郭小紅

(中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心,北京 101300)

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公路水下隧道地質(zhì)勘察技術(shù)分析

郭小紅

(中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心,北京 101300)

通過總結(jié)我國(guó)公路水下隧道地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鉆爆隧道、盾構(gòu)隧道、沉管隧道及堰筑隧道4種水下隧道建設(shè)工法的設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)，提出水下隧道地質(zhì)勘察成果不僅應(yīng)滿足各設(shè)計(jì)階段的要求，而且還應(yīng)滿足工法的需要。強(qiáng)調(diào)地質(zhì)勘察質(zhì)量取決于勘察方案的合理性、勘察手段的針對(duì)性以及勘察成果的完整性。制訂切合實(shí)際的地質(zhì)勘察方案，投入與各階段設(shè)計(jì)深度相適應(yīng)的地質(zhì)勘探工作量，對(duì)提升地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量和保證工程安全至關(guān)重要。通過綜合分析，給出了不同地質(zhì)條件下各類水下隧道的合理勘探方法與應(yīng)達(dá)到的勘察深度，對(duì)提高水下隧道工程質(zhì)量與安全具有參考價(jià)值。

水下隧道; 公路隧道; 地質(zhì)勘察技術(shù)

0 引言

當(dāng)公路或城市道路需跨越江河湖海時(shí)，應(yīng)根據(jù)航運(yùn)、水文、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境以及工程成本等具體建設(shè)條件進(jìn)行全面的比較論證后確定選擇隧道方案還是橋梁方案。水下隧道和橋梁相比有多方面的優(yōu)勢(shì)，如很強(qiáng)的抵抗戰(zhàn)爭(zhēng)破壞和自然災(zāi)害的能力；不侵占航道，不影響航運(yùn)，不干擾兩岸航務(wù)設(shè)施；能全天候通行，不受氣候變化的影響；結(jié)構(gòu)耐久性好；能做到不拆遷或少拆遷，占地少，不破壞環(huán)境等。水下隧道常用的施工方法有鉆爆法、盾構(gòu)法(TBM)、沉管法和堰筑法。近年來，國(guó)內(nèi)外有優(yōu)先考慮采用水下隧道跨越江河湖海的趨勢(shì)。但也應(yīng)注意到，水下隧道建設(shè)過程復(fù)雜，施工過程中安全風(fēng)險(xiǎn)高，其質(zhì)量安全與所采用的工法、地質(zhì)條件及環(huán)境條件密切相關(guān)，也與勘察設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水平相關(guān)，更離不開嚴(yán)格的施工管理，其中最突出的問題是受隧道上覆水體的影響難以準(zhǔn)確探明隧道地質(zhì)條件而導(dǎo)致的地質(zhì)狀態(tài)的不確定性。如何做好水下隧道的勘察設(shè)計(jì)，當(dāng)前仍存在較多挑戰(zhàn)[1-3]。

