楊會(huì)軍，王夢(mèng)恕，卓 越，羅 嵩

(1.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003;2.中鐵隧道集團(tuán)，河南洛陽(yáng) 471009)

1 前言

世界發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)30年代起就開(kāi)始修建海峽海底隧道。1975年日本采用鉆爆法在關(guān)門修建了長(zhǎng)18.7 km的海峽鐵路隧道，1988年在津輕海峽又用鉆爆法建成了53.85 km的迄今為止世界上最長(zhǎng)的海峽隧道——青函隧道。近30年來(lái)，挪威建成了40座累計(jì)約130 km的海底隧道，目前在建海底隧道2座，還有10座在計(jì)劃中，基本都是采用鉆爆法施工。目前國(guó)外建成的海底隧道采用鉆爆法的占90%以上，均是基于鉆爆法的安全風(fēng)險(xiǎn)易于控制和經(jīng)濟(jì)性的原因。

海底隧道在我國(guó)尚處于起步階段，采用鉆爆法施工的福建廈門翔安海底隧道和山東膠州灣海底隧道已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，更多的海底隧道工程正在計(jì)劃之中。已建工程的經(jīng)驗(yàn)表明，海底隧道采用鉆爆法施工是安全可靠的。但同陸地隧道或其他的地下結(jié)構(gòu)相比，海底隧道顯得更為復(fù)雜，包括由于斷層和破碎帶引起的不穩(wěn)定性和海水滲漏。

海底隧道的特殊要求與水的存在有關(guān)，這需要密切關(guān)注地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，包括隧道上方足夠厚度的不透水地層;地層的地質(zhì)特性;各地層中裂隙的特性;斷層破碎帶的位置、性質(zhì)、規(guī)模等;風(fēng)化深槽特性、位置、規(guī)模等。造成的影響主要包括海底隧道預(yù)計(jì)到的突水可能引發(fā)災(zāi)難性后果，掌子面圍巖崩塌、流失、隧道埋沒(méi)等。

因此，除了遵守一般技術(shù)要求外，還應(yīng)采取針對(duì)性較強(qiáng)的輔助方法施工，通過(guò)綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)前方地質(zhì)條件，并采取超前預(yù)注漿加固地層、臺(tái)階法開(kāi)挖、加強(qiáng)支護(hù)［1～3］。同時(shí)，對(duì)施工中水平收斂、拱頂下沉等監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［4，5］，動(dòng)態(tài)反饋于施工過(guò)程中，反饋用于修改超前加固、開(kāi)挖、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)施工［6，7］，這就是海底隧道斷層破碎帶的信息化施工。本文運(yùn)用信息化施工方法對(duì)青島膠州灣海底隧道工程F4－4斷層破碎帶(右線YK6+961～YK6+915區(qū)段)施工進(jìn)行指導(dǎo)，效果十分顯著。

2 工程概況

2.1 工程概況介紹

膠州灣隧道北連青島市團(tuán)島，南接青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)薛家島，下穿膠州灣灣口海域，主隧道全長(zhǎng)6 170 m，跨海域總長(zhǎng)度約3 950 m，設(shè)兩條三車道主隧道和一條服務(wù)隧道，主隧道中軸線間距55 m。隧道斷面為橢圓形，主隧道開(kāi)挖斷面高 11.2～12.0 m，寬 15.23 ～16.03 m，隧道縱斷面呈 V 型，最大縱坡3.5%，海域段主隧道埋深一般為24～35 m。隧道通過(guò)海域段最大水深約42 m。圖1為膠州灣海底隧道主隧道與服務(wù)隧道示意圖。

圖1 膠州灣海底隧道主隧道與服務(wù)隧道示意圖Fig.1 Schematic layout of main tunnel and service tunnel map of Jiaozhouwan subsea tunnel

2.2 地質(zhì)條件

2.2.1 工程地質(zhì)條件

隧道通過(guò)區(qū)主要巖性為侵入巖及火山巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬、脆，屬硬質(zhì)巖石，完整性好，節(jié)理較發(fā)育，在構(gòu)造帶附近巖體破碎，節(jié)理密集，巖石呈碎石、角礫狀，部分?jǐn)嗔褞?nèi)呈角礫或土加石散狀結(jié)構(gòu)。

2.2.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地下水為孔隙水和基巖裂隙水。低山丘陵基巖地下水位隨降雨變化明顯，變幅可在1～5 m左右，殘坡積層地下水變幅一般在1～3 m左右。濱海地帶地下水位主要受海潮影響產(chǎn)生周期性變化，變幅一般在2～4 m。

