海底隧道斷層破碎帶信息化施工

楊會軍，王夢恕，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，河南洛陽 471009)

1 前言

世界發達國家自20世紀30年代起就開始修建海峽海底隧道。1975年日本采用鉆爆法在關門修建了長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的海峽隧道——青函隧道。近30年來，挪威建成了40座累計約130 km的海底隧道，目前在建海底隧道2座，還有10座在計劃中，基本都是采用鉆爆法施工。目前國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險易于控制和經濟性的原因。

海底隧道在我國尚處于起步階段，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投入運營，更多的海底隧道工程正在計劃之中。已建工程的經驗表明，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構相比，海底隧道顯得更為復雜，包括由于斷層和破碎帶引起的不穩定性和海水滲漏。

海底隧道的特殊要求與水的存在有關，這需要密切關注地質風險，包括隧道上方足夠厚度的不透水地層;地層的地質特性;各地層中裂隙的特性;斷層破碎帶的位置、性質、規模等;風化深槽特性、位置、規模等。造成的影響主要包括海底隧道預計到的突水可能引發災難性后果，掌子面圍巖崩塌、流失、隧道埋沒等。

因此，除了遵守一般技術要求外，還應采取針對性較強的輔助方法施工，通過綜合地質超前預報技術預測預報前方地質條件，并采取超前預注漿加固地層、臺階法開挖、加強支護［1～3］。同時，對施工中水平收斂、拱頂下沉等監控量測數據進行分析［4，5］，動態反饋于施工過程中，反饋用于修改超前加固、開挖、支護設計參數，指導施工［6，7］，這就是海底隧道斷層破碎帶的信息化施工。本文運用信息化施工方法對青島膠州灣海底隧道工程F4－4斷層破碎帶(右線YK6+961～YK6+915區段)施工進行指導，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島，南接青島經濟技術開發區薛家島，下穿膠州灣灣口海域，主隧道全長6 170 m，跨海域總長度約3 950 m，設兩條三車道主隧道和一條服務隧道，主隧道中軸線間距55 m。隧道斷面為橢圓形，主隧道開挖斷面高 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隧道示意圖。

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

2.2 地質條件

2.2.1 工程地質條件

隧道通過區主要巖性為侵入巖及火山巖，巖質堅硬、脆，屬硬質巖石，完整性好，節理較發育，在構造帶附近巖體破碎，節理密集，巖石呈碎石、角礫狀，部分斷裂帶內呈角礫或土加石散狀結構。

2.2.2 水文地質條件

隧址區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生周期性變化，變幅一般在2～4 m。

2.3 工程重難點分析

1)地質條件復雜。圍巖級別變化頻繁，Ⅳ、Ⅴ級圍巖比例較大，占主隧道的42%，占服務隧道的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、節理裂隙密集帶，裂隙貫通性較好，存在易發生坍方和突涌水的可能。在隧道通過的巖體中，存在大量后期侵入的巖脈，這些巖脈主要有花崗巖巖脈、正長斑巖脈、煌斑巖脈、流紋斑巖脈等。因其多數沿張裂隙侵入，故其接觸面附近存在巖石軟化帶，隧道通過沿巖脈裂隙貫通性好易引發突涌水。

2)地質構造作用強烈。隧址區地質構造以中、新生代脆性斷裂構造最為醒目，韌性斷裂及褶皺不甚發育。隧道共穿越9條大斷層破碎帶，其衍生的小斷裂帶有數十條之多。斷層附近因巖體破碎，風化也相對嚴重，部分地段弱風化巖層底面在海底20 m以下，已進入隧道內部，巖體自穩能力差，極易產生坍方和大量涌水。而且，隧道通過區的構造主要是高角度的斷層，走向為北東和北西，斷層帶內多為壓碎巖、角礫碎石，是地下水徑流的通道。在斷層帶及兩側影響帶內地下水量較大。給施工帶來很大困難。

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170 m，覆跨比小。隧道開挖極易出現涌水、坍塌等災害。為降低地質風險，施工中將采取施工地質調查、TSP探測、高分辨直流電法、地質雷達、超前探孔等綜合地質預測預報技術，以及超前小導管、超前自進式管棚、超前預注漿、局部注漿、徑向注漿等多種輔助施工措施。并采用雙側壁導坑法、中隔壁開挖法(CD法)、臺階法等多種施工方法。

4)海域段施工風險大。海域段有多處斷層(裂)破碎帶，斷層(裂)帶內巖體強度低，自穩能力差。在這些不良地質地段，存在滲透破壞、發生突涌水或隧道坍塌的可能，施工風險巨大。