目前我國(guó)已建成多座公路水下隧道。如以廈門翔安隧道及青島青黃隧道為代表的水下鉆爆隧道，以上海崇明長(zhǎng)江隧道、南京緯七路長(zhǎng)江隧道以及南京緯三路長(zhǎng)江隧道為代表的水下盾構(gòu)隧道，以上海外環(huán)隧道、天津海河隧道以及港珠澳隧道為代表的沉管隧道，以南京玄武湖隧道、廈門機(jī)場(chǎng)隧道以及武漢東湖隧道為代表的堰筑隧道等。各類工法的水下隧道均已積累了豐富的勘察、設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。在水下隧道地質(zhì)勘察方面，已有大量專家進(jìn)行了相關(guān)研究。王夢(mèng)恕等[4]認(rèn)為，鑒于水下鉆爆隧道的高風(fēng)險(xiǎn)，建議廈門翔安海底隧道應(yīng)設(shè)置服務(wù)隧道，以超前探明地質(zhì)狀況，從而取得不良地質(zhì)段的處理方法和工藝，同時(shí)可利用服務(wù)隧道向主隧道進(jìn)行側(cè)向探測(cè)，鉆探并做壓水透水試驗(yàn)，以驗(yàn)證巖石質(zhì)量與涌水量；魏江川等[5]認(rèn)為青島膠州灣海底隧道應(yīng)利用南北兩端的服務(wù)隧道進(jìn)行地質(zhì)觀察，并加強(qiáng)各項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是海域段隧道施工的核心，應(yīng)物探與鉆探相結(jié)合，以鉆探為主；陳韶章等[6]認(rèn)為港珠澳大橋沉管隧道工程對(duì)地質(zhì)勘察的要求并非以往海上橋梁地質(zhì)勘察工作所能滿足，而且傳統(tǒng)鉆探獲取的土樣不可避免地會(huì)受到擾動(dòng)而難以取得較為準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)，為了降低海床軟土土體取樣受擾動(dòng)對(duì)勘察結(jié)果的影響，減少海上作業(yè)與通航運(yùn)營(yíng)船舶的相互干擾，港珠澳大橋沉管隧道工程采用了以靜力觸探為主、傳統(tǒng)鉆探為輔的勘察技術(shù)；曾智勇[7]對(duì)獅子洋盾構(gòu)隧道的地質(zhì)勘察技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)盾構(gòu)隧道勘察的規(guī)定主要是針對(duì)土層盾構(gòu)，水下隧道應(yīng)進(jìn)行水文地質(zhì)綜合勘察，洞身巖土強(qiáng)度差異對(duì)盾構(gòu)隧道影響很大，在勘察中應(yīng)予以重視；拓勇飛等[8]介紹了南京緯三路大直徑復(fù)合地層水下盾構(gòu)隧道的地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)，建議通過采用地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、原位測(cè)試、高精度磁法勘探配合GPS 測(cè)量系統(tǒng)、淺層地震法、淺地層剖面測(cè)量及抽水試驗(yàn)等手段進(jìn)行水下盾構(gòu)隧道的地質(zhì)勘察工作。此外，楊宏強(qiáng)等[9]通過對(duì)我國(guó)盾構(gòu)隧道地質(zhì)勘察報(bào)告的分析，認(rèn)為盾構(gòu)隧道地質(zhì)勘察內(nèi)容與要求不能滿足當(dāng)前復(fù)合地層盾構(gòu)選型與施工的要求，建議對(duì)相關(guān)勘察規(guī)范進(jìn)行修改。

以上水下隧道工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及隧道技術(shù)工作者對(duì)水下隧道地質(zhì)勘察工作的建議與意見，對(duì)我國(guó)水下隧道建設(shè)產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，但存在系統(tǒng)性與針對(duì)性不強(qiáng)，且缺乏可操作性的缺點(diǎn)。以下將結(jié)合筆者參與多座水下隧道勘察設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)及工作情況，分析介紹公路水下隧道地質(zhì)勘察的工作方法與相關(guān)要求。

1 地質(zhì)勘察的基本原則

水下隧道的建設(shè)質(zhì)量及施工安全與地質(zhì)條件關(guān)系密切，一旦出現(xiàn)失誤，造成的損失及社會(huì)影響較大。因此，水下隧道的質(zhì)量與安全必須從源頭抓起，要高度重視地質(zhì)勘察工作。水下隧道所處條件特殊，其設(shè)計(jì)與施工技術(shù)要求高，相應(yīng)的地質(zhì)勘察與傳統(tǒng)山嶺隧道勘察差別較大。在水下隧道地質(zhì)勘察過程中，需堅(jiān)持以下原則。

1)地質(zhì)勘察的內(nèi)容與方法應(yīng)根據(jù)各設(shè)計(jì)階段的不同需求確定。地質(zhì)勘察方法、工作量及相關(guān)要求應(yīng)與設(shè)計(jì)施工密切聯(lián)系、整體考慮。水下隧道一般為重大項(xiàng)目，前期研究及設(shè)計(jì)工作一般分為預(yù)可行性研究(項(xiàng)目建議書)、工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)4個(gè)階段，如技術(shù)復(fù)雜、創(chuàng)新性強(qiáng)，還可能在施工圖設(shè)計(jì)階段前增加一個(gè)技術(shù)設(shè)計(jì)階段。因此，其地質(zhì)勘察應(yīng)與設(shè)計(jì)階段相對(duì)應(yīng)，分為預(yù)可勘察、工可勘察、初步勘察以及詳細(xì)勘察，地質(zhì)勘察的方法、內(nèi)容及要求應(yīng)隨設(shè)計(jì)深度的增加而變化。設(shè)計(jì)過程中若采用了特殊施工工法或施工工藝，如旋噴、注漿、冷凍等，在地質(zhì)勘察過程中應(yīng)提出相關(guān)勘察要求。