2.3 工程重難點(diǎn)分析

1)地質(zhì)條件復(fù)雜。圍巖級(jí)別變化頻繁，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例較大，占主隧道的42%，占服務(wù)隧道的28%，圍巖情況變化頻繁，并且隧道多次穿越斷層(裂)破碎帶。在斷層(裂)帶、斷層(裂)影響帶、節(jié)理裂隙密集帶，裂隙貫通性較好，存在易發(fā)生坍方和突涌水的可能。在隧道通過(guò)的巖體中，存在大量后期侵入的巖脈，這些巖脈主要有花崗巖巖脈、正長(zhǎng)斑巖脈、煌斑巖脈、流紋斑巖脈等。因其多數(shù)沿張裂隙侵入，故其接觸面附近存在巖石軟化帶，隧道通過(guò)沿巖脈裂隙貫通性好易引發(fā)突涌水。

2)地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以中、新生代脆性斷裂構(gòu)造最為醒目，韌性斷裂及褶皺不甚發(fā)育。隧道共穿越9條大斷層破碎帶，其衍生的小斷裂帶有數(shù)十條之多。斷層附近因巖體破碎，風(fēng)化也相對(duì)嚴(yán)重，部分地段弱風(fēng)化巖層底面在海底20 m以下，已進(jìn)入隧道內(nèi)部，巖體自穩(wěn)能力差，極易產(chǎn)生坍方和大量涌水。而且，隧道通過(guò)區(qū)的構(gòu)造主要是高角度的斷層，走向?yàn)楸睎|和北西，斷層帶內(nèi)多為壓碎巖、角礫碎石，是地下水徑流的通道。在斷層帶及兩側(cè)影響帶內(nèi)地下水量較大。給施工帶來(lái)很大困難。

3)覆跨比小。海域段隧道埋深24～35 m之間，最大跨度16.426 m，最大斷面積達(dá)170 m，覆跨比小。隧道開(kāi)挖極易出現(xiàn)涌水、坍塌等災(zāi)害。為降低地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，施工中將采取施工地質(zhì)調(diào)查、TSP探測(cè)、高分辨直流電法、地質(zhì)雷達(dá)、超前探孔等綜合地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，以及超前小導(dǎo)管、超前自進(jìn)式管棚、超前預(yù)注漿、局部注漿、徑向注漿等多種輔助施工措施。并采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁開(kāi)挖法(CD法)、臺(tái)階法等多種施工方法。

4)海域段施工風(fēng)險(xiǎn)大。海域段有多處斷層(裂)破碎帶，斷層(裂)帶內(nèi)巖體強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差。在這些不良地質(zhì)地段，存在滲透破壞、發(fā)生突涌水或隧道坍塌的可能，施工風(fēng)險(xiǎn)巨大。

3 信息化施工

3.1 信息化施工流程

從20世紀(jì)70年代起，各國(guó)學(xué)者就開(kāi)始運(yùn)用巖體位移進(jìn)行反分析研究［8］，主要有巖體反饋理論、優(yōu)化反饋理論［8］、被動(dòng)阻力方法［9］等。研究手段和側(cè)重點(diǎn)有一定差異，但都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)彈塑圍巖的變形資料，以及其他地質(zhì)信息，通過(guò)計(jì)算分析，建立圍巖本構(gòu)關(guān)系和數(shù)學(xué)模型，確定實(shí)際巖(土)體的力學(xué)參數(shù)、地層初始地應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界荷載及巖體彈性參數(shù)等［10～12］。動(dòng)態(tài)反饋于隧道開(kāi)挖支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工中，進(jìn)而進(jìn)行工程預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，并進(jìn)行工程決策和確定采取措施，最后進(jìn)行監(jiān)測(cè)并檢驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果。圖2為海底隧道斷層破碎帶信息化施工流程圖。

圖2 海底隧道斷層破碎帶信息化施工流程圖Fig.2 Flow chart of information construction of the subsea tunnel in a fracture breaking zone

3.2 信息采集——現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)資料采集

3.2.1 已有地質(zhì)資料

YK6+961～YK6+915段，長(zhǎng)46 m，屬 F4－4斷裂，高潮時(shí)水深27～30 m;海床呈緩坡?tīng)?。海底覆蓋層較薄，一般2～3 m，主要為砂礫，局部沉積有淤泥。隧道拱頂覆蓋層僅24～26 m?；鶐r以含晶屑火山角礫凝灰?guī)r為主，局部夾凝灰?guī)r，并有較多輝綠巖脈、石英正長(zhǎng)巖脈侵入。破碎帶內(nèi)巖體為碎裂～鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙以密閉型為主，少數(shù)為微張型，裂隙面浸染跡象不甚明顯。巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體完整程度和風(fēng)化帶厚度差異很大，含晶屑火山角礫凝灰?guī)r和石英正長(zhǎng)巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)，其頂部強(qiáng)～弱風(fēng)化帶一般不超過(guò)10 m;輝綠巖抗風(fēng)化能力差，其頂部有較厚的全～弱風(fēng)化帶，最大風(fēng)化厚度可超過(guò)25 m，而且輝綠巖及其兩側(cè)巖體往往較破碎或發(fā)育小斷層。圍巖在松弛變形時(shí)抗?jié)B性能易惡化，可能發(fā)生滲透變形破壞。

