鉆爆法修建海底公路隧道施工關鍵技術

高海東

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300221)

1 概況

目前我國正在修建,采用鉆爆法施工的海底隧道有兩條,一是廈門海底隧道(翔安隧道,長5.9 km,海域段4.2 km),二是青島海底隧道(膠州灣隧道,長6.17 km,海域段3.95 km),兩條隧道均為雙向六車道公路隧道,鉆爆法施工。

兩條隧道的地質情況各有特點,廈門海底隧道開工后遇到了陸域全強風化層、海底F1風化槽、風化囊等不良地質地段,施工難度大,但經過4年多的施工,已接近尾聲。

青島海底隧道陸域段為花崗巖地層,基本屬于Ⅱ、Ⅲ級圍巖,進入海域后,遇到了斷層破碎帶、海域斷層影響帶等不良地質地段,需要注漿止水加固地段增多,目前正處于攻堅階段。

盡管兩條海底隧道的情況多有差異,但依據其工程實踐,結合目前所具備的技術能力、成套設備配備能力和已有的工程經驗,總結出采用鉆爆法修建海底隧道的一些施工關鍵技術,具體來說主要有：綜合超前地質預報、海底注漿、安全控制、輔助坑道設置、支護耐久性處理共5項。

2 綜合超前地質預報

綜合超前地質預報是在隧道開挖前通過多種手段摸清前方一定范圍內的地質情況,以此為基礎,制定出針對性的處理方案,從根本上避免施工的盲目性和隨意性,把海域段發生突泥、涌水等地質災害的風險降至最低。

在綜合超前地質預報工作中應始終貫徹“安全第一、預防為主”的原則,即超前地質預報采用地質分析為主,長距離宏觀預報與短距離精確預報相結合、鉆探與物探相結合、多種物探方法相互補充驗證、定性與定量相結合的綜合超前預報方案。

2.1 海域段綜合超前地質預報方案

經實際驗證,在施工階段最直接、有效的預報方式是：以原設計地勘資料為基礎,TSP203結合超前探孔進一步驗證,各參數如下。

(1)以原設計地勘資料為基礎。

(2)TSP203全程進行,搭接10 m,每段長不超過100 m,進一步定性判定地質情況。

(3)超前探孔長30 m,采用RB353E三臂臺車施工,孔徑89 mm,縱向搭接8 m,大體平行于隧道軸線,外插角2°,可得到相對準確的結果。

2.2 綜合超前地質預報使用儀器設備

綜合超前地質預報要使用多種儀器,涉及的主要儀器設備見表1。

表1 綜合超前地質預報儀器設備

3 海底注漿

注漿作為海底隧道順利穿越斷層破碎帶、斷層影響帶、風化槽等不良地質地段的靈魂性技術,在海底隧道修建中起著至關重要的作用,施工中應結合不同的工況和地質條件,有針對性地采取不同的注漿方案,才能既保證注漿效果,又達到快速施工之目的。

3.1 注漿類型

海底隧道的注漿主要分為2種。

一是在開挖前進行的預注漿,主要作用是止水加固,保證開挖安全,防止開挖后的滲漏水和坍塌,依據兩條海底隧道的注漿情況,預注漿可分為硬巖裂隙注漿、軟弱地層注漿、半土半石段注漿3類。

二是后注漿,后注漿分兩種：一是初期支護完成后,二次襯砌前根據滲漏水情況采取的徑向注漿,主要作用是止水,保證二次襯砌施工前滲漏水情況達到設計標準；另一種是在二次襯砌中預留注漿孔,一旦二次襯砌與防水板間有孔洞,可及時注漿填充,保證二次襯砌密實。

3.2 注漿標準

止水注漿分為超前預注漿和開挖后徑向注漿,當超前探孔(30 m)單孔出水量大于5 L/min或每循環所有超前探孔總出水量大于10 L/min時，需要對圍巖進行超前預注漿。

開挖后檢測孔單孔出水量大于0.15 L/min·m需要對周邊圍巖進行后注漿,開挖后局部出水點滲水量≥2 L/m2·d時,需要對出水部位進行后注漿。

3.3 帷幕注漿

帷幕注漿是進行海域段預注漿的主要手段,從兩條隧道的施工實際來看,注漿參數多有不同,本文所述僅為定性描述,以供參考。

圖1為膠州灣隧道ZK7+046處周邊帷幕注漿時注漿孔布置，其帷幕注漿確定的基本工藝參數如下。

圖1 周邊帷幕注漿鉆孔布置示意(單位:mm)

(1)每循環30 m,開挖25 m,留5 m止漿巖盤。

(2)分B、C、D三序孔,全斷面時約為105孔(1～22號,15 m,23～44號,24 m,45～105號,31 m),硬巖時可減少布孔,周邊帷幕時88個左右,上半帷幕僅需單覆蓋,35個左右即可。

