韋秀燕

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

近十幾年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施投入巨大，公路、鐵路、城市軌道交通、市政道路、引水工程等的建設(shè)一直保持高速發(fā)展，當(dāng)這些線路工程需跨越江、河、湖、海時(shí)，應(yīng)對(duì)其生態(tài)環(huán)境、航道運(yùn)輸條件、水文條件、工程地質(zhì)條件以及造價(jià)等因素進(jìn)行全面的比較論證，確定選擇隧道或橋梁方案[1]。20世紀(jì)90年代前，由于技術(shù)和造價(jià)等原因，大部分越江河工程主要為橋梁形式。隨著隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)及施工裝備的發(fā)展，跨越方式已經(jīng)不受技術(shù)制約。與橋梁相比，水下隧道具有多方面的優(yōu)勢(shì)，如全天候通行、受水文條件的制約較少、對(duì)環(huán)境生態(tài)影響較小、抗震性能較好、隱蔽性好(可作為人防工程)、不影響航運(yùn)等[2]。水下隧道也有如下缺點(diǎn)，如隧道內(nèi)行車條件受限；長(zhǎng)隧道的通風(fēng)和防災(zāi)問(wèn)題；造價(jià)和運(yùn)營(yíng)、維護(hù)管理費(fèi)用較高；施工的不確定風(fēng)險(xiǎn)因素比較大等[2]。在隧道勘察設(shè)計(jì)方面，受隧道上覆水體的影響，水底勘探精度比較低[3]，有時(shí)難于實(shí)施[4]，如何做好水下隧道的勘察設(shè)計(jì)，仍存在較多挑戰(zhàn)[5]。水下隧道常用的施工方法有鉆爆法、盾構(gòu)法(TBM) 、沉管法和圍堰法。目前，我國(guó)已建成多座水下隧道，其中，水下鉆爆法隧道有：廈門翔安隧道、青島青黃隧道和營(yíng)盤路湘江隧道等；沉管法隧道有：港珠澳沉管隧道、上海外環(huán)隧道、南昌紅谷灘隧道等；采用盾構(gòu)法施工的隧道最多，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)及正在施工的水下盾構(gòu)隧道有幾十座，大直徑盾構(gòu)(TBM)代表性隧道有：上海崇明長(zhǎng)江隧道、京緯七路長(zhǎng)江隧道、南京緯三路長(zhǎng)江隧道、獅子洋鐵路隧道、汕頭海灣隧道等。在水下隧道巖土工程勘察方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，且已有大量專家進(jìn)行了相關(guān)研究。王輝[6]采用海底地形和磁力測(cè)量、物探(多道地震)、鉆探、綜合測(cè)試、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等手段，對(duì)青島膠州灣隧道進(jìn)行了綜合勘察。韋秀燕、趙正蓉等[7]結(jié)合侖頭-生物-大學(xué)城隧道，系統(tǒng)闡述了沉管隧道的勘察方法。陳韶章等[8]介紹了港珠澳大橋沉管隧道工程以靜力觸探為主、傳統(tǒng)鉆探為輔的勘察新技術(shù)。劉宏岳，林朝旭等[9]對(duì)地震反射波法、高密度電法、大地電磁測(cè)深法等在過(guò)江隧道綜合物探方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。曾智勇[10]對(duì)獅子洋盾構(gòu)隧道TBM工法的地質(zhì)勘察技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，特別強(qiáng)調(diào)了水文地質(zhì)勘察的重要性。以下將在前人水下隧道勘察經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者參與多座水下隧道的勘察經(jīng)驗(yàn)，介紹水下隧道的勘察特點(diǎn)及技術(shù)要求。

2 水下隧道勘察特點(diǎn)

2.1 既有資料少

陸地隧道勘察一般可收集各種比例的區(qū)域地質(zhì)圖、礦產(chǎn)圖、水文地質(zhì)圖。而水域部分的地質(zhì)資料一般是空白的(如圖1)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)