3.2.2 綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

隧道施工綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是從宏觀和微觀上去把握整個(gè)隧道通過(guò)區(qū)的地質(zhì)條件并進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。把中長(zhǎng)期地質(zhì)預(yù)報(bào)成果和短期預(yù)報(bào)成果想結(jié)合對(duì)比分析得到施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)成果。中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)成果相參照對(duì)比分析，形成隧道工程的預(yù)報(bào)體系(見(jiàn)圖3)。隧道施工綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的核心在于對(duì)地質(zhì)條件的理解掌握程度。

圖3 海底隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)體系Fig.3 Pre－geological prediction synthetic system of the subsea tunnel

在 YK6+961～YK6+915段，分別采用 TSP法、超前導(dǎo)洞法(服務(wù)洞超前)、超前水平鉆孔法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，再將各自預(yù)報(bào)結(jié)果綜合形成綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

在YK6+961前方實(shí)施超前水平鉆孔，在開(kāi)挖斷面的上臺(tái)階共完成探孔3個(gè)(拱頂1個(gè)，左、右側(cè)拱腰各1個(gè))。超前水平鉆孔布置如圖4所示。

圖4 超前水平鉆孔示意圖Fig.4 Schematic layout of advance horizontal borehole

3.3 信息分析處理

3.3.1 綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果分析

1)TSP法。根據(jù)TSP法測(cè)得的掌子面前方70 m范圍內(nèi)圍巖傳播速度和相應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范判斷該范圍內(nèi)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。表1為TSP法成果匯總表。

表1 TSP法成果匯總表Table 1 Summary of TSP method

2)超前水平鉆孔。該段巖體整體較差，巖性單一，主要為凝灰?guī)r，圍巖破碎，難以成孔，易發(fā)生卡鉆，取芯難度大，總體巖芯獲得率為63.42%，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為35.90%，含裂隙水。表2為超前水平鉆孔法成果匯總表。

表2 超前水平鉆孔法成果匯總表Table 2 Summary of advance horizontal borehole

3)綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果。根據(jù)已經(jīng)完成的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的成果，YK6+961～YK6+915段整體上巖體破碎，節(jié)理裂隙密集發(fā)育，節(jié)理面中風(fēng)化到強(qiáng)風(fēng)化，圍巖強(qiáng)度低，有巖脈侵入，斷層切割，并發(fā)育有多組高角度較大規(guī)模結(jié)構(gòu)面，圍巖等級(jí)以Ⅴ級(jí)為主，局部Ⅳ級(jí)，裂隙含水，遇水圍巖強(qiáng)度明顯降低。

建議謹(jǐn)慎開(kāi)挖，加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)該段進(jìn)行超前注漿加固措施，為確保隧道施工生產(chǎn)安全，須進(jìn)行全斷面超前預(yù)注漿。

3.3.2 超前預(yù)注漿處理

考慮膠州灣海底隧道覆蓋層薄，右線隧道F4－4斷層破碎帶覆蓋層僅24～26 m，長(zhǎng)度46 m，圍巖地質(zhì)條件差，容易出現(xiàn)突泥、涌水險(xiǎn)情。所以膠州灣隧道注漿應(yīng)以堵水和加固為目的，采用以工作面預(yù)注漿為主，輔以洞內(nèi)徑向后注漿。上半斷面全斷面帷幕注漿，以加固為主，兼顧堵水，如圖5和圖6所示。表3為第一循環(huán)全斷面超前預(yù)注漿參數(shù)表。

圖5 上半斷面全斷面注漿縱斷面示意圖Fig.5 Schematic profile of upper half full-face grouting

圖6 注漿終孔交固圈布置圖Fig.6 Consolidated region of grouting

表3 第一循環(huán)全斷面超前預(yù)注漿參數(shù)表Table 3 Parameters of full-face grouting at the first cycle

3.3.3 注漿效果評(píng)價(jià)

采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)表明，前方圍巖經(jīng)全斷面超前注漿后斷層破碎帶密度有所提高，完整性較以前變好，裂隙充填較為密實(shí)。

鉆孔檢查顯示，10個(gè)檢查孔，除3個(gè)滴水外，其余均無(wú)水，成孔良好，無(wú)塌孔，最大滴水量為1.8 L/h，注漿堵水率98%以上。

3.3.4 開(kāi)挖支護(hù)

采用臺(tái)階法施工，下臺(tái)階分左右兩部分，左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，其施工工序(見(jiàn)圖7)及要點(diǎn)如下。

