鉆爆法施工技術在水下隧道建設中的應用

閆路平

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001)

0 引言

當城市交通需要穿越江河湖海時，通常是在橋梁與隧道方案之間做出選擇。從工程造價、耐久性、安全性、生態環境和社會效益等角度考慮，采用水下隧道方案穿越江河湖海相對橋梁具有較大綜合優勢。但隧道在穿越江河湖海或上部臨近區域存在大量補給水源的富水區時，隧道的開挖必然形成新的地下水運移通道，容易發生涌水、涌沙、突水、突泥等重大地質災害事故［1］。

1 鉆爆法應用于水下隧道施工中的特點

1.1 采用鉆爆施工法施工水下隧道的優點

1)適合各種地形條件。采用鉆爆法施工水下隧道，一般要求隧道大部分地段應位于堅硬的巖石地層之中。但隧道進出口一般地質條件較差，甚至較長地段為土層，即使通過多方案比選確定的水底地段，也會或多或少地存在一些風化槽或斷層破碎帶等不利地層。對于鉆爆法施工，由于設計施工經驗均較為成熟，可適應不同的地質條件變化。

2)施工對環境影響小，施工時不影響通航。隨著沿海及沿江經濟的迅猛發展，沿江沿海均遭到越來越嚴重的污染，環境質量明顯下降，生態環境日趨惡化，并對生物資源和人體健康產生影響。用鉆爆法修建水下隧道不僅是對自然環境影響最小的建設方案，而且也是對周邊居民及企事業單位生產生活影響最小的建設方案。

1.2 采用鉆爆法修建海底隧道存在的缺點

1)由于水下隧道埋置較深，因此隧道較長，造價也相對較高。為了降低鉆爆法修建水下隧道施工過程中的風險，一般要求隧道位于巖石地層中，且具有一定的巖石保護層厚度，該厚度與巖體強度、破碎程度及隧道開挖跨度等有關。這樣隧道埋置深度將增大，從而隧道建設的費用增加，還會延長隧道建設工期以及增加運營管理等費用。

2)施工過程中風險較高。鉆爆法對各種地質情況的適應性較好，但遇到圍巖節理裂隙發育、斷層破碎帶較多時，各種輔助施工的費用會急劇增加，同時施工風險也較大。鉆爆法修建的隧道的施工費用、工期及風險對地質的變化較為敏感。

3)水下隧道工程地質勘察準確性不夠，實際施工時需進行超前地質預報。水下及海底勘測的技術難度與代價較高，決定了勘測階段的地質資料不夠精確，因此需要在施工階段通過超前地質預報了解前方的地質情況。在水下隧道施工過程中，要求采用掌子面地質調查及各種超前探測手段綜合判斷隧道前方地質條件，力求準確判斷開挖面前方的地質情況，最大限度地來保證施工安全［2］。

2 采用鉆爆法修建水下隧道的關鍵技術分析

2.1 地質勘察及施工中的超前鉆孔“探水”及地質預報

水下隧道地質條件經常會遇到斷層、裂隙、溶洞等突水危險地段，僅留隔水巖柱“隔水”是不夠的，為保證開挖面的穩定，必須在開挖面鉆孔探水，鉆孔所取巖芯可以判斷開挖面前方巖石的破碎狀況及節理裂隙發育等情況。

目前常用的超前地質探測方法有地震探測、地質雷達、超前鉆孔、紅外探水等。例如用CQTC-1地質預報探測系統可以探測150 m前方地質構造和含水帶，采用KDL系列地質雷達、SIR系列高精度工程質量檢測雷達可以探測30 m內各種地質小構造、破碎帶、充水帶。

2.2 隧道頂板最小巖石覆蓋層厚度的確定

最小巖石覆蓋厚度越小，水下隧道就越短，靜水壓力就越低，作用在襯砌上的水壓力的勢能荷載也越小;覆蓋層越厚，在水底和隧道之間的滲流通道就越長，就會降低流向隧道的滲水量。最小巖石覆蓋層厚度的確定都是建立在詳細的地質勘測資料的基礎上的，然而水下地質勘察工作的開展困難多，地質資料中的誤差和不確定因素會造成許多意外。因此，事先很難確定一個絕對安全的最小巖石覆蓋層厚度［3］。

參照國內相關經驗和實踐總結，隧道隔水巖柱可按式(1)來進行計算:

其中，hr為隔水巖柱;ht為隧道開挖高度，ht=2.6 m;n為基巖以上覆蓋層厚度系數，n=15 ～20;q為水深系數，0.8 ～1.2。

2.3 水下隧道的防排水技術

在進行水下隧道設計過程中，應以降低隧道建造費用及后期運營費用為目標，根據地質條件分段分析預測隧道采用不同襯砌方案時的涌水量，通過對不同襯砌方案的組合來達到對整個隧道的襯砌結構布置方式的優化。

