时如果支护不当，则容易造成突、涌水事故。

（3）在不良地质段开挖过程中，尤其是在软、硬地层的交接处，若遇到地层强度在开挖断面内差别较大的情况(如常见的上部软王、下部硬岩的复合地层等)，则需要对硬岩地层进行巧破作业巧破一方面会损伤周围地层，另一方面会产生振动，巧发突水事故因隧道爆破作业而直接巧发的煤道突水事故在施工中屡见不鲜，应巧度重视地层变形诱发睹道透水的实质是隧道上覆地层受到损伤或破坏，并由此引起地层透系数的增大和稳定性的降低。因此，海底隧道地层变形拉制的基础是建立地层渗透系数和地居变形之间的对应关系。

4  地层坍塌对透水的影响分析

不良地质段隧道施工中的地层坍塌是一种常见现象。地层坍塌的规模存在较大差别，对隧道施工的影响也很不巧同，并且小范围的地层坍塌如果不作及时处理，很可能诱发大范围的冒顶。海底隧道施工时，地层坍塌很可能造成海水的涌入而诱发灾难性事故。地层坍塌影响的实质是降低了隧道上覆地层的强度和稳定性，当坍塌范围较大时，海底隧道还可能直接与海水沟通。

（1）隧道开巧引起地层坍塌和冒顶会增加顶板地层的悬露范围，减小上覆地层的厚度，增大地层的松动范围，在海水的作用下加剧地层沉降，加大海床部位的差异沉降，进而出现顶板开裂或裂缝加大，产生巧水的通道。

（2）小范围的冒顶如果得不到及时处理，则极易发展成大范围冒顶，并且在爆破等诱发因素的作用下，地层坍塌的范围可能突然快速增大，严重时会波及到海水通道而产化突然涌水。

（3）地层坍塌可能诱发结构交界面的滑移，出现滲水后，在滲透力的作用下，滑移会快速发展；同时地层松动并浸水后会进一步弱化，若支护不及时，势必会造成大范围的巧涌水。

综上所述，地层坍塌所造成的巧涌水具有突发性，危害极大，应尽力避免。常用的防治措施有:(1）加强超前探測，探明不良地质的工程特性及其与海水的连通性；（2）保证巧幕注浆的地层加固效果；(3)缩短开挖进尺并及时支护；(4)出现小范围冒顶后应及时处理，避免发展成大范围的冒顶；(5)初期支护安装完成后应及时进行回填注浆，并在不良地质段补充径向注浆。

上述分析发现，四种形式的隧道突、涌水都与隧道施工产生的地层变形有密切的关系，因此，海底隧道不良地质段施工的核也是:1）对不良地质段地层进行可靠的注浆加固；2)在施工过程中严格控制地层变形。

四、海底隧道围岩在流固耦合作用下的失稳化制

1  嗟道围发失稳过程和模式分析

隧洞开挖过程的实质是一个对周边图岩的卸载过程，伴随着岩体的卸载，产生围岩内的应力重分布。在围岩应力重分布的过程中，存在一个伴随着巧巧面逐步向前推进应力逐少择放的空间效应，以及由于围岩固有的流变(时间)效应。围岩应力重分布后，如果局部区域围岩的应力小于岩体的强度，则围岩处于弹性状态；反之，当局部区域围岩的应力达到岩体强度，即围岩处于屈服状金，进入塑性或者破坏状备。围岩的塑巧破坏通常包括由于围岩的拉应力达到了其抗拉强度而产尘的拉张破坏，以及围岩的剪应力达到了其抗剪强度而产生的剪切滑移破坏。

随着围岩内塑性区的出现和扩大，围岩逐巧向隧洞方向变形，并逐步解除塑性内区的应力，围岩应力向围岩深部不断转移。根据隧道开挖过鞋中产化的围岩塑性区内的应力分布，可以将围岩分为承载区和松动区两个区。深部塑性区中围岩应力高于初始地应力，该区域与弹性区中应力升髙部分围岩共同被称为承载区；浅部塑性区内应力低于初始应力的部分围岩，称为松动区。松动区内的围岩应力和强度都有明显下降，且裂隙扩展增多，体积出现膨胀，出现塑性滑移，这时如果没有足够的支护反力围岩就会失去平衡状态，产化所谓的围岩开挖失稳。围岩塑性区的出现通常伴随着围岩强度(q)减低，变形模量(￡)和粘聚力(C)降低，摩擦角(巧)降低，泊松比(/^)增大，且越靠近隧洞的围岩，其￡、C、《>值降低越大，/^值增大越多。

依据围岩中岩石和结构面的工程特性、岩体的破坏形式、破坏原因及变形模式，以及围岩变形破坏机制之间的相互关系，表3.1总结归纳了常见围岩变形破坏特征。

2  海水作用下围岩的失稳

海底隧道周围海水的存在及活动是影响围岩稳定的重要因素，它在隧洞周围产化的物理和化学的作用几乎全是影响洞室稳定的不利因素。海水的送些不利作用分为四个基本方面:

（1）隧洞巧挖产尘了新的自由面，由此产化了四周的海水向开挖面排泄的新的渗流通道，并在隧洞四周产生了指向洞内得渗压梯度，产化不对称的附加体积力，增加了周围岩体向洞内运动的驱动力，这种驱动力随着围岩渗透系数的增加而增大。

（2）在静水压力的作用下，饱水裂隙或者孔隙岩体中的有效应力减小，有效应力的减小导致岩体的抗剪强度减小，从而降低围岩稳定性。

（3）海中的动水化力增加了围岩的含水量和饱和度，降低了某些岩体的强度和变形模量，甚至还会产生体积膨胀(如泥岩等)，减低岩体的屈服点，增加岩体的粘性，对裂隙面则降低其摩擦系数和粘聚力，加剧围岩的变形及破坏。

（4）加剧了岩体的侵蚀和泥化，地下水的流动产生某些矿物成份的溶解、搬运或化学分解，结合由其它因素综合而引起的物理、化学变化，进一步恶化围岩的强度，降低其稳定性。

总之，在海水渗流条件下，海底隧道开挖面产生的滲透力増加了围岩向洞内运动的推动力，同时降低了围岩的抗剪强度(即:围岩失稳的抵抗力)，加大了围岩的变形和围岩中塑性区的扩展，反之，围岩的变形和塑性区的扩展又降低了围岩的变形模量和强度，增加了围岩的透水性，从而产生一个恶性循环，随着塑性区的不断扩大和相互联通，最终导致围岩失稳。

流固耦合作用下围岩的失稳影响因素众多，其分析是一个非常复杂的过程，海底隧道围岩由岩体和节理等不连续面组成，但对于轻微风化或者严重风化的围岩，其力学变形特性主要由不连续面的性质决定，此时围岩为各项异性材料，为了很好的描述隧道开挖面的失稳过程尚需采用非连续介质力学:对于完全风化的围若可以近视为各向同性的均匀介质，采用Mo三r-Coulomb或者三o洗-Bro以n模型模拟。对不同风化程度的围岩失稳，其机理也是不一样的。下面以巧安隧道风化槽围岩失稳为例，探讨流固耦合作用下的围岩失稳机理。