2)地質(zhì)勘察成果應(yīng)滿足各類施工工法及施工工藝的需要。水下隧道主要施工工法有鉆爆法、盾構(gòu)法(TBM)、沉管法及堰筑法4種，這4種施工方法對(duì)地質(zhì)要求差別較大，設(shè)計(jì)施工過程中對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)要求不同，因此，采用不同施工工法時(shí)對(duì)地質(zhì)勘察的要求也不一樣。鉆爆隧道對(duì)圍巖整體穩(wěn)定性及地下水滲透特性的變化要求較高，盾構(gòu)隧道對(duì)巖土體的切割性能、上覆土體穩(wěn)定性及土體對(duì)泥漿性能的影響較為敏感，沉管隧道對(duì)土體的可挖性及基底土體變形特性較為敏感，而堰筑隧道則要求了解影響圍堰穩(wěn)定性及基底土的物理力學(xué)參數(shù)。前期研究階段可能需對(duì)多種建設(shè)工法進(jìn)行研究，相應(yīng)的地質(zhì)勘察成果也應(yīng)滿足各類工法研究的需要。

3)勘察方法應(yīng)與隧道場(chǎng)地條件相適應(yīng)。為了保證勘察方案的合理性，隧道勘察應(yīng)根據(jù)隧道所處地質(zhì)條件、地形條件、鄰近建筑物、地下管線分布狀況及與隧道的位置關(guān)系，對(duì)場(chǎng)地條件分區(qū)段進(jìn)行分級(jí)，然后根據(jù)地質(zhì)單元及場(chǎng)地條件復(fù)雜程度確定工作量。根據(jù)水下隧道特點(diǎn)，其場(chǎng)地條件一般可分為簡(jiǎn)單、中等及復(fù)雜3級(jí)。

①對(duì)于鉆爆隧道，當(dāng)洞身上部硬質(zhì)巖層厚度大于1倍開挖跨度或洞身上部中硬巖層厚度大于2倍開挖跨度時(shí)，屬于簡(jiǎn)單場(chǎng)地條件；當(dāng)洞身位于斷層破碎帶，或位于巖土交界面附近，或位于土層，或位于巖溶發(fā)育地層中時(shí)，屬于復(fù)雜場(chǎng)地條件。

②對(duì)于盾構(gòu)隧道，當(dāng)洞身全部位于較為均勻的土層中，或洞身在巖層中且上部巖層厚度大于0.5倍洞徑時(shí)，屬于簡(jiǎn)單場(chǎng)地條件；當(dāng)洞身位于巖土交界面附近，或隧道埋置深度小于1倍洞徑且隧道受河床沖刷影響較大時(shí)，屬于復(fù)雜場(chǎng)地條件。

③對(duì)于沉管隧道，當(dāng)基槽全部位于較為均勻的土層中，或基槽開挖深度小于15 m，或水深小于15 m時(shí)，屬于簡(jiǎn)單場(chǎng)地條件；當(dāng)基槽位于巖土交界面附近，或基槽開挖深度大于20 m，或淤泥層厚度大于10 m，或水深大于25 m時(shí)，屬于復(fù)雜場(chǎng)地條件。

④對(duì)于堰筑隧道，當(dāng)基坑全部位于較為均勻的土層中，或基坑深度小于10 m且水深小于5 m時(shí)，屬于簡(jiǎn)單場(chǎng)地條件；當(dāng)基坑或基礎(chǔ)位于巖土交界面附近，或基坑深度大于15 m，或水深大于10 m時(shí)，屬于復(fù)雜場(chǎng)地條件。

介于簡(jiǎn)單與復(fù)雜之間的場(chǎng)地條件為中等場(chǎng)地條件。當(dāng)場(chǎng)地條件簡(jiǎn)單時(shí)，地質(zhì)勘察工作量可減少；當(dāng)場(chǎng)地條件復(fù)雜時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察。前期地質(zhì)勘察過程中場(chǎng)地劃分不宜太細(xì)，縱向分區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)控制在1 000～3 000 m。隨著設(shè)計(jì)研究工作的深入以及對(duì)勘察成果要求的提高，場(chǎng)地分級(jí)也應(yīng)相對(duì)細(xì)化，詳勘階段分區(qū)長(zhǎng)度可達(dá)300～500 m，在保證勘察質(zhì)量的同時(shí)也可有效控制勘察工作量。

