青島膠州灣海底隧道建造關(guān)鍵技術(shù)研究*

郭永建

(青島國信建設投資有限公司，山東 青島 266520)

0 引言

海底隧道以其對自然環(huán)境影響較小、海底穿行占用地面面積少、全天候通行等優(yōu)勢，已成為跨海峽、跨海灣通道的首選。中國有近2萬km的海岸線，沿海地區(qū)對跨海通道的需求與日俱增。但海底隧道建造存在海底水量補給無限，高水壓易發(fā)生坍塌、突涌水等問題，且海底地質(zhì)條件復雜多變，地質(zhì)識別難度大，施工期破壞性強，海水腐蝕性強，結(jié)構(gòu)耐久性要求高。

王夢恕[1-2]總結(jié)了現(xiàn)有國內(nèi)外水下隧道設計、施工中存在的重難點問題及關(guān)鍵技術(shù)；張頂立[3]揭示了海底隧道施工過程中的突水機理，并提出地層結(jié)構(gòu)界面變形控制技術(shù)；曲立清等[4-5]結(jié)合海底隧道實際工程，有針對性地提出了適宜的注漿加固方案；童建軍等[6]采用模型試驗方法，分析了海底隧道二次襯砌受力長期增長下的安全性問題，可為海底隧道長期運營耐久性設計提供指導。已有學者雖對海底隧道建造技術(shù)進行了有益探索和實踐，但隨著海底隧道建造長度和規(guī)模的增大，深水海域鉆探、海中無豎井長距離通風、半包防水滲水量控制等難題，亟需加以解決。

本文在海底隧道研究成果的基礎(chǔ)上，依托膠州灣海底隧道建造經(jīng)驗，分析并總結(jié)海底隧道工程建造過程中的關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似工程建設提供參考。

1 工程概況

青島膠州灣海底隧道是目前我國隧道長度第一、世界長度第三的海底公路隧道，隧道連接青島市市南區(qū)與西海岸新區(qū)。隧道全長7 800m，其中海域段隧道長4 095m，縱斷面采用V形坡，最小埋深25m，最大坡度3.9%，為雙向6車道，最大斷面面積412m2。主隧道按左、右線分離設置，中間設置服務隧道。設置10個車行通道和17個人行通道，連接2條主隧道和服務隧道。

2 綜合地質(zhì)勘探技術(shù)

由于海底隧道處于海床下方，無法實地踏勘，且海域流向多變、海床堅硬、流速和風浪較大，給海上地質(zhì)鉆探造成了極大困難。為此，選擇尺寸適中、具有密封艙結(jié)構(gòu)、自帶動力的鋼質(zhì)平底駁船作為浮動鉆探平臺，同時配以不同類型錨體組合的連環(huán)錨具，解決海域惡劣環(huán)境條件下勘探船強適應性問題。針對作業(yè)區(qū)海床堅硬、潮汐和海域風浪影響大、勘探船起伏較大、外層保護套管不易固定的難題，開發(fā)了鋸齒狀管靴+多道保護繩+固定套管外設置的大直徑活動套管技術(shù)，不僅保護了船體，且避免了隨潮汐頻繁接、卸套管，提高了鉆探工作效率。

隧道所在海域海床為硬質(zhì)巖體，由于缺少隔水層，受潮汐影響，海上抽壓水試驗難度大，套管與巖體之間止水成為技術(shù)難題。通過多次試驗，開發(fā)出適合該場地條件、以干黏土球和海帶絲混合物為隔水材料的止水工藝。在穩(wěn)潮時間段開展壓水試驗，采用通過鉆機鉆桿施加壓力，使止水栓塞膨脹的試驗設備，操作簡便、試驗效果好。

