青島地鐵8號線海底隧道過斷層破碎帶施工關鍵技術研究

許士成 中鐵二局第二工程有限公司高級工程師

海底隧道暗挖施工國內不鮮見，但如何安全、快速施工仍是值得研究的課題。本文通過超前地質預報、超期預加固、新微臺階法的綜合運用，解決了安全快速施工的問題。

1 工程概況

青島地鐵8 號線大洋站—青島北站過海隧道區間按單洞雙線設計，全長7.9 km（海域段約5.5 km），東側4 km 采用盾構法施工，西側3.9 km 采用礦山施工，在西側海域段采用TBM 施工一條平行導洞增加正洞作業面，加快施工進度。

西側礦山法段隧道開挖斷面約70 m2，海域段主要穿越F5、F6 斷層，其中F5 斷層破碎影響帶寬度約500 m，巖體破碎，軟硬不均。隧道埋深約45 m，上覆海水深5 ～6 m，地下水以基巖裂隙水為主，受海水直接補給，預測隧道涌水類型以滲水、線狀涌水（線流）和簾幕式涌水為主，涌水量11.26 m3/d·m，隧道涌水壓力小于0.5 MPa。大青區間（大洋站—青島北站過海隧道區間）海域段線路具體情況如圖1 所示。

圖1 大青區間海域段線路平面示意圖

2 綜合超前地質預報

綜合采用TSP、地質雷達、超前鉆孔、孔內成像等超前地質預報方法，掌握掌子面前方圍巖地質、水文情況，尤其是圍巖突變、富含水層等特殊情況，便于有針對性地采取措施。同時，將超前地質預報結果和TBM 平行導洞揭露的地質情況進行對比驗證，以確定其可靠性。

2.1 TSP 法（圖二）

對隧道全長進行探測，探測隧道圍巖的完整程度、地下水發育情況等，根據地層情況每次預報長度100 ～150 m，前后兩次預報搭接長度不小于30 m。如：TSP 探測位置為YDK42+333（從大里程往小里程端施工），范圍為YDK42+282.5 ～YDK42+132.5，從波形圖上可以看出YDK42+230 附近向小里程方向波速變低、圍巖密度變小、泊松比降低等，說明圍巖有明顯突變，由此可初步判定該段圍巖開始變差，因此需注意該處圍巖地質變化[1，2]。

2.2 地質雷達法

采用地質雷達短距離精確探測的方法，每次預報的長度為15 ～30 m，兩次搭接長度不少于5 m。比如，超前地質預報里程為YDK42+237.6 ～YDK42+207.6（長30 m），從該探測數據圖上可看出，在前方5 m 后，發射波強烈，波形相對雜亂，說明圍巖明顯變差，驗證了TSP 的探測成果。

2.3 超前鉆探

在隧道斷面靠上部采用鑿巖臺車打設3個超前探孔，孔徑70 mm。直觀探測前方地層及地下水發育情況，掌握掌子面前方地質情況，每次預報長度30 m，前后搭接長度不小于5 m。比如，YDK42+232 ～YDK42+202 探孔打設后，3 個探孔均有較大出水量，對最大出水探孔進行實測，出水量達84 L/min，同時安裝壓力表，水壓測定壓力為0.26 MPa。

2.4 孔內成像

對斷層破碎帶及地質復雜地段，在超前地質探孔內采用孔內成像設備直觀觀測探孔內圍巖情況。比如，YDK42+232 ～YDK42+202對全孔進行錄像觀察，通過孔內成像可清晰看出，從前方7 m 深處開始出水較大，至22 m深處開始水量漸小，如圖3 所示，9 m 深處有大量的水，而鉆孔到33 m 深時無水，可以看到巖石孔壁，但探孔孔壁裂隙較多，局部塌孔，圍巖較破碎。

圖3 探孔內33 m 深處圖

2.5 超前導洞綜合印證

本工程中TBM 平導揭示的地質情況可直接為正洞預報服務，但仍需與其他預報綜合判識。比如，物探和物探綜合表明YDK42+230附近圍巖變差，并在YDK42+225 附近開始出水量較大。查閱平導當時的施工資料可發現，該段圍巖破碎，在對應主線的YDK42+210 位置出水量較大，與預報揭露出水位置相差約15 m 距離。

圖2 TSP 二維反射層位及物理力學參數成果圖

3 超前注漿

3.1 超前注漿方法和適用條件

根據預報的圍巖破碎、水量、水壓情況，選擇對應的超前注漿措施，3 個條件具備其一即可，比如，YDK42+232 超前鉆孔單孔最大出水量達到84 L/min，應啟動全斷面帷幕注漿，詳見表1[3]。

表1 超前帷幕注漿適用條件

3.2 主要注漿參數

注漿范圍為開挖輪廓線外放5 m，單次長度25 m，每次循環完成后預留5 m 作為下一循環的止漿巖盤。采用鑿巖臺車打孔，注漿孔直徑76 mm，孔口用止漿塞加閥門。終壓注漿壓力不超過3.0 MPa。注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥液漿，水灰比1 ∶1，根據情況輔以超細水泥漿液補充注漿，先進行實驗并根據情況進行調整。注漿速率5 ～110 mL/min，可視具體情況進行調整[4]。

3.3 結束標準

3.3.1 單孔注漿結束判定標準

單孔采用定量和定壓雙控。單孔注漿量超過設計注漿量1.5 倍后，壓力仍不上升可結束該孔注漿。單孔設計注漿量按下式計算：

式中：Q是注漿量，單位L；D是注漿范圍，單位m；L是注漿段長，單位m；n是巖層裂隙率；ɑ是漿液在巖石裂隙中的充填系數；η是漿液消耗率。定壓標準：滿足設計壓力值，穩定注漿壓力10 min 且漿液注進速度僅為開始進漿速度的1/4 或進漿量達到設計進漿量的80%，可判定該孔注漿飽滿。