4)地質(zhì)勘察質(zhì)量取決于勘察方案的合理性、勘察手段的針對(duì)性以及勘察成果的完整性?？辈旆桨概c設(shè)計(jì)階段相關(guān)，勘察內(nèi)容與建設(shè)方案相關(guān)，勘察手段與場(chǎng)地條件相關(guān)。在各勘察階段均應(yīng)制訂切合實(shí)際的勘察方案，投入與各階段勘察深度相適應(yīng)的地勘工作量，對(duì)于保證地勘工作的深度和質(zhì)量至關(guān)重要。

2 地質(zhì)勘察的基本要求

要使地質(zhì)勘察成果滿足各設(shè)計(jì)階段的需要，前提是必須了解各設(shè)計(jì)階段的工作內(nèi)容。項(xiàng)目建議書階段主要解決項(xiàng)目的必要性問題，對(duì)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)模、工法、造價(jià)及工期等提出初步建議。工可研究階段主要確定項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)模、工法及造價(jià)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問題提出初步處理方案。初步設(shè)計(jì)階段主要通過方案對(duì)比分析，確定項(xiàng)目的平縱位置、重要技術(shù)方案及工程造價(jià)等，對(duì)施工工藝、施工組織等給出初步方案。施工圖設(shè)計(jì)階段則應(yīng)根據(jù)初步設(shè)計(jì)確定的方案明確相關(guān)處置措施與施工工藝，對(duì)涉及質(zhì)量與安全的問題給出保證措施，提出施工組織與施工管理建議。

預(yù)工可地質(zhì)勘察主要服務(wù)于路線方案及工法的比選需要，并正確評(píng)價(jià)隧址區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對(duì)影響路線方案及工法的重大地質(zhì)問題需要給出可靠的結(jié)論。因此，預(yù)工可地質(zhì)勘察應(yīng)以地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)遙感及物探為主，輔以必要的鉆探，查明區(qū)域重大地質(zhì)構(gòu)造及沿線地層巖性分布狀況。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，應(yīng)進(jìn)行橫斷面勘察。對(duì)于堰筑隧道、盾構(gòu)隧道及沉管隧道，可進(jìn)行專題水文分析及河(海)床演變分析。

初步地質(zhì)勘察工作需在工可研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)查隧道走廊帶內(nèi)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，為隧道平縱方案的優(yōu)化比選提供地質(zhì)依據(jù)。因此，初步地質(zhì)勘察應(yīng)結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪及物探成果，在路線走廊帶范圍內(nèi)進(jìn)行鉆探及其他勘探工作，對(duì)可能作為隧道線位的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察。應(yīng)初步查明沿線地層巖性分布特點(diǎn)及性質(zhì)、不良地質(zhì)分布及范圍、地下水的分布及特性等，重點(diǎn)勘察不良地質(zhì)地段，明確地質(zhì)條件對(duì)隧道建設(shè)方案的影響程度，提高初步設(shè)計(jì)概算編制的準(zhǔn)確性。

詳細(xì)地質(zhì)勘察工作需在初步勘察的基礎(chǔ)上，查明、驗(yàn)證隧道走廊帶內(nèi)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，為隧道施工圖設(shè)計(jì)提供可靠、準(zhǔn)確的工程地質(zhì)依據(jù)。詳細(xì)地質(zhì)勘察應(yīng)充分利用已有地質(zhì)資料，采用鉆探、物探、原位測(cè)試等綜合勘測(cè)手段，按場(chǎng)地條件分級(jí)，分段查明沿線工程地質(zhì)條件，提供滿足施工方案及施工工藝要求的相關(guān)地層物理力學(xué)參數(shù)。

在詳勘階段，當(dāng)水下隧道遇到下列情況時(shí)，宜進(jìn)行專項(xiàng)地質(zhì)勘察研究：1)地下管線及地面建筑物較多，且鄰近環(huán)境條件復(fù)雜的區(qū)域；2)巖溶極發(fā)育、大型斷層破碎帶或?qū)λ淼烙绊戄^大的風(fēng)化深槽等重大不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)域；3)水文地質(zhì)條件特別復(fù)雜的區(qū)域。

鑒于不同施工方案對(duì)地質(zhì)勘察的要求有較大差異，在施工階段對(duì)水下隧道局部工程方案進(jìn)行調(diào)整，或施工開挖揭露的地質(zhì)條件與勘察報(bào)告出現(xiàn)較大的不符時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘察。