1)超前支護(hù):拱部采用φ76中空自鉆式管棚超前預(yù)支護(hù)，L=10～25 m，間距40 cm;φ32小導(dǎo)管超前支護(hù)，L=3.0 m，環(huán)向間距40 cm;底部φ80小導(dǎo)管超前支護(hù)，L=7.0～10 m，環(huán)向間距40 cm。

2)上臺(tái)階開(kāi)挖:采取減振控制爆破，開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1.5 m。

3)上臺(tái)階初期支護(hù):鋼拱架，間距50 cm，拱部φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距@150 mm×150 mm，C35噴射混凝土厚度30 cm。

4)開(kāi)挖兩側(cè)下臺(tái)階:左右交錯(cuò)開(kāi)挖下臺(tái)階，錯(cuò)開(kāi)距離5～10 m，開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1～2 m。

5)邊墻初期支護(hù):初噴混凝土，拱架接腿，掛網(wǎng)，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

6)仰拱施工:仰拱緊跟開(kāi)挖工作面，盡快封閉成環(huán)，仰拱距開(kāi)挖面應(yīng)不超過(guò)40 m。應(yīng)超前拱墻襯砌，其超前距離宜保持在2倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)長(zhǎng)度。仰拱填充嚴(yán)禁與仰拱同時(shí)施工，宜在仰拱混凝土終凝后施作。

3.4 信息監(jiān)測(cè)反饋

3.4.1 開(kāi)挖面地質(zhì)情況

爆破開(kāi)挖后可以清楚看到漿液隨節(jié)理裂隙面擴(kuò)散，擴(kuò)散的痕跡明顯，掌子面干燥無(wú)滲水和滴水現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)。

圖7 施工工序圖Fig.7 Construction process chart

圖8 開(kāi)挖后掌子面圍巖照片F(xiàn)ig.8 Photos of surrounding rock after excavation

3.4.2 監(jiān)控量測(cè)成果

隧道施工監(jiān)控量測(cè)能及時(shí)掌握圍巖的變形發(fā)展動(dòng)態(tài)，監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中的安全程度，是檢驗(yàn)圍巖和支護(hù)是否穩(wěn)定的主要手段之一，同時(shí)也是指導(dǎo)施工，進(jìn)行施工管理，提供設(shè)計(jì)信息的主要手段。

分別在斷層破碎帶內(nèi)布設(shè)測(cè)線進(jìn)行水平收斂和拱頂下沉量測(cè)。其量測(cè)頻率開(kāi)始時(shí)1 h量測(cè)一次，后期量測(cè)時(shí)，間隔時(shí)間可加大到半天、一天量測(cè)一次不等，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 收斂變形－時(shí)間曲線Fig.9 Curves of convergence displacement-time

圖10 拱頂下沉－時(shí)間曲線Fig.10 Curves of crown subsidence-time

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，斷層破碎帶隧道開(kāi)挖引起的水平收斂較小，最大達(dá)2.2 mm，拱頂下沉累計(jì)值為14.0 mm，且下臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)其影響較小?？梢?jiàn)，下臺(tái)階開(kāi)挖后對(duì)上臺(tái)階開(kāi)挖的影響控制比較理想，在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中拱頂下沉及收斂沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。分析發(fā)現(xiàn)，圍巖變形分為3個(gè)階段:a.急劇變形階段:主要發(fā)生在量測(cè)斷面開(kāi)挖后10 d內(nèi)，即距開(kāi)挖面20 m內(nèi)，圍巖發(fā)生急劇變形，其變形量占總變形量的50%(含開(kāi)挖時(shí)掌子面已產(chǎn)生的位移)以上;b.緩慢增長(zhǎng)階段:隨著初期支護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮作用，限制了隧道圍巖的收斂變形，該階段收斂速率在0.2 mm/d;c.基本穩(wěn)定階段:這時(shí)開(kāi)挖面與觀測(cè)斷面的距離一般已超過(guò)2倍洞徑，空間效應(yīng)的影響基本消除，收斂變形速度趨緩，收斂速率＜0.2 mm/d。

4 結(jié)語(yǔ)

海底隧道斷層破碎帶的信息化施工，對(duì)保證施工的順利進(jìn)行，減少重大安全事故的發(fā)生起到積極作用，真正做到動(dòng)態(tài)施工和施工過(guò)程及圍巖性態(tài)的全程監(jiān)控。

1)通過(guò)運(yùn)用TSP、超前導(dǎo)洞、超前水平探孔等綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)海底隧道斷層破碎帶巖體結(jié)構(gòu)特征、地下水特性等進(jìn)行了綜合預(yù)報(bào)，為制訂超前預(yù)加固措施提供了依據(jù)。

2)采用上半斷面全斷面注漿，加固了圍巖，兼顧堵水，實(shí)施效果良好。

3)開(kāi)挖面地質(zhì)情況和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，上半斷面超前預(yù)注漿效果顯著，開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)合理。

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