(3)注漿方式以前進式為主,后退式為輔,每注漿段長度3～7 m(如果成孔方便,無論軟巖硬巖,均考慮以前進式為主,注漿段長根據成孔情況而定,如成孔較好,可采用全孔一次注漿)。

(4)注漿結束標準：采用單孔注漿量與注漿終壓相結合的“雙控”標準控制。終壓定為3.5～4 MPa,并持壓10 min以上,實際注漿量應達到設計量的80%以上；若壓力始終達不到終壓標準,以最大注漿量不超過1.5倍設計注漿量為準。

(5)用漿量一般取每延米孔0.3～0.4 m3。

(6)漿液有普通水泥單液漿、超細水泥單液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿3種。

普通水泥漿W/C=1.0∶1.0,C∶S=1∶1,水玻璃30 Be′,超細水泥單液漿W/C=0.8～1.0∶1.0,就現場情況來看,采用超細水泥時效果較好。

(7)止漿墻根據掌子面地質情況而定,如為軟弱圍巖,可設置厚度不小于2 m、強度等級C30以上的模筑混凝土,若為硬巖裂隙注漿,可采用噴射混凝土,厚度不小于20 cm。

(8)注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m。

(9)注漿擴散半徑按2 m考慮。

(10)注漿速度：巖層裂隙帶、斷層破碎帶、風化槽囊：50～110 L/min。

(11)注漿效果檢驗孔按6%抽查,單孔出水量≤0.15 L/min·m時,可認為達到注漿標準。檢查孔要用同配比漿液回填,終壓控制在2 MPa,如單孔出水量大于此標準,應補孔再注至要求標準。

(12)注漿順序按由近及遠,由外而內的原則進行,施工時亦可考慮間隔注漿。

3.4 初期支護后注漿

初期支護后注漿的操作要點如下。

(1)用噴射混凝土對欲注漿處巖面進行封閉,盡量使滲漏面積減小。

(2)較大出水處適當引排。

(3)需安裝孔口管,且管周與巖壁間必須密封,不可漏漿,孔口管嵌入巖面1.5 m以上。

(4)注漿孔深≥5 m,方向斜向上,這樣更有利于穿過多條裂隙,保證注漿效果。

(5)孔口管與注漿管要用抱箍或法蘭連接,以便能承受一定壓力,終壓控制在3.0 MPa內。

(6)采用超細水泥漿,W∶C=(0.8～1)∶1,注漿時可采用濃稀漿交替和間歇注漿的方式。

(7)注漿管一般設置2～3個,視具體情況而定。

3.5 注漿設備的選用

鉆孔選用CASAGRANDE-C6、RPD-150C多功能鉆機、RB353E三臂臺車等。尤其是RB353E三臂臺車,最深孔可達47 m左右,操作方便,鉆孔速度快、角度適應性強,應為鉆孔設備的首選。表2為青島海底隧道海域段注漿時使用的配套設備。

表2 青島海底隧道海域段注漿設備

4 安全控制

海底隧道安全控制的重點是采取防止突涌水措施、加強監控量測、對可能出現的險情進行提前分析并及時采取相應措施。

4.1 探孔與注漿孔防突涌水裝置

在鉆孔前要安裝孔口管與防突裝置,一旦有涌水出現,可立即關閉止水閥,防止大量涌水流出。

4.2 洞內強制排水措施

為預防施工期間的突涌水,必須配備足夠的抽排水設施和相應的集水坑。洞內抽排水設施設置原則如下。

(1)集水井每500 m設置一個,兩個集水井間的高差≤20 m,集水井容量約25 m3。

(2)設3根排水管,最大排水能力為最大計算涌水量的2倍以上,例如青島海底隧道三合同段配置的最大排水能力600 m3/h,是設計最大涌水量的2倍。

(3)要選用適合揚程和流量的污水泵并配備自動控制裝置,實現抽水自動化。

4.3 監控量測

監控量測在海域段的施工中要加強管理,提出更高的要求,尤其是實時控制更需加強,從而為施工決策提供依據,監測過程中以下幾點應引起重視。

(1)監控量測的主要內容有：拱頂下沉、圍巖收斂、支護狀態觀察、格柵應力監測。

(2)及時布點并進行初測,增加前期量測的頻率。

(3)布點要盡量按設計的位置布置,以真實反映變形情況。

(4)對支護及掌子面情況的觀察,仍然是最直觀、最有效、最能發現問題的手段,要繼續加強,不容忽視。

4.4 險情分析與應對

4.4.1 海底隧道施工過程中的險情分類

海底隧道施工過程中的險情共分為兩類：一是陸域段的大變形,二是海域段的突泥、涌水地質災害。

(1)陸域段的險情主要是由于地層軟弱而引起的大變形,及由此而引起的地表沉陷等一系列問題。其主要原因在于地層含水量大,如果不采取適當措施,在初期支護封閉前沉降無法控制在要求的范圍內。圖2為廈門海底隧道A2標陸域施工時最大的一次變形,拱頂沉降達到了800 mm,A1標在該段開挖中遇到了同樣的問題(拱頂下沉達1 200 mm),這類問題應是陸域施工重點防范的主要風險。