3 地質(zhì)勘察的方法

從設(shè)計(jì)需求上看，橋梁的地質(zhì)勘察一般只需弄清橋臺(tái)、橋墩等離散的點(diǎn)狀區(qū)域地質(zhì)條件，只需提供巖土體的摩阻力及地基承載力等少量力學(xué)參數(shù)；而水下隧道不僅要弄清沿縱斷面方向的連續(xù)地質(zhì)條件，而且要了解洞室影響區(qū)域附近三維空間的地質(zhì)狀況，對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)要求繁多，可靠性要求更高。因此，水下隧道地質(zhì)勘察必須采用綜合有效的手段，且必須達(dá)到一定的勘探密度。

山嶺隧道的地質(zhì)勘察方法主要有遙感、物探、調(diào)繪、鉆探、挖探及原位測(cè)試等，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、環(huán)境條件以及設(shè)計(jì)需要進(jìn)行綜合選取。水下隧道由于上部覆蓋水體，給地質(zhì)勘察帶來較大難度，地質(zhì)調(diào)繪及挖探等方法難以采用。因此，水下隧道地質(zhì)勘察方法主要采用物探、鉆探以及原位測(cè)試。

3.1 物探

物探是以巖石物理力學(xué)性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，運(yùn)用物探儀器探測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造的方法。山嶺隧道常用的物探方法有地震折射法、地震反射法、電測(cè)深法、高密度電法和電磁探測(cè)法。水下隧道的主要物探方法有地震折射法和地震反射法。

當(dāng)隧道所穿越的地層物理力學(xué)參數(shù)差異較大時(shí)，特別是探測(cè)基巖面的變化情況時(shí)，物探較為有效。由于物探可以提供相對(duì)連續(xù)的地質(zhì)剖面，所以條件許可時(shí)應(yīng)盡量采用。前期地質(zhì)勘察的物探以軸線探測(cè)為主，重要地段可輔以必要的橫斷面探測(cè)，初步勘察及詳細(xì)勘察應(yīng)以網(wǎng)格狀探測(cè)為主，重要地段可加密網(wǎng)格密度。物探寬度可根據(jù)路線比選范圍及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，水域地段不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)邊線外側(cè)150 m，陸域地段不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)邊線外側(cè)100 m。鉆爆隧道的物探工作可參見表1進(jìn)行。物探一般要求與鉆探工作相互配合，以提高解譯的準(zhǔn)確性。

表1 鉆爆隧道物探工作要求

Table 1 Requirements for geological investigation of drilling and blasting tunnel

勘察階段場(chǎng)地條件分級(jí)簡(jiǎn)單中等復(fù)雜工可勘察 縱斷面每軸線不少于1條 縱斷面每軸線不少于1條、地質(zhì)疑問處宜布置橫斷面 縱斷面每軸線不少于1條、橫斷面間距不大于500m初步勘察 縱斷面每軸線不少于1條、橫斷面間距不大于500m 縱斷面每洞室不少于1條、橫斷面間距不大于200m 縱斷面每洞室不少于2條、橫斷面間距不大于150m詳細(xì)勘察 縱斷面每洞室不少于1條、橫斷面間距不大于150m 縱斷面每洞室不少于2條、橫斷面間距不大于100m 縱斷面每洞室不少于3條、橫斷面間距不大于50m

對(duì)于盾構(gòu)隧道、沉管隧道和堰筑隧道，當(dāng)基巖可能對(duì)設(shè)計(jì)施工產(chǎn)生影響時(shí)，應(yīng)通過物探探明基巖面的起伏情況；當(dāng)基巖埋深較大但對(duì)工程影響不大時(shí)，可適當(dāng)減少物探工作量。

對(duì)于鉆爆隧道及處于巖土復(fù)合地層的盾構(gòu)隧道，應(yīng)通過物探及鉆探，繪制基巖面等高線圖，為合理優(yōu)化隧道平縱線位、準(zhǔn)確評(píng)估隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)提供支撐。

3.2 鉆探

地質(zhì)鉆探是水下隧道核實(shí)地層信息、獲取地層物理力學(xué)參數(shù)的主要手段。水下隧道各階段均應(yīng)進(jìn)行鉆探。同時(shí)，應(yīng)充分利用鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)標(biāo)貫、孔內(nèi)物探、跨孔物探、孔內(nèi)攝像、孔內(nèi)抽水試驗(yàn)以及跨孔抽水試驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以便通過多種手段相互印證，更加準(zhǔn)確地獲取地層物理力學(xué)參數(shù)。

