鉆爆法修建海底公路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

高海東

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300221)

1 概況

目前我國(guó)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(zhǎng)5.9 km,海域段4.2 km),二是青島海底隧道(膠州灣隧道,長(zhǎng)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(zhì)情況各有特點(diǎn),廈門海底隧道開(kāi)工后遇到了陸域全強(qiáng)風(fēng)化層、海底F1風(fēng)化槽、風(fēng)化囊等不良地質(zhì)地段,施工難度大,但經(jīng)過(guò)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(jí)圍巖,進(jìn)入海域后,遇到了斷層破碎帶、海域斷層影響帶等不良地質(zhì)地段,需要注漿止水加固地段增多,目前正處于攻堅(jiān)階段。

盡管兩條海底隧道的情況多有差異,但依據(jù)其工程實(shí)踐,結(jié)合目前所具備的技術(shù)能力、成套設(shè)備配備能力和已有的工程經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出采用鉆爆法修建海底隧道的一些施工關(guān)鍵技術(shù),具體來(lái)說(shuō)主要有：綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、海底注漿、安全控制、輔助坑道設(shè)置、支護(hù)耐久性處理共5項(xiàng)。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在隧道開(kāi)挖前通過(guò)多種手段摸清前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況,以此為基礎(chǔ),制定出針對(duì)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(fā)生突泥、涌水等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

在綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中應(yīng)始終貫徹“安全第一、預(yù)防為主”的原則,即超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)分析為主,長(zhǎng)距離宏觀預(yù)報(bào)與短距離精確預(yù)報(bào)相結(jié)合、鉆探與物探相結(jié)合、多種物探方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證、定性與定量相結(jié)合的綜合超前預(yù)報(bào)方案。

2.1 海域段綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,在施工階段最直接、有效的預(yù)報(bào)方式是：以原設(shè)計(jì)地勘資料為基礎(chǔ),TSP203結(jié)合超前探孔進(jìn)一步驗(yàn)證,各參數(shù)如下。

(1)以原設(shè)計(jì)地勘資料為基礎(chǔ)。

(2)TSP203全程進(jìn)行,搭接10 m,每段長(zhǎng)不超過(guò)100 m,進(jìn)一步定性判定地質(zhì)情況。

(3)超前探孔長(zhǎng)30 m,采用RB353E三臂臺(tái)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(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)使用儀器設(shè)備

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要使用多種儀器,涉及的主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀器設(shè)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(fēng)化槽等不良地質(zhì)地段的靈魂性技術(shù),在海底隧道修建中起著至關(guān)重要的作用,施工中應(yīng)結(jié)合不同的工況和地質(zhì)條件,有針對(duì)性地采取不同的注漿方案,才能既保證注漿效果,又達(dá)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(kāi)挖前進(jìn)行的預(yù)注漿,主要作用是止水加固,保證開(kāi)挖安全,防止開(kāi)挖后的滲漏水和坍塌,依據(jù)兩條海底隧道的注漿情況,預(yù)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(hù)完成后,二次襯砌前根據(jù)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(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；另一種是在二次襯砌中預(yù)留注漿孔,一旦二次襯砌與防水板間有孔洞,可及時(shí)注漿填充,保證二次襯砌密實(shí)。

3.2 注漿標(biāo)準(zhǔn)

止水注漿分為超前預(yù)注漿和開(kāi)挖后徑向注漿,當(dāng)超前探孔(30 m)單孔出水量大于5 L/min或每循環(huán)所有超前探孔總出水量大于10 L/min時(shí)，需要對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)注漿。

開(kāi)挖后檢測(cè)孔單孔出水量大于0.15 L/min·m需要對(duì)周邊圍巖進(jìn)行后注漿,開(kāi)挖后局部出水點(diǎn)滲水量≥2 L/m2·d時(shí),需要對(duì)出水部位進(jìn)行后注漿。

3.3 帷幕注漿

帷幕注漿是進(jìn)行海域段預(yù)注漿的主要手段,從兩條隧道的施工實(shí)際來(lái)看,注漿參數(shù)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(shí)注漿孔布置，其帷幕注漿確定的基本工藝參數(shù)如下。

圖1 周邊帷幕注漿鉆孔布置示意(單位:mm)

(1)每循環(huán)30 m,開(kāi)挖25 m,留5 m止?jié){巖盤。

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

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

(4)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：采用單孔注漿量與注漿終壓相結(jié)合的“雙控”標(biāo)準(zhǔn)控制。終壓定為3.5～4 MPa,并持壓10 min以上,實(shí)際注漿量應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)量的80%以上；若壓力始終達(dá)不到終壓標(biāo)準(zhǔn),以最大注漿量不超過(guò)1.5倍設(shè)計(jì)注漿量為準(zhǔn)。