2.2 遙感和地質(zhì)調(diào)繪難以發(fā)揮作用

陸地隧道可通過(guò)遙感手段判釋構(gòu)造發(fā)育和不良地質(zhì)；可通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪手段在巖土層露頭處判斷巖性和表層巖性風(fēng)化程度，量測(cè)巖層產(chǎn)狀，了解構(gòu)造發(fā)育情況、不良地質(zhì)、特殊性巖土分布、覆蓋層厚度及泉眼出露等。由于水體覆蓋，水下隧道遙感工作和地質(zhì)調(diào)繪難以發(fā)揮作用。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，通常在前期研究階段開展必要的物探工作和少量鉆探工作來(lái)了解工程所在江河床的基本地質(zhì)條件，為橋隧選擇、工法選擇提供基礎(chǔ)資料。

2.3 物探精度低

各種在陸地上采用的物探方法，大多在水上也可使用，但采用的傳感器差別較大。陸地物探采用的傳感器可直接插入巖土體內(nèi)，傳感器的耦合較好，信號(hào)接收質(zhì)量較好；水上物探一般采用帶傳感器的水底電纜或漂浮電纜，傳感器沒(méi)有直接插入巖土中，傳感器的耦合較差，信號(hào)接收質(zhì)量較弱，加上水流、波浪等影響，定位也不夠精確。因此，通常需要多種物探方法相互驗(yàn)證或鉆探驗(yàn)證。

2.4 勘探難度相對(duì)較大

水上勘探需采用專用勘探平臺(tái)，除了在1～2 m水深可用簡(jiǎn)易的勘探平臺(tái)外，一般需采用專用的勘探船只作為平臺(tái)(如圖2)。受到水流、波浪、潮汐(海上或近海)、臺(tái)風(fēng)、來(lái)往船只等影響，鉆探的操作難、效率低、風(fēng)險(xiǎn)比較大。有些陸地上很容易實(shí)施的勘探手段，在一般勘探船平臺(tái)上很難實(shí)施[8]。

圖2 水上船只鉆探平臺(tái)

2.5 專項(xiàng)水文勘察

水下隧道一般位于河床以下，其設(shè)計(jì)高程、安全運(yùn)營(yíng)參數(shù)及工程使用年限等與河床沖淤演變相關(guān)，查明河床沖淤規(guī)律及演變趨勢(shì)，是工程勘察設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作。查明工程所在地段江河的水位變化、波浪大小、流速情況、流向、水溫變化、水質(zhì)等條件是隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中理論計(jì)算和隧道洞口防洪高程設(shè)計(jì)的依據(jù)，這些參數(shù)還是沉管法隧道管節(jié)存放與浮運(yùn)、沉放施工組織設(shè)計(jì)的依據(jù)。

因此，水下隧道一般要做專項(xiàng)的水文研究。主要工作如下：

(1)收集研究區(qū)域范圍內(nèi)歷年來(lái)觀測(cè)積累的河道徑流、潮汐規(guī)律、泥沙含量等特征，以及河床多年高程、河寬變化資料，分析歷史演變規(guī)律；實(shí)測(cè)當(dāng)年洪水期、枯水期的水文資料，預(yù)測(cè)未來(lái)的變化規(guī)律，為隧道設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)提供相關(guān)參數(shù)。

(2)研究河勢(shì)及河床演變。總結(jié)工程附近河道的歷史演變情況，采用多年河道實(shí)測(cè)圖，對(duì)河床進(jìn)行推演分析和計(jì)算，提出相應(yīng)的建議，保證過(guò)江隧道使用期內(nèi)的正常運(yùn)行。

3 水下隧道各工法勘察技術(shù)要求

目前，水下隧道常用的施工方法有鉆爆法、盾構(gòu)法(TBM)、沉管法。由于水下隧道的特殊性，一般都采用多種勘探手段相結(jié)合的綜合勘察方法，但不同的工法對(duì)勘察要求差別較大。下面分別對(duì)各水下隧道工法的勘察要求進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)。

3.1 鉆爆法

一般適用于巖石隧道，如已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的青黃海底隧道、廈門翔安隧道都是巖石隧道。陸地隧道鉆爆法設(shè)計(jì)和施工的關(guān)注點(diǎn)主要是隧道圍巖的穩(wěn)定性、斷裂隙構(gòu)造的穩(wěn)定性(特殊地段也關(guān)注突水、涌水等)，除陸地隧道關(guān)注的內(nèi)容外，由于擔(dān)心水體滲漏，水下隧道建設(shè)還關(guān)注裂隙水滲透性、斷裂隙構(gòu)造導(dǎo)水性等。