1)為了滿足鉆爆隧道及盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)、施工及安全評(píng)估需要，單洞隧道的鉆孔密度應(yīng)達(dá)到如表2和表3所示的要求。雙洞隧道應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加30%～50%，三洞隧道則應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加60%～100%。一般要求鉆孔交錯(cuò)布設(shè)在隧道外側(cè)5～8 m處。

表2 水下鉆爆隧道地質(zhì)鉆孔縱向間距

Table 2 Longitudinal spacings among geological investigation holes of underwater drilling and blasting tunnels m

表3 水下盾構(gòu)隧道地質(zhì)鉆孔縱向間距

Table 3 Longitudinal spacing among geological investigation holes of underwater shield tunnels m

2)沉管隧道及堰筑隧道的鉆孔密度應(yīng)分別達(dá)到如表4和表5所示的要求。地質(zhì)鉆孔應(yīng)沿基坑兩側(cè)布設(shè)。當(dāng)基坑寬度大于30 m時(shí)，基坑中部宜布設(shè)鉆孔。若設(shè)置基坑支護(hù)措施或采取地基處理措施時(shí)，則鉆孔布置還應(yīng)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

表4 水下沉管隧道地質(zhì)鉆孔縱向間距

Table 4 Longitudinal spacing among geological investigation holes of immersed tunnels m

表5 水下堰筑隧道地質(zhì)鉆孔縱向間距

Table 5 Longitudinal spacings among geological investigation holes of underwater cofferdam-built tunnels m

3)鉆孔深度應(yīng)根據(jù)隧道施工工法確定。①對(duì)于鉆爆隧道，當(dāng)洞身處于極破碎巖層或土層時(shí)，孔深應(yīng)達(dá)到隧道底板以下10～20 m；當(dāng)洞身處于破碎巖層時(shí)，孔深應(yīng)達(dá)到隧道底板以下5～10 m；當(dāng)洞身處于相對(duì)完整的巖層時(shí)，孔深應(yīng)達(dá)到隧道底板以下3～5 m。②盾構(gòu)隧道的孔深應(yīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)以下1.0D～2.0D(D為盾構(gòu)隧道外徑)。③沉管隧道的孔深應(yīng)達(dá)到隧道底板以下0.5B～1.0B(B為沉管隧道底寬)，且不宜小于河床下40 m。④堰筑隧道的鉆孔深度應(yīng)低于樁底或地下連續(xù)墻底5～10 m，且應(yīng)進(jìn)入基坑底以下中風(fēng)化或微風(fēng)化巖層不小于5～10 m，當(dāng)遇到軟土或降水設(shè)計(jì)需要，宜穿過軟土層或透水層(含水層)。

4)在隧道工可及初步勘察階段，應(yīng)布置一定數(shù)量的控制性鉆孔，宜滿足方案分析的需要。鉆爆隧道控制性鉆孔的深度應(yīng)達(dá)到隧道底板以下30～40 m，盾構(gòu)隧道應(yīng)達(dá)到隧道底板以下2.0D～3.0D(D為盾構(gòu)隧道外徑)，沉管隧道應(yīng)達(dá)到隧道底板以下1.5B～2.0B(B為沉管隧道底寬),堰筑隧道應(yīng)達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)底端20～30 m。工可勘察階段控制性鉆孔數(shù)量不應(yīng)低于總鉆孔數(shù)量的50%，初步勘察階段控制性鉆孔數(shù)量不應(yīng)低于總鉆孔數(shù)量的25%。

3.3 原位測(cè)試

原位測(cè)試是指工程地質(zhì)勘察現(xiàn)場(chǎng)，在不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)地層的情況下對(duì)地層進(jìn)行測(cè)試，以獲得所測(cè)地層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及劃分地層的一種勘察技術(shù)。它具有不擾動(dòng)土樣(如淤泥、飽和砂土、粉土等)、可以得到完整的地層剖面及其物理力學(xué)指標(biāo)、快速經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。工程地質(zhì)原位測(cè)試的主要方法有靜力載荷試驗(yàn)、觸探試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和地基土動(dòng)力特性試驗(yàn)等，其中觸探試驗(yàn)與標(biāo)貫試驗(yàn)最為常見。