(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(xì)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(xì)水泥單液漿W/C=0.8～1.0∶1.0,就現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看,采用超細(xì)水泥時(shí)效果較好。

(7)止?jié){墻根據(jù)掌子面地質(zhì)情況而定,如為軟弱圍巖,可設(shè)置厚度不小于2 m、強(qiáng)度等級(jí)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(kāi)挖輪廓線外5 m。

(9)注漿擴(kuò)散半徑按2 m考慮。

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

(11)注漿效果檢驗(yàn)孔按6%抽查,單孔出水量≤0.15 L/min·m時(shí),可認(rèn)為達(dá)到注漿標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn),應(yīng)補(bǔ)孔再注至要求標(biāo)準(zhǔn)。

(12)注漿順序按由近及遠(yuǎn),由外而內(nèi)的原則進(jìn)行,施工時(shí)亦可考慮間隔注漿。

3.4 初期支護(hù)后注漿

初期支護(hù)后注漿的操作要點(diǎn)如下。

(1)用噴射混凝土對(duì)欲注漿處巖面進(jìn)行封閉,盡量使?jié)B漏面積減小。

(2)較大出水處適當(dāng)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(guò)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(nèi)。

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

(7)注漿管一般設(shè)置2～3個(gè),視具體情況而定。

3.5 注漿設(shè)備的選用

鉆孔選用CASAGRANDE-C6、RPD-150C多功能鉆機(jī)、RB353E三臂臺(tái)車等。尤其是RB353E三臂臺(tái)車,最深孔可達(dá)47 m左右,操作方便,鉆孔速度快、角度適應(yīng)性強(qiáng),應(yīng)為鉆孔設(shè)備的首選。表2為青島海底隧道海域段注漿時(shí)使用的配套設(shè)備。

表2 青島海底隧道海域段注漿設(shè)備

4 安全控制

海底隧道安全控制的重點(diǎn)是采取防止突涌水措施、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、對(duì)可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情進(jìn)行提前分析并及時(shí)采取相應(yīng)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(xiàn),可立即關(guān)閉止水閥,防止大量涌水流出。

4.2 洞內(nèi)強(qiáng)制排水措施

為預(yù)防施工期間的突涌水,必須配備足夠的抽排水設(shè)施和相應(yīng)的集水坑。洞內(nèi)抽排水設(shè)施設(shè)置原則如下。

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

(2)設(shè)3根排水管,最大排水能力為最大計(jì)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(shè)計(jì)最大涌水量的2倍。

(3)要選用適合揚(yáng)程和流量的污水泵并配備自動(dòng)控制裝置,實(shí)現(xiàn)抽水自動(dòng)化。

4.3 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)在海域段的施工中要加強(qiáng)管理,提出更高的要求,尤其是實(shí)時(shí)控制更需加強(qiáng),從而為施工決策提供依據(jù),監(jiān)測(cè)過(guò)程中以下幾點(diǎn)應(yīng)引起重視。

(1)監(jiān)控量測(cè)的主要內(nèi)容有：拱頂下沉、圍巖收斂、支護(hù)狀態(tài)觀察、格柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

(2)及時(shí)布點(diǎn)并進(jìn)行初測(cè),增加前期量測(cè)的頻率。

(3)布點(diǎn)要盡量按設(shè)計(jì)的位置布置,以真實(shí)反映變形情況。

(4)對(duì)支護(hù)及掌子面情況的觀察,仍然是最直觀、最有效、最能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的手段,要繼續(xù)加強(qiáng),不容忽視。

4.4 險(xiǎn)情分析與應(yīng)對(duì)

4.4.1 海底隧道施工過(guò)程中的險(xiǎn)情分類

海底隧道施工過(guò)程中的險(xiǎn)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(zhì)災(zāi)害。

(1)陸域段的險(xiǎn)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(wèn)題。其主要原因在于地層含水量大,如果不采取適當(dāng)措施,在初期支護(hù)封閉前沉降無(wú)法控制在要求的范圍內(nèi)。圖2為廈門海底隧道A2標(biāo)陸域施工時(shí)最大的一次變形,拱頂沉降達(dá)到了800 mm,A1標(biāo)在該段開(kāi)挖中遇到了同樣的問(wèn)題(拱頂下沉達(dá)1 200 mm),這類問(wèn)題應(yīng)是陸域施工重點(diǎn)防范的主要風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 廈門海底隧道A2標(biāo)陸域段YK6+850～YK6+901.4段支護(hù)大變形現(xiàn)場(chǎng)

