使用 Bentley 的巖土工程應(yīng)用程序精細(xì)建模，確保質(zhì)量、安全性和 120 年的使用壽命

建造海底隧道，推動香港交通提速

為改善香港的道路交通狀況，當(dāng)?shù)卣疀Q定修建屯門至赤鱲角連接隧道。這條公路連接新界西北部、香港邊界過境設(shè)施、港珠澳大橋、香港國際機場和北大嶼山。屯門至赤鱲角連接隧道的設(shè)計必須圍繞現(xiàn)有的公路、海岸線和長達 55 千米的港珠澳大橋進行，包括斜拉橋、四座人造島嶼和一條海底隧道。這樣的話，屯門至赤鱲角連接隧道就必須包括一條雙向兩車道海底隧道，其深度打破了記錄，為地表以下 55 米，長度為 4.1 千米，總開發(fā)成本為 61 億美元。

Golder Associates Hong Kong Ltd. 負(fù)責(zé)在南部邊界過境設(shè)施填海造地土體上建造雙向隧道所需的巖土工程設(shè)計和分析工作，這項工作需要使用一臺全球最大的隧道掘進機，鉆頭直徑 17.6 米，還需要兩臺小一些的隧道掘進機，鉆頭直徑 14 米。此外，還需要一臺小得多的隧道掘進機，鉆頭直徑 3.6 米，共計鉆出 57 個交叉通道。為完成南部填海造地土體的隧道定線，Golder Associates 需要進入由石柱支撐的海堤以下，位于通風(fēng)建筑物的下方，再進入連接通風(fēng)豎井的管道，周圍地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。此外，從地面到隧道頂部的距離從 28 米到 42 米不等，水壓很高。這些情況帶來了許多巖土工程挑戰(zhàn)，項目團隊必須克服這些挑戰(zhàn)。

在南部填海造地土體的復(fù)雜地質(zhì)狀況下進行隧道挖掘

南部填海造地土體的地面狀況包括軟質(zhì)海洋沉積物、沖積層、完全分解的花崗巖和巖石。隧道地平線位于沖積黏土層和砂層中。由于南部填海造地土體是在 2013 年至 2015 年完成的，竣工不久，Golder Associates 在對貫穿于南部填海造地土體下方的分段式隧道襯砌進行巖土工程和結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不得不考慮黏土層中任何殘余的固結(jié)和蠕變沉降。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一是在 120 年的設(shè)計壽命內(nèi)，殘余沉降小于 500 毫米。

Golder Associates 公司知道傳統(tǒng)巖土工程方法不足以滿足需求的另一個原因是，他們需要在這個項目中完成隧道開挖工作。在南部新填海造地土體開挖隧道時，必須保持足夠高的泥漿壓力，以確保隧道開挖面穩(wěn)定，并使設(shè)計體積損失率低于 2%。因隧道開挖導(dǎo)致的體積損失率的實測值通常小于 1%。按隧道定線優(yōu)化的長度和間距，在隧道起拱線上安裝了條形樁，確保隧道橢圓度在其使用壽命內(nèi)保持在隧道直徑的 1% 以下。

預(yù)測土體行為和沉降

在考慮了項目的復(fù)雜性和范圍之后，Golder Associates 采用 Bentley 應(yīng)用程序來設(shè)計這個富有挑戰(zhàn)性的隧道施工項目。鑒于 PLAXIS 2D 和 PLAXIS 3D 在土體結(jié)構(gòu)交互問題建模方面的多功能性和可信記錄，他們使用其作為主要應(yīng)用程序。軟土蠕變模型用于預(yù)測黏土層的蠕變沉降，輸入?yún)?shù)通過工地專用的高質(zhì)量現(xiàn)場和實驗室土體測試進行校準(zhǔn)。對于其他土體，使用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型對非常小的應(yīng)變所產(chǎn)生的土體剛度退化進行建模，預(yù)測在隧道挖掘過程中因卸載所產(chǎn)生的更真實的地面位移情況。這些高級土體本構(gòu)模型與二維和三維隧道挖掘建模相結(jié)合，由此帶來的設(shè)計滿足了所需的 TBM 開挖面泥漿壓力，可以保持穩(wěn)定性。此外，該設(shè)計還將確保 Golder Associates 能夠控制地面位移，在尺寸、間距和長度方面優(yōu)化支撐隧道的條形樁。該團隊還設(shè)計了主 TBM 進出豎井和毗鄰切割掩體隧道的突入和突出，以及小型 TBM 的突入和突出，以在兩條主隧道之間建造交叉通道。

在解釋和管理有關(guān)南部填海造地土體復(fù)雜地面狀況 的信息時，Golder Associates 使用 gINT 和 HoleBASE 處理了數(shù)百個鉆孔、現(xiàn)場測試和實驗室測試。這種做法生成了二維和三維地質(zhì)模型、地質(zhì)剖面圖和等高線圖，這些都是巖土工程設(shè)計所必需的。他們還使用 MicroStation 制作了施工工程圖紙。

確保安全和質(zhì)量，同時削減成本

通過在 PLAXIS 3D 中進行靈敏度和參數(shù)分析，Golder Associates 公司成功將控制隧道橢圓化所需的條形樁 數(shù)量從 158 個減少到了 106個，并將其中 46 個條形樁從 19.2 米縮短到了 16.4 米。這種優(yōu)化節(jié)省了大約兩個月的施工時間，減少了 1,500 噸的二氧化碳排放，節(jié)省了 1,600 萬美元。該團隊在隧道施工之前、期間及之后提供了高質(zhì)量且全面的儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)。實測地面沉降量、橫向位移量、孔隙水壓量、隧道襯砌變形量與預(yù)測值基本一致，并且/或者小于預(yù)測值。

通過使用 Bentley 應(yīng)用程序的數(shù)字化工作流進行信息管理、分析和建模，Golder Associates 得以助力屯門至赤鱲角連接隧道 公路項目在 2020 年 12 月 27 日實現(xiàn)通車。新隧道使新界西北部到香港國際機場的 距離縮短 22 千米，車程由 30 分鐘縮短為 10 分鐘。