1)靜力觸探(CPT)是用靜力將探頭以一定的速率壓入土中，同時(shí)用壓力傳感器或直接用量測(cè)儀表測(cè)試土層對(duì)探頭的貫入阻力，以此來判斷、分析地基土的物理力學(xué)性質(zhì)。靜力觸探的優(yōu)點(diǎn)有：可以用來劃分土層，得到黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓的關(guān)系，比貫入阻力、土的壓縮模量和變形模量之間的關(guān)系，估算飽和黏土的固結(jié)系數(shù)，測(cè)定砂土的密實(shí)度等，確定地基承載力以及判定飽和砂土和粉土在地震作用下可能發(fā)生的液化現(xiàn)象。缺點(diǎn)是對(duì)碎石類土和密實(shí)砂土難以貫入。

2)動(dòng)力觸探(DPT)是利用一定的錘擊動(dòng)能，將一定規(guī)格的探頭打入土中，根據(jù)每打入土中一定深度所需的能量來判定土的性質(zhì)，并對(duì)土進(jìn)行分層的一種原位測(cè)試方法。動(dòng)力觸探的成果可用來劃分土層、確定砂土和碎石土的相對(duì)密實(shí)度、確定土的變形模量以及地基承載力，適用于強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化的硬質(zhì)巖石以及各種軟質(zhì)巖石和各類土。

3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)是利用一定的錘擊動(dòng)能，將一定規(guī)格的貫入器打入鉆孔孔底的土層中，根據(jù)打入土層中所需的能量來評(píng)價(jià)土層和土的物理力學(xué)性質(zhì)。它適用于評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度和粉土、黏性土的狀態(tài)，確定土的強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)、地基承載力、單樁極限承載力等。

受地層類型及勘探深度限制，觸探試驗(yàn)主要用于沉管隧道及堰筑隧道勘察，而鉆爆隧道及盾構(gòu)隧道由于埋置較深，一般多采用孔內(nèi)標(biāo)貫試驗(yàn)。當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)對(duì)地基變形敏感時(shí)，可進(jìn)行靜力載荷試驗(yàn)；當(dāng)?shù)卣鹆叶容^高以及地基土對(duì)動(dòng)荷載敏感時(shí)，應(yīng)進(jìn)行波速測(cè)井或其他地基土動(dòng)力特性試驗(yàn)。在水下隧道地質(zhì)勘察過程中，只要條件容許，應(yīng)盡可能多采用觸探及標(biāo)貫試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)充分利用地質(zhì)鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)彈性波速測(cè)試、孔內(nèi)攝像、孔內(nèi)分段抽水(壓水)試驗(yàn)、跨孔彈性波測(cè)試及跨孔抽水測(cè)試等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，以提高鉆孔的利用效率。

3.4 巖土體的物理力學(xué)試驗(yàn)

水下隧道地質(zhì)勘察的取樣與試驗(yàn)不僅應(yīng)按國(guó)家及行業(yè)相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行常規(guī)的巖土物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，如容重、顆粒分布、孔隙率、地基承載力、極限摩阻力等，還應(yīng)進(jìn)行與隧道設(shè)計(jì)施工要求相關(guān)的非常規(guī)試驗(yàn)，如土的靜止側(cè)壓力系數(shù)、內(nèi)摩擦角、黏聚力、回彈模量、滲透系數(shù)，巖體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、變形模量等。隧道非常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)與測(cè)試應(yīng)考慮地質(zhì)條件和施工工法的差異。

1)水下隧道結(jié)構(gòu)的耐久性對(duì)地下水環(huán)境非常敏感，其設(shè)計(jì)措施的可靠性依賴于腐蝕因素的判斷與腐蝕等級(jí)劃分的準(zhǔn)確性，因此，無論處于何種地下水環(huán)境，水下隧道均應(yīng)分段進(jìn)行地下水化學(xué)分析，并對(duì)地下水的腐蝕性進(jìn)行分類與分級(jí)。

2)土體的滲透性對(duì)鉆爆隧道和盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工影響較大，不僅要相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)試巖土體的滲透系數(shù)，而且還宜進(jìn)行土體滲透破壞比測(cè)試，為確定隧道滲水量及評(píng)估開挖面穩(wěn)定性提供依據(jù)。

3)由于沉管隧道管段體積巨大，水的重度對(duì)沉管施工安全影響較大，因此沉管隧道應(yīng)進(jìn)行不同季節(jié)、不同溫度及不同渾濁度條件下水的重度測(cè)試，為沉管隧道施工方案優(yōu)化與評(píng)估提供依據(jù)。