圖2 廈門海底隧道A2標陸域段YK6+850～YK6+901.4段支護大變形現場

(2)幾個標段在海域段遇到的數次險情,均是由地質情況較好地段突然進入斷層等不良地質段,進而引發坍塌、涌水等險情,圖3為廈門海底隧道A2標2007年5月1日發生于海域段YK7+326處(由Ⅱ級圍巖段進入到海域風化槽的交界處)的拱頂坍塌現場及其處理。

圖3 廈門海底隧道A2標海域段YK7+326段拱頂坍塌現場及處理

4.4.2 應對措施

(1)要十分重視綜合超前地質預報的作用,即使在較好圍巖段施工時,也要時時掌握前方地質情況,防其突然變化或有小的不良地質體出現而引發大的坍塌涌水等災害。歷次險情的發生都說明,由硬質圍巖轉入軟弱圍巖段,往往是最容易發生險情的地段,應作為重點防范的段落。

(2)采用周邊帷幕注漿技術,加強初期支護的強度,尤其在不良地質地段,要寧強勿弱。

(3)施工方案選擇中,上半斷面要盡量低矮,以6.5 m左右為宜。

(4)對險情判斷能起到定性作用的手段是圍巖和支護狀態觀察。

5 輔助坑道

通過兩條海底隧道的施工,斜井、豎井、服務隧道等輔助坑道在緩解工期壓力,加快施工進度,保證施工通風和施工安全等方面,在不同時期起到了不同的作用,因此在海底隧道施工中應當對輔助坑道引起足夠重視,使其所起的作用更加充分。以廈門海底隧道A2標為例,通過斜井完成了876 m,通過服務隧道完成900 m,實際完成3 080 m,其中通過輔助坑道掘進的長度占到整個開挖長度的57.7%；又如青島海底隧道二合同段,全部開挖通過斜井完成；青島海底隧道一合同段余下的開挖將全部通過服務隧道完成。

實踐證明,修建海底隧道,宜統籌考慮設置輔助坑道,而只要設置了輔助坑道,就要盡早開工并設法加快其施工進度,以便使其盡早對主體工程的快速掘進起到作用,這對整個海底隧道的安全、快速完工至關重要。

6 耐久性處理

支護結構的耐久性處理主要針對工程本身將長期處于高海蝕環境,主要措施有超前預注漿和后注漿、多重防腐錨桿、耐久性二次襯砌混凝土。

6.1 注漿

為保證注漿工程的耐久性,注漿工程注意如下幾點。

(1)采用耐久性較好的漿材,如超細水泥、普通水泥,盡量少采用雙液漿一類的耐久性較差的漿材。

(2)不良地質地段的加固圈范圍要達到5 m以上,且要保證注漿效果。

(3)經過后注漿堵水要確保初支表面的滲漏水量達到設計標準。

(4)必要時采用二次襯砌預留注漿管進行填充注漿,保證二次襯砌密實。

6.2 防腐錨桿

為保證海底隧道錨桿的耐久性,海域段采用多重防腐錨桿作為系統錨桿,多重防腐錨桿施工時的注意事項如下。

(1)防腐的重點是孔內注漿,一定要保證孔內注漿的飽滿、密實,否則不僅起不到保護作用,反而適得其反,成為滲漏水的一個通道。

(2)錨固力主要來自于端頭錨,因此鉆孔孔徑和施力要得當,保證抗拉力≥70 kN。

6.3 耐久性混凝土

為保證結構的耐久性,海底隧道的二次襯砌混凝土應采用耐久性混凝土,各項基本要求如下。

(1)強度等級在C45以上,抗滲等級≥P12。

(2)采用雙摻技術,以保證其耐久性指標。

(3)保護層要求,迎水面50 mm,背水面60 mm。

7 結語

依據目前兩條公路海底隧道的施工實踐,結合我國實際,采用鉆爆法修建海底隧道,從施工角度應重點考慮以下5項技術。

(1)做好綜合超前地質預報工作,這是展開海域施工的關鍵環節,是施工的眼睛。

(2)加強安全控制,主要從監控量測、防止突涌水及險情分析與預防等方面加強管理。

(3)重視海底注漿技術,包括超前預注漿技術和后注漿技術。

(4)認真考慮輔助坑道的設置,充分發揮各類輔助坑道的作用。

(5)在耐久性處理方面既要保證工藝的合理性和可靠性,也要注意施工的規范性,這是關系海底隧道工程成敗的關鍵。

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