通過磁力測量、多道地震探測、單道地震探測、多波束水深測量、側(cè)掃聲吶測量、淺剖測量和海上鉆探等綜合技術(shù)手段，查明工程場區(qū)斷裂構(gòu)造等不良地質(zhì)分布范圍、性質(zhì)，可知隧址穿越地層陸域為花崗巖，海域為花崗斑巖、凝灰?guī)r、輝綠巖等火山巖。地質(zhì)構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造，共穿越18條斷層破碎帶，其中海域段14條，斷裂帶大部分為高角度、中新代脆性斷裂構(gòu)造?？碧浇Y(jié)果為設計與施工提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

3 高效注漿加固技術(shù)

3.1 不良地質(zhì)超前探測與定位

在隧道施工過程中，采用數(shù)字鉆進超前探測技術(shù)探測不良地質(zhì)體，可準確識別含水構(gòu)造和地層界面，并進行圍巖判別，進而得出不良地質(zhì)體范圍、物理力學特征、水文特征及其與海水的連通性。青島膠州灣海底隧道施工過程中，采用數(shù)字鉆進超前探測技術(shù)對沿線斷層進行準確探測，共識別出水點28處，探孔最大出水量為496L/min，為施工提供了指導，有效降低了突涌水風險。

3.2 不良地質(zhì)段注漿加固

為保障海底隧道長距離穿越不良地質(zhì)體的施工安全[7]，需進行注漿加固。本研究改進了三臂鑿巖臺車鉆孔和排渣系統(tǒng)，并同步對鉆桿、供水供風系統(tǒng)進行改進，使其滿足鉆設深注漿孔的要求。首次將三臂鑿巖臺車應用于海底隧道超前預注漿深孔鉆孔施工中，同步配合使用多功能鉆機開展超前水平鉆探取芯，提高了鉆孔速度和效率，縮短了注漿工期。采用改進后的三臂鑿巖臺車，可快速施作30m注漿孔，一次性鉆孔注漿至設計深度，通過新型雙通道注漿器灌注超細水泥漿，形成止?jié){巖盤(見圖1)，繼續(xù)灌注超細水泥漿形成止水帷幕。

圖1 不良地質(zhì)段注漿效果

為檢驗注漿效果，結(jié)合工程實際，綜合提出以檢查孔出水量、吸水率、取芯率、滲透系數(shù)、膠結(jié)體強度為指標的注漿效果評價方法，并以堵水率95%、加固體強度15MPa、取芯率80%、致密性明顯提高作為控制標準。本工程嚴格按照注漿控制標準執(zhí)行，保證了不良地質(zhì)段安全、快速施工。

4 可維護式防排水技術(shù)

海底隧道設計基本采用V形縱坡，為避免高水壓，一般采用半包形式防水，將在隧道內(nèi)匯集大量滲水，因此需加強隧道防排水系統(tǒng)設計，確定限排標準，減少排水量，保證排水系統(tǒng)暢通、可維護，降低施工期和運營期排水費用。

通過國內(nèi)外隧道排水設計、施工調(diào)研，結(jié)合工程實際情況，進行經(jīng)濟、技術(shù)分析，綜合提出了本工程“以堵為主，限量排放”的防排水設計原則，并制定了設計方案和排放標準，設計主隧道單洞排放標準≤0.4m3/(d·m)，服務隧道排放標準≤0.2m3/(d·m)。

采用超前注漿改良的巖體止水帷幕、初期支護和二次襯砌之間設置的防水板、防水混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)成防水體系，同時，建立完善的排水系統(tǒng)[8-11]，在隧道初期支護與二次襯砌之間拱墻范圍內(nèi)設凹凸排水板帶和無紡布等滲水層，結(jié)構(gòu)滲水通過可清洗的縱向排水管匯集，經(jīng)橫向泄水管匯入路面兩側(cè)排水溝，最后通過9臺海水泵排出隧道外。隧道建成運營后，主隧道排水量為0.2m3/(d·m)，為設計值的50%，排水量控制水平居世界前列。

5 耐久性控制技術(shù)

海底隧道服役環(huán)境主要包括滲漏(海)水、富含高濃度氯離子的鹽霧、汽車尾氣碳化等，其中獨特的海洋腐蝕環(huán)境將導致隧道結(jié)構(gòu)混凝土和鋼筋腐蝕，為保證結(jié)構(gòu)耐久性需要，海底隧道耐久性設計、施工標準較高。

