钻爆法修建海底公路隧道施工关键技术

高海东

(中铁十八局集团有限公司,天津 300221)

1 概况

目前我国正在修建,采用钻爆法施工的海底隧道有两条,一是厦门海底隧道(翔安隧道,长5.9 km,海域段4.2 km),二是青岛海底隧道(胶州湾隧道,长6.17 km,海域段3.95 km),两条隧道均为双向六车道公路隧道,钻爆法施工。

两条隧道的地质情况各有特点,厦门海底隧道开工后遇到了陆域全强风化层、海底F1风化槽、风化囊等不良地质地段,施工难度大,但经过4年多的施工,已接近尾声。

青岛海底隧道陆域段为花岗岩地层,基本属于Ⅱ、Ⅲ级围岩,进入海域后,遇到了断层破碎带、海域断层影响带等不良地质地段,需要注浆止水加固地段增多,目前正处于攻坚阶段。

尽管两条海底隧道的情况多有差异,但依据其工程实践,结合目前所具备的技术能力、成套设备配备能力和已有的工程经验,总结出采用钻爆法修建海底隧道的一些施工关键技术,具体来说主要有：综合超前地质预报、海底注浆、安全控制、辅助坑道设置、支护耐久性处理共5项。

2 综合超前地质预报

综合超前地质预报是在隧道开挖前通过多种手段摸清前方一定范围内的地质情况,以此为基础,制定出针对性的处理方案,从根本上避免施工的盲目性和随意性,把海域段发生突泥、涌水等地质灾害的风险降至最低。

在综合超前地质预报工作中应始终贯彻“安全第一、预防为主”的原则,即超前地质预报采用地质分析为主,长距离宏观预报与短距离精确预报相结合、钻探与物探相结合、多种物探方法相互补充验证、定性与定量相结合的综合超前预报方案。

2.1 海域段综合超前地质预报方案

经实际验证,在施工阶段最直接、有效的预报方式是：以原设计地勘资料为基础,TSP203结合超前探孔进一步验证,各参数如下。

(1)以原设计地勘资料为基础。

(2)TSP203全程进行,搭接10 m,每段长不超过100 m,进一步定性判定地质情况。

(3)超前探孔长30 m,采用RB353E三臂台车施工,孔径89 mm,纵向搭接8 m,大体平行于隧道轴线,外插角2°,可得到相对准确的结果。

2.2 综合超前地质预报使用仪器设备

综合超前地质预报要使用多种仪器,涉及的主要仪器设备见表1。

表1 综合超前地质预报仪器设备

3 海底注浆

注浆作为海底隧道顺利穿越断层破碎带、断层影响带、风化槽等不良地质地段的灵魂性技术,在海底隧道修建中起着至关重要的作用,施工中应结合不同的工况和地质条件,有针对性地采取不同的注浆方案,才能既保证注浆效果,又达到快速施工之目的。

3.1 注浆类型

海底隧道的注浆主要分为2种。

一是在开挖前进行的预注浆,主要作用是止水加固,保证开挖安全,防止开挖后的渗漏水和坍塌,依据两条海底隧道的注浆情况,预注浆可分为硬岩裂隙注浆、软弱地层注浆、半土半石段注浆3类。

二是后注浆,后注浆分两种：一是初期支护完成后,二次衬砌前根据渗漏水情况采取的径向注浆,主要作用是止水,保证二次衬砌施工前渗漏水情况达到设计标准；另一种是在二次衬砌中预留注浆孔,一旦二次衬砌与防水板间有孔洞,可及时注浆填充,保证二次衬砌密实。

3.2 注浆标准

止水注浆分为超前预注浆和开挖后径向注浆,当超前探孔(30 m)单孔出水量大于5 L/min或每循环所有超前探孔总出水量大于10 L/min时，需要对围岩进行超前预注浆。

开挖后检测孔单孔出水量大于0.15 L/min·m需要对周边围岩进行后注浆,开挖后局部出水点渗水量≥2 L/m2·d时,需要对出水部位进行后注浆。

3.3 帷幕注浆

帷幕注浆是进行海域段预注浆的主要手段,从两条隧道的施工实际来看,注浆参数多有不同,本文所述仅为定性描述,以供参考。

图1为胶州湾隧道ZK7+046处周边帷幕注浆时注浆孔布置，其帷幕注浆确定的基本工艺参数如下。

图1 周边帷幕注浆钻孔布置示意(单位:mm)

(1)每循环30 m,开挖25 m,留5 m止浆岩盘。

(2)分B、C、D三序孔,全断面时约为105孔(1～22号,15 m,23～44号,24 m,45～105号,31 m),硬岩时可减少布孔,周边帷幕时88个左右,上半帷幕仅需单覆盖,35个左右即可。