4)巖體及土體中的石英含量對(duì)盾構(gòu)刀具和刀盤的安全影響較大，石英含量越高，刀具磨損越嚴(yán)重，對(duì)刀盤、刀具磨損和抗沖擊能力要求越高。因此，盾構(gòu)隧道應(yīng)進(jìn)行巖土體的石英含量及巖石磨損強(qiáng)度測(cè)試。

5)對(duì)于沉管隧道及堰筑隧道，下伏土體的強(qiáng)度是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，應(yīng)對(duì)基底下一定厚度內(nèi)土層進(jìn)行靜力觸探、孔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入或十字板剪切等原位測(cè)試。

6)當(dāng)盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞或橫通道采用凍結(jié)法施工時(shí)，土體熱物理力學(xué)指標(biāo)是保障凍結(jié)法方案合理和施工安全的重要參數(shù)，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)土體熱物理力學(xué)指標(biāo)及凍結(jié)體強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)論與建議

通過總結(jié)多座公路水下隧道的地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其勘察原則、要求及方法進(jìn)行了較為全面的分析與介紹，得到以下結(jié)論。

1)水下地質(zhì)勘察是水下隧道建設(shè)技術(shù)的重要組成部分，具有技術(shù)難度大及綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。在水下隧道勘察過程中，應(yīng)根據(jù)水下隧道施工工法確定勘察內(nèi)容與勘察方法，根據(jù)地質(zhì)條件的復(fù)雜程度及勘察階段確定勘察工作量，綜合運(yùn)用各種勘察手段及提高勘察工作量來保證地質(zhì)勘察質(zhì)量。

2)在當(dāng)前水下隧道地質(zhì)勘察過程中，要摒棄重鉆孔輕物探、重現(xiàn)場(chǎng)勘探輕取樣測(cè)試與統(tǒng)計(jì)分析、重實(shí)物勘探輕技術(shù)分析的弊端，加強(qiáng)隧道設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)地質(zhì)勘察的參與力度，根據(jù)隧道施工工法及建設(shè)方案確定物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試內(nèi)容，不斷改進(jìn)地質(zhì)勘探方法。

3)從當(dāng)前水下隧道建設(shè)情況來看，有關(guān)單位對(duì)地質(zhì)勘察工作還不夠重視，主要表現(xiàn)在工作量不足以及各種勘察手段使用不夠。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)已建成的大部分水下隧道的地勘費(fèi)用投入僅占工程建安費(fèi)的0.5%～0.6%，按本文(新編《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》)建議的地質(zhì)勘察工作量測(cè)算，地質(zhì)勘察費(fèi)用將會(huì)增加50%～100%。對(duì)于工程質(zhì)量要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)問題突出的水下隧道工程來說，通過適當(dāng)提高地質(zhì)勘察工作量，以減少建設(shè)過程中的變更，保證工程建設(shè)質(zhì)量與安全，是合理的，也是必要的。

4)未來不僅要進(jìn)一步加大水下隧道地質(zhì)勘察的投入，以進(jìn)一步提高地質(zhì)勘察的質(zhì)量與水平，而且要對(duì)地質(zhì)勘察方法進(jìn)一步創(chuàng)新，提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試勘探技術(shù)水平，如采用順?biāo)淼垒S線的長(zhǎng)距離水平鉆孔勘探以及利用地質(zhì)導(dǎo)洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，以進(jìn)一步提高勘察成果的可靠性。

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Analysis of Geological Investigation Technologies for Underwater Highway Tunnels

GUO Xiaohong

(TechnologyCenterofChinaStateConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Beijing101300,China)

In this paper,the geological investigation and design technologies for underwater highway tunnel are summarized; the characteristics of design and construction of drilling and blasting tunnel,shield tunnel,immersed tunnel and cofferdam-built tunnel are proposed.The author suggests that the investigation results of underwater tunnel have to meet the requirements of design and construction of the tunnel; the geological investigation quality is decided by investigation scheme,method and results; the rational geological investigation scheme and relative investigation works are the keys to geological investigation and the engineering construction.The rational geological investigation methods and depths for underwater tunnels under different geological conditions are proposed.The results can provide reference for quality and safety of construction of underwater tunnels in the future.

underwater tunnel; highway tunnel; geological investigation technology

2016-02-01;

2016-05-31

郭小紅(1966—)，男，湖南常德人，1989年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，隧道與地下工程專業(yè)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事隧道與地下工程的勘察、設(shè)計(jì)與技術(shù)研究工作。E-mail:wuhangxh@vip.sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.004

U 459.5

A

1672-741X(2016)10-1190-06