3 信息化施工

3.1 信息化施工流程

從20世紀70年代起，各國學者就開始運用巖體位移進行反分析研究［8］，主要有巖體反饋理論、優化反饋理論［8］、被動阻力方法［9］等。研究手段和側重點有一定差異，但都是根據現場彈塑圍巖的變形資料，以及其他地質信息，通過計算分析，建立圍巖本構關系和數學模型，確定實際巖(土)體的力學參數、地層初始地應力、支護結構的邊界荷載及巖體彈性參數等［10～12］。動態反饋于隧道開挖支護的設計與施工中，進而進行工程預測和評價，并進行工程決策和確定采取措施，最后進行監測并檢驗預測結果。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——現場基礎資料采集

3.2.1 已有地質資料

YK6+961～YK6+915段，長46 m，屬 F4－4斷裂，高潮時水深27～30 m;海床呈緩坡狀。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。基巖以含晶屑火山角礫凝灰巖為主，局部夾凝灰巖，并有較多輝綠巖脈、石英正長巖脈侵入。破碎帶內巖體為碎裂～鑲嵌碎裂結構，裂隙以密閉型為主，少數為微張型，裂隙面浸染跡象不甚明顯。巖體受構造影響嚴重，巖體完整程度和風化帶厚度差異很大，含晶屑火山角礫凝灰巖和石英正長巖抗風化能力強，其頂部強～弱風化帶一般不超過10 m;輝綠巖抗風化能力差，其頂部有較厚的全～弱風化帶，最大風化厚度可超過25 m，而且輝綠巖及其兩側巖體往往較破碎或發育小斷層。圍巖在松弛變形時抗滲性能易惡化，可能發生滲透變形破壞。

3.2.2 綜合地質超前預報

隧道施工綜合地質超前預報是從宏觀和微觀上去把握整個隧道通過區的地質條件并進行綜合預報。把中長期地質預報成果和短期預報成果想結合對比分析得到施工地質超前預報成果。中長期預報和短期預報成果相參照對比分析，形成隧道工程的預報體系(見圖3)。隧道施工綜合地質超前預報技術的核心在于對地質條件的理解掌握程度。

圖3 海底隧道綜合地質超前預報體系Fig.3 Pre－geological prediction synthetic system of the subsea tunnel

在 YK6+961～YK6+915段，分別采用 TSP法、超前導洞法(服務洞超前)、超前水平鉆孔法進行地質超前預報，再將各自預報結果綜合形成綜合地質超前預報。

在YK6+961前方實施超前水平鉆孔，在開挖斷面的上臺階共完成探孔3個(拱頂1個，左、右側拱腰各1個)。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 綜合地質超前預報結果分析

1)TSP法。根據TSP法測得的掌子面前方70 m范圍內圍巖傳播速度和相應的物理力學指標，依據相關規范判斷該范圍內圍巖等級為Ⅳ級。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，主要為凝灰巖，圍巖破碎，難以成孔，易發生卡鉆，取芯難度大，總體巖芯獲得率為63.42%，巖石質量指標(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)綜合地質超前預報結果。根據已經完成的超前地質預報的成果，YK6+961～YK6+915段整體上巖體破碎，節理裂隙密集發育，節理面中風化到強風化，圍巖強度低，有巖脈侵入，斷層切割，并發育有多組高角度較大規模結構面，圍巖等級以Ⅴ級為主，局部Ⅳ級，裂隙含水，遇水圍巖強度明顯降低。

建議謹慎開挖，加強支護，對該段進行超前注漿加固措施，為確保隧道施工生產安全，須進行全斷面超前預注漿。

3.3.2 超前預注漿處理

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，長度46 m，圍巖地質條件差，容易出現突泥、涌水險情。所以膠州灣隧道注漿應以堵水和加固為目的，采用以工作面預注漿為主，輔以洞內徑向后注漿。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為第一循環全斷面超前預注漿參數表。

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 第一循環全斷面超前預注漿參數表Table 3 Parameters of full-face grouting at the first cycle