(3)注浆方式以前进式为主,后退式为辅,每注浆段长度3～7 m(如果成孔方便,无论软岩硬岩,均考虑以前进式为主,注浆段长根据成孔情况而定,如成孔较好,可采用全孔一次注浆)。

(4)注浆结束标准：采用单孔注浆量与注浆终压相结合的“双控”标准控制。终压定为3.5～4 MPa,并持压10 min以上,实际注浆量应达到设计量的80%以上；若压力始终达不到终压标准,以最大注浆量不超过1.5倍设计注浆量为准。

(5)用浆量一般取每延米孔0.3～0.4 m3。

(6)浆液有普通水泥单液浆、超细水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆3种。

普通水泥浆W/C=1.0∶1.0,C∶S=1∶1,水玻璃30 Be′,超细水泥单液浆W/C=0.8～1.0∶1.0,就现场情况来看,采用超细水泥时效果较好。

(7)止浆墙根据掌子面地质情况而定,如为软弱围岩,可设置厚度不小于2 m、强度等级C30以上的模筑混凝土,若为硬岩裂隙注浆,可采用喷射混凝土,厚度不小于20 cm。

(8)注浆加固范围为开挖轮廓线外5 m。

(9)注浆扩散半径按2 m考虑。

(10)注浆速度：岩层裂隙带、断层破碎带、风化槽囊：50～110 L/min。

(11)注浆效果检验孔按6%抽查,单孔出水量≤0.15 L/min·m时,可认为达到注浆标准。检查孔要用同配比浆液回填,终压控制在2 MPa,如单孔出水量大于此标准,应补孔再注至要求标准。

(12)注浆顺序按由近及远,由外而内的原则进行,施工时亦可考虑间隔注浆。

3.4 初期支护后注浆

初期支护后注浆的操作要点如下。

(1)用喷射混凝土对欲注浆处岩面进行封闭,尽量使渗漏面积减小。

(2)较大出水处适当引排。

(3)需安装孔口管,且管周与岩壁间必须密封,不可漏浆,孔口管嵌入岩面1.5 m以上。

(4)注浆孔深≥5 m,方向斜向上,这样更有利于穿过多条裂隙,保证注浆效果。

(5)孔口管与注浆管要用抱箍或法兰连接,以便能承受一定压力,终压控制在3.0 MPa内。

(6)采用超细水泥浆,W∶C=(0.8～1)∶1,注浆时可采用浓稀浆交替和间歇注浆的方式。

(7)注浆管一般设置2～3个,视具体情况而定。

3.5 注浆设备的选用

钻孔选用CASAGRANDE-C6、RPD-150C多功能钻机、RB353E三臂台车等。尤其是RB353E三臂台车,最深孔可达47 m左右,操作方便,钻孔速度快、角度适应性强,应为钻孔设备的首选。表2为青岛海底隧道海域段注浆时使用的配套设备。

表2 青岛海底隧道海域段注浆设备

4 安全控制

海底隧道安全控制的重点是采取防止突涌水措施、加强监控量测、对可能出现的险情进行提前分析并及时采取相应措施。

4.1 探孔与注浆孔防突涌水装置

在钻孔前要安装孔口管与防突装置,一旦有涌水出现,可立即关闭止水阀,防止大量涌水流出。

4.2 洞内强制排水措施

为预防施工期间的突涌水,必须配备足够的抽排水设施和相应的集水坑。洞内抽排水设施设置原则如下。

(1)集水井每500 m设置一个,两个集水井间的高差≤20 m,集水井容量约25 m3。

(2)设3根排水管,最大排水能力为最大计算涌水量的2倍以上,例如青岛海底隧道三合同段配置的最大排水能力600 m3/h,是设计最大涌水量的2倍。

(3)要选用适合扬程和流量的污水泵并配备自动控制装置,实现抽水自动化。

4.3 监控量测

监控量测在海域段的施工中要加强管理,提出更高的要求,尤其是实时控制更需加强,从而为施工决策提供依据,监测过程中以下几点应引起重视。

(1)监控量测的主要内容有：拱顶下沉、围岩收敛、支护状态观察、格栅应力监测。

(2)及时布点并进行初测,增加前期量测的频率。

(3)布点要尽量按设计的位置布置,以真实反映变形情况。

(4)对支护及掌子面情况的观察,仍然是最直观、最有效、最能发现问题的手段,要继续加强,不容忽视。

4.4 险情分析与应对

4.4.1 海底隧道施工过程中的险情分类

海底隧道施工过程中的险情共分为两类：一是陆域段的大变形,二是海域段的突泥、涌水地质灾害。

(1)陆域段的险情主要是由于地层软弱而引起的大变形,及由此而引起的地表沉陷等一系列问题。其主要原因在于地层含水量大,如果不采取适当措施,在初期支护封闭前沉降无法控制在要求的范围内。图2为厦门海底隧道A2标陆域施工时最大的一次变形,拱顶沉降达到了800 mm,A1标在该段开挖中遇到了同样的问题(拱顶下沉达1 200 mm),这类问题应是陆域施工重点防范的主要风险。