(1)地質(zhì)調(diào)繪

需調(diào)查隧道洞口巖石類型、強(qiáng)度、產(chǎn)狀，風(fēng)化程度等。鉆爆法隧道一般埋深較大，巖石抗沖刷能力較強(qiáng)，水文方面一般可只做常規(guī)項(xiàng)目的調(diào)查。

(2)物探

主要查明巖體完整程度或構(gòu)造的發(fā)育程度。地震法：根據(jù)縱、橫波速計(jì)算巖體完整性系數(shù)來(lái)確定巖體完整性，根據(jù)波速變化探查構(gòu)造的發(fā)育程度。電法與磁法：根據(jù)相對(duì)電阻率判斷巖體完整程度或構(gòu)造的發(fā)育程度。測(cè)線布置：首先對(duì)隧道所在位置進(jìn)行物探普查，普查的范圍根據(jù)設(shè)計(jì)需要(設(shè)計(jì)有可能根據(jù)地質(zhì)條件對(duì)線路進(jìn)行微調(diào))，一般可按200 m寬度進(jìn)行探測(cè)。如果是江、河等淡水水下隧道，可采用地震反射法、水域高密度電法探測(cè)與大地電磁測(cè)深法；如果是近海咸水水下隧道，電法一般不適用，可采用地震反射法和大地電磁測(cè)深法，主要查明巖土體完整程度、土石分界面、斷裂走向與寬度。再根據(jù)解譯的結(jié)果對(duì)重點(diǎn)關(guān)注部位(如隧道頂部巖層厚度低于一倍隧道洞徑處、斷裂發(fā)育段)進(jìn)行加密探測(cè)，進(jìn)一步提高解譯精度。

(3)鉆探

一般沿隧道線路布置(距隧道邊線外側(cè)6～10 m)[11]，鉆孔間距一般為30～50 m，重點(diǎn)關(guān)注部分可進(jìn)行加密，一般為10～30 m?？咨畈簧儆谒淼赖装? m，如遇不良地質(zhì)可加深至8～10 m。

(4)孔內(nèi)測(cè)試

在鉆孔內(nèi)開展各種測(cè)試，一般有波速測(cè)試、電阻率測(cè)試，必要時(shí)進(jìn)行孔內(nèi)電視測(cè)試。

(5)物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

采取巖樣，進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)。

(6)水文地質(zhì)試驗(yàn)

應(yīng)選擇不同巖性地段、不同的巖體完整程度地段、不同的構(gòu)造發(fā)育地段進(jìn)行試驗(yàn)，獲取巖體的滲透性、構(gòu)造的阻性水或?qū)缘榷ㄐ曰蚨康闹笜?biāo)。

3.2 盾構(gòu)法(TBM)

盾構(gòu)法適用于土層隧道(TBM適用于巖石隧道)。盾構(gòu)法主要關(guān)注盾構(gòu)機(jī)對(duì)巖土體的切割性能、上覆土體的穩(wěn)定性及土體對(duì)泥漿性能的影響等。如果隧道位于河流中上游，土層一般由沖積層組成，巖性一般為卵石、中粗砂、黏性土等；如果在河流下流或?yàn)I海，一般由粉細(xì)砂、黏性土、淤泥等組成。目前，穿江河的水下隧道以泥水平衡盾構(gòu)為主，陸地盾構(gòu)隧道一般采用土壓平衡盾構(gòu)(特殊要求除外)，這點(diǎn)與水下隧道不同。巖土工程勘察要點(diǎn)如下。

(1)地質(zhì)調(diào)繪

由于與鉆爆法關(guān)注點(diǎn)不同，調(diào)查的內(nèi)容與鉆爆法有一定差別，一方面需調(diào)查盾構(gòu)井周邊地層及環(huán)境；另一方面需收集河道及當(dāng)?shù)氐臍v史資料，調(diào)查隧址歷史上有沒(méi)有沉船，近代是否發(fā)生過(guò)戰(zhàn)爭(zhēng)(可能存在炮彈遺留)。這些內(nèi)容對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)影響很大。