3.3.3 注漿效果評價

采用TSP超前地質預報監測表明，前方圍巖經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。

鉆孔檢查顯示，10個檢查孔，除3個滴水外，其余均無水，成孔良好，無塌孔，最大滴水量為1.8 L/h，注漿堵水率98%以上。

3.3.4 開挖支護

采用臺階法施工，下臺階分左右兩部分，左右側錯開開挖，其施工工序(見圖7)及要點如下。

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

2)上臺階開挖:采取減振控制爆破，開挖進尺控制在1.5 m。

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

4)開挖兩側下臺階:左右交錯開挖下臺階，錯開距離5～10 m，開挖進尺控制在1～2 m。

5)邊墻初期支護:初噴混凝土，拱架接腿，掛網，復噴混凝土至設計厚度。

6)仰拱施工:仰拱緊跟開挖工作面，盡快封閉成環，仰拱距開挖面應不超過40 m。應超前拱墻襯砌，其超前距離宜保持在2倍以上襯砌循環作業長度。仰拱填充嚴禁與仰拱同時施工，宜在仰拱混凝土終凝后施作。

3.4 信息監測反饋

3.4.1 開挖面地質情況

爆破開挖后可以清楚看到漿液隨節理裂隙面擴散，擴散的痕跡明顯，掌子面干燥無滲水和滴水現象(見圖8)。

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

圖8 開挖后掌子面圍巖照片Fig.8 Photos of surrounding rock after excavation

3.4.2 監控量測成果

隧道施工監控量測能及時掌握圍巖的變形發展動態，監測施工過程中的安全程度，是檢驗圍巖和支護是否穩定的主要手段之一，同時也是指導施工，進行施工管理，提供設計信息的主要手段。

分別在斷層破碎帶內布設測線進行水平收斂和拱頂下沉量測。其量測頻率開始時1 h量測一次，后期量測時，間隔時間可加大到半天、一天量測一次不等，監測結果如圖9、圖10所示。

圖9 收斂變形－時間曲線Fig.9 Curves of convergence displacement-time

圖10 拱頂下沉－時間曲線Fig.10 Curves of crown subsidence-time

監測結果顯示，斷層破碎帶隧道開挖引起的水平收斂較小，最大達2.2 mm，拱頂下沉累計值為14.0 mm，且下臺階的開挖對其影響較小。可見，下臺階開挖后對上臺階開挖的影響控制比較理想，在下臺階開挖過程中拱頂下沉及收斂沒有出現明顯的變化。分析發現，圍巖變形分為3個階段:a.急劇變形階段:主要發生在量測斷面開挖后10 d內，即距開挖面20 m內，圍巖發生急劇變形，其變形量占總變形量的50%(含開挖時掌子面已產生的位移)以上;b.緩慢增長階段:隨著初期支護系統發揮作用，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.基本穩定階段:這時開挖面與觀測斷面的距離一般已超過2倍洞徑，空間效應的影響基本消除，收斂變形速度趨緩，收斂速率＜0.2 mm/d。

4 結語

海底隧道斷層破碎帶的信息化施工，對保證施工的順利進行，減少重大安全事故的發生起到積極作用，真正做到動態施工和施工過程及圍巖性態的全程監控。

1)通過運用TSP、超前導洞、超前水平探孔等綜合超前地質預報技術，對海底隧道斷層破碎帶巖體結構特征、地下水特性等進行了綜合預報，為制訂超前預加固措施提供了依據。

2)采用上半斷面全斷面注漿，加固了圍巖，兼顧堵水，實施效果良好。

3)開挖面地質情況和監控量測數據表明，上半斷面超前預注漿效果顯著，開挖支護參數合理。

［1］王夢恕.大瑤山隧道——20世紀隧道修建新技術［M］.廣州:廣東科技出版社，1994.

［2］黃成光，于敦榮.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］呂康成.隧道工程試驗檢測技術［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］覃仁輝，王 成，楊其新.隧道工程［M］.重慶－烏魯木齊:重慶大學出版社－新疆大學出版社，2001.

［5］劉志剛.隧道隧洞施工地質技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［6］祁生文，伍法權，蘭恒星.盤石頭水庫泄洪洞、導流洞進出口高邊坡穩定性評價［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(3):357－358.

［7］蘇華友，楊有玉.隧道施工中圍巖收斂觀測及分析［J］.中國礦業大學學報，2002，31(2):198 －200.

［8］高大釗，孫 鈞.巖土工程的回顧與前瞻［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［9］Najm K，Ishijima Y.Back analysis of tunnel lining deformation:Development and application of passive resistance method ［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1993，26(1):71 －79.

［10］Tonon F，Amadei B.Effect of elastic anisotropy on tunnel wall displacements behind a tunnel face［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2002，35(3):141 －160.

［11］Oda M，Yamabe T，Ishizuka Y，et al.Elastic stress and strain in jointed rock masses by means of crack tensor analysis［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1993，26(2):89 －112.

［12］Nie X，Zhang Q.A system of monitoring and dimensioning tunnel support［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1994，27(1):23－36.