2.3.1 注漿方案

根據施工方法與防排水形式，水下隧道襯砌結構的選擇有如下三種方案:全封閉襯砌、限制排水襯砌和自由排水襯砌。全封閉襯砌主要是針對軟弱圍巖承載能力低，滲水量較大，二次襯砌自身承載能力較強的特點，盡可能將地下水阻擋在二次襯砌之外的一種水下隧道襯砌形式，在Ⅳ級～Ⅴ級圍巖地段一般考慮采用全封閉復合襯砌;在Ⅱ級～Ⅲ級圍巖地段中可以考慮采用限制排水襯砌，為了減少隧道內的排水量，拱部及邊墻背后僅設置防水層，不設置排水系統，且路面下不設置仰拱，下部地下滲水通過排水系統排至兩側邊溝;自由排水襯砌方案一般使用在巖體相對比較完整的地段或可采用排水方案的山嶺隧道，不適應水下隧道的排水。

2.3.2 注漿“堵水”

當采用超前鉆探、物探發現掌子面前方出現異常狀況，圍巖破碎，裂隙發育，鉆孔水流量大，應立即停止開挖，采取預注漿措施“堵水”，以防止水涌入隧道內。為防止受壓漿液和裂隙水從工作面涌出，并保證漿液在最大注漿壓力作用下沿裂隙有效的擴散，同時為了節約投資，止漿墻采用預留止漿巖柱，止漿巖柱厚度按式(2)計算［4］:

其中，B為預留止漿巖柱，即開挖面與圍巖破碎帶之間的完整巖柱大小;p為注漿壓力，MPa;S為開挖斷面，m2;τ為巖石允許抗剪強度;l為隧道周邊長度，m。

2.4 水下隧道輔助施工措施及施工安全的保障措施

其主要措施是在施工前應制定全面而可靠的施工安全措施、防淹對策、消防措施以及在施工過程中做好緊急情況下的撤離訓練等，包括以下內容:

1)在水下隧道施工過程中，要嚴格按照施工步驟施工，同步監測。

2)隧道內要配備足夠的積水坑和抽排水設備，所配備的設施必須大于隧道預計的涌水量，以滿足抽排泥沙水的需要。

3)配備足夠的防涌材料，目前快速堵漏防水材料大部分可在動水條件下快速凝固，其主要作用是封堵超前鉆孔和爆破孔突發涌水，應根據鉆孔大小預制成柱狀，以便發生涌水時及時封堵。

4)施工時分段設置可移動式防水閘門，一旦工作面出現涌水涌沙時，可迅速將人員撤離到安全地段，然后關閉防水閘門，將涌水和泥沙堵在預計的區段內，防水閘門可根據隧道掘進進度向前移動。

5)制定好逃生路線，并裝配防水閘門，一旦發生險情，施工人員可及時進入安全通道，保證他們的安全［5］。

3 結語

鉆爆法施工水下隧道具有施工設備少，施工工藝簡單可靠，并具有對施工條件要求低，經濟實用的優點，國內多條采用鉆爆法施工的過江隧道及廈門翔安海底隧道均獲得了成功，但其中也有幾條在施工中遇到了很大的困難，歸結起來問題基本上都是出在防治水的措施不當上。水下隧道工程條件千變萬化，水下隧道的建設是一項高風險的項目，不僅各類風險貫穿于方案比選、勘察設計、施工以及運營管理，一旦出現其損失影響非常巨大。風險的出現是由于人們對自然規律的認知不足而產生的，只要加強對相關關鍵技術的研究，根據隧道穿越斷面的具體地質情況和及時掌握施工中反饋的信息，進行動態設計，不斷地總結經驗，認真分析處理建設過程中的每一個問題，制定出具體措施并落到實處，方能確保施工安全和工程的成功［6］。

［1］王夢恕，譚忠盛.中國隧道及地下工程修建技術［J］.中國工程科學，2010(12):4-10.

［2］陳學遠.鉆爆法施工過江隧道防治水綜合措施［J］.礦業安全與環保，2004(6):112-113.

［3］梁海青.復雜地質條件下海底隧道大斷面鉆爆法安全掘進施工技術［J］.隧道建設，2010，30(5):600-606.

［4］宋 建，陳百玲，范 鶴.水下隧道穿越江河海灣的綜合優勢［J］.隧道建設，2006，26(3):45-46.

［5］段懷志.水下隧道施工的三個關鍵環節［J］.徐州職業技術學院學報，2009，9(3):9-10.

［6］郭小紅，王夢恕，張 偉.鉆爆法修建海底隧道的關鍵技術分析［A］.第十屆全國巖石力學與工程學術大會論文集［C］.2010:3-10.