(2)幾個(gè)標(biāo)段在海域段遇到的數(shù)次險(xiǎn)情,均是由地質(zhì)情況較好地段突然進(jìn)入斷層等不良地質(zhì)段,進(jìn)而引發(fā)坍塌、涌水等險(xiǎn)情,圖3為廈門海底隧道A2標(biāo)2007年5月1日發(fā)生于海域段YK7+326處(由Ⅱ級(jí)圍巖段進(jìn)入到海域風(fēng)化槽的交界處)的拱頂坍塌現(xiàn)場(chǎng)及其處理。

圖3 廈門海底隧道A2標(biāo)海域段YK7+326段拱頂坍塌現(xiàn)場(chǎng)及處理

4.4.2 應(yīng)對(duì)措施

(1)要十分重視綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用,即使在較好圍巖段施工時(shí),也要時(shí)時(shí)掌握前方地質(zhì)情況,防其突然變化或有小的不良地質(zhì)體出現(xiàn)而引發(fā)大的坍塌涌水等災(zāi)害。歷次險(xiǎn)情的發(fā)生都說(shuō)明,由硬質(zhì)圍巖轉(zhuǎn)入軟弱圍巖段,往往是最容易發(fā)生險(xiǎn)情的地段,應(yīng)作為重點(diǎn)防范的段落。

(2)采用周邊帷幕注漿技術(shù),加強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度,尤其在不良地質(zhì)地段,要寧強(qiáng)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(duì)險(xiǎn)情判斷能起到定性作用的手段是圍巖和支護(hù)狀態(tài)觀察。

5 輔助坑道

通過(guò)兩條海底隧道的施工,斜井、豎井、服務(wù)隧道等輔助坑道在緩解工期壓力,加快施工進(jìn)度,保證施工通風(fēng)和施工安全等方面,在不同時(shí)期起到了不同的作用,因此在海底隧道施工中應(yīng)當(dāng)對(duì)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(biāo)為例,通過(guò)斜井完成了876 m,通過(guò)服務(wù)隧道完成900 m,實(shí)際完成3 080 m,其中通過(guò)輔助坑道掘進(jìn)的長(zhǎng)度占到整個(gè)開(kāi)挖長(zhǎng)度的57.7%；又如青島海底隧道二合同段,全部開(kāi)挖通過(guò)斜井完成；青島海底隧道一合同段余下的開(kāi)挖將全部通過(guò)服務(wù)隧道完成。

實(shí)踐證明,修建海底隧道,宜統(tǒng)籌考慮設(shè)置輔助坑道,而只要設(shè)置了輔助坑道,就要盡早開(kāi)工并設(shè)法加快其施工進(jìn)度,以便使其盡早對(duì)主體工程的快速掘進(jìn)起到作用,這對(duì)整個(gè)海底隧道的安全、快速完工至關(guān)重要。

6 耐久性處理

支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性處理主要針對(duì)工程本身將長(zhǎng)期處于高海蝕環(huán)境,主要措施有超前預(yù)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(diǎn)。

(1)采用耐久性較好的漿材,如超細(xì)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(zhì)地段的加固圈范圍要達(dá)到5 m以上,且要保證注漿效果。

(3)經(jīng)過(guò)后注漿堵水要確保初支表面的滲漏水量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)必要時(shí)采用二次襯砌預(yù)留注漿管進(jìn)行填充注漿,保證二次襯砌密實(shí)。

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(tǒng)錨桿,多重防腐錨桿施工時(shí)的注意事項(xiàng)如下。

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

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

6.3 耐久性混凝土

為保證結(jié)構(gòu)的耐久性,海底隧道的二次襯砌混凝土應(yīng)采用耐久性混凝土,各項(xiàng)基本要求如下。

(1)強(qiáng)度等級(jí)在C45以上,抗?jié)B等級(jí)≥P12。

(2)采用雙摻技術(shù),以保證其耐久性指標(biāo)。

(3)保護(hù)層要求,迎水面50 mm,背水面60 mm。

7 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)目前兩條公路海底隧道的施工實(shí)踐,結(jié)合我國(guó)實(shí)際,采用鉆爆法修建海底隧道,從施工角度應(yīng)重點(diǎn)考慮以下5項(xiàng)技術(shù)。

(1)做好綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,這是展開(kāi)海域施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是施工的眼睛。

(2)加強(qiáng)安全控制,主要從監(jiān)控量測(cè)、防止突涌水及險(xiǎn)情分析與預(yù)防等方面加強(qiáng)管理。

(3)重視海底注漿技術(shù),包括超前預(yù)注漿技術(shù)和后注漿技術(shù)。

(4)認(rèn)真考慮輔助坑道的設(shè)置,充分發(fā)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(guī)范性,這是關(guān)系海底隧道工程成敗的關(guān)鍵。

[1]青島國(guó)信實(shí)業(yè)有限公司.膠州灣隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].青島：2007.

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[3]JTG—D70—2004,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

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