图2 厦门海底隧道A2标陆域段YK6+850～YK6+901.4段支护大变形现场

(2)几个标段在海域段遇到的数次险情,均是由地质情况较好地段突然进入断层等不良地质段,进而引发坍塌、涌水等险情,图3为厦门海底隧道A2标2007年5月1日发生于海域段YK7+326处(由Ⅱ级围岩段进入到海域风化槽的交界处)的拱顶坍塌现场及其处理。

图3 厦门海底隧道A2标海域段YK7+326段拱顶坍塌现场及处理

4.4.2 应对措施

(1)要十分重视综合超前地质预报的作用,即使在较好围岩段施工时,也要时时掌握前方地质情况,防其突然变化或有小的不良地质体出现而引发大的坍塌涌水等灾害。历次险情的发生都说明,由硬质围岩转入软弱围岩段,往往是最容易发生险情的地段,应作为重点防范的段落。

(2)采用周边帷幕注浆技术,加强初期支护的强度,尤其在不良地质地段,要宁强勿弱。

(3)施工方案选择中,上半断面要尽量低矮,以6.5 m左右为宜。

(4)对险情判断能起到定性作用的手段是围岩和支护状态观察。

5 辅助坑道

通过两条海底隧道的施工,斜井、竖井、服务隧道等辅助坑道在缓解工期压力,加快施工进度,保证施工通风和施工安全等方面,在不同时期起到了不同的作用,因此在海底隧道施工中应当对辅助坑道引起足够重视,使其所起的作用更加充分。以厦门海底隧道A2标为例,通过斜井完成了876 m,通过服务隧道完成900 m,实际完成3 080 m,其中通过辅助坑道掘进的长度占到整个开挖长度的57.7%；又如青岛海底隧道二合同段,全部开挖通过斜井完成；青岛海底隧道一合同段余下的开挖将全部通过服务隧道完成。

实践证明,修建海底隧道,宜统筹考虑设置辅助坑道,而只要设置了辅助坑道,就要尽早开工并设法加快其施工进度,以便使其尽早对主体工程的快速掘进起到作用,这对整个海底隧道的安全、快速完工至关重要。

6 耐久性处理

支护结构的耐久性处理主要针对工程本身将长期处于高海蚀环境,主要措施有超前预注浆和后注浆、多重防腐锚杆、耐久性二次衬砌混凝土。

6.1 注浆

为保证注浆工程的耐久性,注浆工程注意如下几点。

(1)采用耐久性较好的浆材,如超细水泥、普通水泥,尽量少采用双液浆一类的耐久性较差的浆材。

(2)不良地质地段的加固圈范围要达到5 m以上,且要保证注浆效果。

(3)经过后注浆堵水要确保初支表面的渗漏水量达到设计标准。

(4)必要时采用二次衬砌预留注浆管进行填充注浆,保证二次衬砌密实。

6.2 防腐锚杆

为保证海底隧道锚杆的耐久性,海域段采用多重防腐锚杆作为系统锚杆,多重防腐锚杆施工时的注意事项如下。

(1)防腐的重点是孔内注浆,一定要保证孔内注浆的饱满、密实,否则不仅起不到保护作用,反而适得其反,成为渗漏水的一个通道。

(2)锚固力主要来自于端头锚,因此钻孔孔径和施力要得当,保证抗拉力≥70 kN。

6.3 耐久性混凝土

为保证结构的耐久性,海底隧道的二次衬砌混凝土应采用耐久性混凝土,各项基本要求如下。

(1)强度等级在C45以上,抗渗等级≥P12。

(2)采用双掺技术,以保证其耐久性指标。

(3)保护层要求,迎水面50 mm,背水面60 mm。

7 结语

依据目前两条公路海底隧道的施工实践,结合我国实际,采用钻爆法修建海底隧道,从施工角度应重点考虑以下5项技术。

(1)做好综合超前地质预报工作,这是展开海域施工的关键环节,是施工的眼睛。

(2)加强安全控制,主要从监控量测、防止突涌水及险情分析与预防等方面加强管理。

(3)重视海底注浆技术,包括超前预注浆技术和后注浆技术。

(4)认真考虑辅助坑道的设置,充分发挥各类辅助坑道的作用。

(5)在耐久性处理方面既要保证工艺的合理性和可靠性,也要注意施工的规范性,这是关系海底隧道工程成败的关键。

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