本工程施工過程中，采用結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化及定向控制爆破技術(shù)，嚴格控制圍巖損傷，形成集圍巖保護與加固、新型多重防腐錨桿(見圖2)防護、C35高性能濕噴混凝土初期支護、C50高性能混凝土二次襯砌、可重復防腐注漿加固等于一體的綜合耐久性控制技術(shù)。

圖2 多重防腐錨桿

本工程施工過程中，采用低爆速、不耦合裝藥控制爆破等技術(shù)[12]，將爆破振動控制在2cm/s以內(nèi)，以保證對圍巖產(chǎn)生較小損傷，充分利用海底花崗斑巖等自身具有的良好耐久性。

隧道初期支護采用C35高性能濕噴混凝土，通過現(xiàn)場取樣檢測，確定性能指標滿足設計要求，其中抗?jié)B等級達P12以上，滿足海底隧道使用壽命要求。

隧道二次襯砌采用C50高性能混凝土，現(xiàn)場取芯測試混凝土物理力學、抗?jié)B、抗凍、抗碳化性能和氯離子擴散系數(shù)等，結(jié)果表明各項指標均滿足耐久性設計要求。

6 通風防災技術(shù)

長大隧道通風、防災、救援系統(tǒng)復雜，技術(shù)要求高[13]，應開展專項攻關(guān)，以確保運營通風、防災系統(tǒng)安全經(jīng)濟，達到安全經(jīng)濟運營的目的。為此，本工程建造過程中，采用通風防災模擬計算分析、模型試驗等方法，建立分岔式海底隧道1∶10大比例尺分段式通風物理模型系統(tǒng)(見圖3)，對隧道需風量(見表1)、隧道縱坡、洞內(nèi)通風質(zhì)量、隧道地形地質(zhì)等進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對擬定的通風方案進行定性、定量比較，對隧道運營多工況下的通風效果進行模擬，通過反復試驗與模擬分析，驗證通風系統(tǒng)理論計算和設計的合理性。通過試驗效果與數(shù)據(jù)分析，提出最優(yōu)氣流組織和風機組合運營方案，全線共設置3座豎井，青島段隧道左線設置1號豎井(集中排風)，青島岸2號豎井左、右線合并設置，黃島岸右線設置3號豎井(兼左線排煙)。左線采取的通風方案為：2，3號豎井分3段送排縱向式+1號豎井集中排風；右線采取的通風方案為：2，3號豎井分3段送排縱向式通風。設計出滿足表1所示的設計風量最優(yōu)風機組合方案，共設置18臺軸流風機、100臺射流風機，減少了專用排煙道設置和聯(lián)絡風道、豎井斷面規(guī)模，節(jié)約工程成本約1 000萬元。

圖3 隧道通風物理模型試驗

表1 通風區(qū)段設計風量 m3·s-1

7 結(jié)語

1)通過運用綜合地質(zhì)勘探技術(shù)手段，探明了海底隧道穿越的18條斷層破碎帶位置。

2)青島膠州灣海底隧道采用數(shù)字鉆進超前探測技術(shù)對沿線斷層進行了準確探測，共探明出水點28處。

3)提出以檢查孔出水量、吸水率、取芯率、滲透系數(shù)、膠結(jié)體強度為指標的注漿效果評價方法。

4)研發(fā)了可維護式防排水系統(tǒng)，保障了海底隧道二次襯砌可作為安全儲備，實現(xiàn)了排水量僅為設計值50%的國際新低。

5)形成了集圍巖保護與加固、新型多重防腐錨桿防護、C35高性能濕噴混凝土初期支護、C50高性能混凝土二次襯砌、可重復防腐注漿加固等于一體的綜合耐久性控制技術(shù)。

6)通過建立隧道1∶10大比例尺通風物理模型，對隧道運營多工況下的通風效果進行模擬，確定了通風排煙方式，滿足長大隧道通風防災要求。