3.3.2 全段結束標準

所有單個注漿孔均達到注漿結束標準。按總注漿孔數量的5%～10%施做檢查孔，通過檢查孔檢查滿足設計標準要求。

3.4 效果檢測

隧道圍巖注漿后的檢查標準是：滲透系數小于1.5×10—5cm/s，單個檢查孔的涌水量小于0.15 L/min·m，初支表面局部滲水量要小于2 L/m2·d。檢測方法主要采取檢查孔及壓水試驗滲透系數法，必要時還可以進行鉆孔取芯。

3.4.1 檢查孔視頻成像

通過打設檢查孔并采用孔內成像，察看檢查孔成孔是否完整，是否存在涌水、涌砂、涌泥等，定性評定注漿效果。若單孔延米檢查孔涌水量大于0.15 L/min 或局部涌水量大于3 L/min 時，應補充鉆孔注漿，再次注漿直到達到設計要求為止。

3.4.2 滲透系數法

通過壓水試驗對注漿后巖層的滲透系數進行檢測。根據實驗結果計算注漿后地層的單位吸水量和滲透系數判斷注漿對圍巖的加固效果。

鉆設4 個孔，孔深22 m，直徑75 mm，壓力采用5 點法進行，其水壓力設計值分別為0.1 MPa—0.2 MPa—0.3 MPa—0.2 MPa—0.1 Mpa 分級進行，調節注漿回水閥使注漿壓力盡量接近各階段設計值，或使設計壓力居于壓力變化范圍，每5 min 或2 min 記錄一個流量，當流量達到穩定要求（5 次計數的相對流量差小于10%，或絕對差小于1 L/min），即可進行下一級壓力的試驗。滲透系數計算如下：

式中：K 是滲透系數，m/d；Q 是壓入流量，m3/d；H 是試驗水頭，m；L 是試驗段長度，m；r0是鉆孔半徑，m。

3.5 注漿工效

用DW2—100 型兩臂鑿巖臺車（150 kW）鉆孔，2TGZ—10 型號注漿泵（18.5 kW）注漿，采用全孔一次性注漿。過斷層破碎帶雙線一共進行了12 循環注漿，其中局部斷面注漿6 次，周邊帷幕注漿4 次，全斷面2 次，局部斷面、周邊帷幕、全斷面帷幕注漿每循環設計鉆孔分別為45 個、74 個、81 個，詳見表2。

表2 F5 斷層破碎帶內帷幕注漿統計表

4 微臺階開挖

4.1 臺階設置

臺階高度4.8 m（隧道開挖全斷面凈高為8.3 m），上臺階長度3.0 ～5.0 m。

4.2 精準爆破

4.2.1 上臺階底板兩側部位炮孔精準設計

上臺階兩側底角炮孔總是存在圖4 的位置關系，故該位置鉆孔要適當加密并減弱孔內裝藥量，用微差技術控制底角孔的爆破質量[5]。編號3 顧及到周邊光面爆破效果，同時滿足孔2、3、4 三孔構成近似的等邊三角形，圖示起爆順序最佳?；诖?，孔2 ～4、孔3 ～4 間距介于50 ～65 cm，計入外插值后孔底間距65 ～80 cm。根據本設計參數，依據作圖法計算后可知，底角孔4 承擔的爆破體積僅是中間底板孔的35%，而2 號孔僅是底板中間孔的50%。

圖4 底角邊孔正確起爆順序圖

4.2.2 下臺階特殊孔精準設計

要求邊墻的周邊孔首個孔離臺階第一排孔的高度控制在30 ～40 cm 的位置，如此在10 號孔爆破后，非常自然地保持拱腳不受到大的破壞。為形成穩定的平臺，禁止同段逐排設計爆破網絡，尤其是低段同段網絡，如圖5。邊孔1 將加重破壞上臺階邊角部位的松馳范圍。因此，該新微臺階開挖方法成功使用的關鍵之一，是上臺階的底板精準爆破，從布孔到裝藥結構，確保爆破效果及臺階的穩定性。

圖5 下臺階邊孔精準設計圖

4.3 開挖進度及爆破效果

IV1級圍巖月進度約70 m，IV2級和V 級圍巖月進尺約45 m。通過優化微臺階爆破參數，爆破效果明顯提升，尤其是拱架懸空及臺階完整性問題得到了解決。

5 結語

對過海隧道斷層破碎帶復雜地質條件進行研究，并通過綜合超前地質預報、超前帷幕注漿、新微臺階的應用，實現安全快速施工，得出了以下結論。

（1）采用多種超前地質預報方法探明前方圍巖地質條件，尤其是水量情況，然后采取有針對性的加固措施，確保不出現不可預見的坍塌、涌水等大的風險。

（2）采用超前帷幕注漿措施，對掌子面前方一定范圍內圍巖止水，確保開挖時不因掌子面出水破壞圍巖的穩定性。

（3）圍巖穩定性較好條件下，超前帷幕注漿主要目的是止水，實際施工中可根據出水情況對設計注漿壓力、鉆孔布置和數量等進行優化，以提高工效，降低成本。

（4）通過新微臺階工法，實現臺階的完整性，解決了上臺階拱架懸空問題，保證了臺階的穩定性，保障開挖支護期間的安全。