(2)物探

物探探測(cè)的關(guān)注與鉆爆法完全不同，主要探查盾構(gòu)范圍內(nèi)沒(méi)有與圍巖不同的異物，如河道內(nèi)遺留物(沉船、炮彈)；全風(fēng)花崗巖層中的球狀風(fēng)化體；可溶巖的溶洞等。對(duì)河道內(nèi)遺留物可采用淺剖法或電磁法；球狀風(fēng)化、溶洞等可采用地震法、電法及電磁法，測(cè)線布置可按鉆爆法物探方案開展，先從面上進(jìn)行普查，再到局部重點(diǎn)進(jìn)行精查。

(3)鉆探

鉆探及測(cè)試可按鉆爆法方式布置。

(4)取樣與試驗(yàn)

除常規(guī)試驗(yàn)參數(shù)外，主要關(guān)注粗顆粒土的成分、粗顆粒的強(qiáng)度等；細(xì)粒土應(yīng)關(guān)注黏粒的含量等；這些參數(shù)對(duì)盾構(gòu)機(jī)排土及泥漿性能影響較大。

3.3 沉管法

沉管法隧道一般埋深較淺，這是沉管法隧道的最大優(yōu)勢(shì)，它可減少河兩岸的引線長(zhǎng)度，減少大量的拆遷工程量，節(jié)省工程投資。沉管法隧道應(yīng)主要關(guān)注隧址土體在水下的可挖性。盡管沉管隧道較輕，對(duì)基底承載力要求不高，但沉管剛度大，接頭少，對(duì)基底土體變形較敏感。其巖土工程勘察要點(diǎn)如下。

(1)地質(zhì)調(diào)繪

由于管段埋深淺，對(duì)河道沖淤較敏感。因此，河道沖淤歷史資料是主要調(diào)查內(nèi)容；沉管隧道還需要有制作管段的干塢，干塢地層與周邊環(huán)境也是重要調(diào)查內(nèi)容。

(2)物探

可根據(jù)工程需要開展，如果開挖深度范圍內(nèi)都是土層，可不開展水上物探工作；如果基底有基巖侵入，可布置物探探測(cè)土石分界面，為水下爆破開挖提供資料(一般選擇地震法)。

(3)鉆探

和鉆爆法、盾構(gòu)法不同，沉管法隧道不存在鉆孔漏水進(jìn)入隧道的問(wèn)題，鉆孔可直接布置在隧道中軸線上；鉆孔間距一般為30～50 m，重點(diǎn)關(guān)注的部位(巖面凸起，需要爆破開挖)可進(jìn)行加密，一般為10～30 m。

(4)鉆探

鉆探及測(cè)試可按鉆爆法方式布置。

(5)取樣與試驗(yàn)

目前，大部分工程仍按傳統(tǒng)取樣的試驗(yàn)方法來(lái)開展，其實(shí)沉管隧道的隧道部分(沉管隧道不只隧道部分，還包括護(hù)岸工程、引線工程等)并不需要勘察報(bào)告中的大部分物理力學(xué)參數(shù)，更關(guān)注的是基槽開挖后是否回淤，但一般實(shí)驗(yàn)并不具備這種能力。

4 結(jié)論和建議

對(duì)各類水下隧道的巖土工程勘察特點(diǎn)、關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)水下巖土工程隧道勘察是水下隧道建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，它是跨江河湖海橋隧選擇、隧道工法選擇的重要依據(jù)。

(2)水下隧道應(yīng)該根據(jù)隧道工法，編制適合的巖土工程勘察方案，提供隧道各工法需要的巖土物理力學(xué)參數(shù)。

(3)水下隧道應(yīng)根據(jù)隧址工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，選擇適合的勘察手段，做到有的放矢。

(4)將來(lái)水下隧道會(huì)越來(lái)越多，建議加大勘察研發(fā)投入，一來(lái)可提高鉆探效率和質(zhì)量，二來(lái)可進(jìn)行靜力觸探等過(guò)去很難實(shí)施的原位測(cè)試工作，提高水下隧道整體勘察水平。