海底隧道断层破碎带信息化施工

杨会军，王梦恕，卓 越，罗 嵩

(1.中铁隧道股份有限公司，郑州 450003;2.中铁隧道集团，河南洛阳 471009)

1 前言

世界发达国家自20世纪30年代起就开始修建海峡海底隧道。1975年日本采用钻爆法在关门修建了长18.7 km的海峡铁路隧道，1988年在津轻海峡又用钻爆法建成了53.85 km的迄今为止世界上最长的海峡隧道——青函隧道。近30年来，挪威建成了40座累计约130 km的海底隧道，目前在建海底隧道2座，还有10座在计划中，基本都是采用钻爆法施工。目前国外建成的海底隧道采用钻爆法的占90%以上，均是基于钻爆法的安全风险易于控制和经济性的原因。

海底隧道在我国尚处于起步阶段，采用钻爆法施工的福建厦门翔安海底隧道和山东胶州湾海底隧道已经投入运营，更多的海底隧道工程正在计划之中。已建工程的经验表明，海底隧道采用钻爆法施工是安全可靠的。但同陆地隧道或其他的地下结构相比，海底隧道显得更为复杂，包括由于断层和破碎带引起的不稳定性和海水渗漏。

海底隧道的特殊要求与水的存在有关，这需要密切关注地质风险，包括隧道上方足够厚度的不透水地层;地层的地质特性;各地层中裂隙的特性;断层破碎带的位置、性质、规模等;风化深槽特性、位置、规模等。造成的影响主要包括海底隧道预计到的突水可能引发灾难性后果，掌子面围岩崩塌、流失、隧道埋没等。

因此，除了遵守一般技术要求外，还应采取针对性较强的辅助方法施工，通过综合地质超前预报技术预测预报前方地质条件，并采取超前预注浆加固地层、台阶法开挖、加强支护［1～3］。同时，对施工中水平收敛、拱顶下沉等监控量测数据进行分析［4，5］，动态反馈于施工过程中，反馈用于修改超前加固、开挖、支护设计参数，指导施工［6，7］，这就是海底隧道断层破碎带的信息化施工。本文运用信息化施工方法对青岛胶州湾海底隧道工程F4－4断层破碎带(右线YK6+961～YK6+915区段)施工进行指导，效果十分显著。

2 工程概况

2.1 工程概况介绍

胶州湾隧道北连青岛市团岛，南接青岛经济技术开发区薛家岛，下穿胶州湾湾口海域，主隧道全长6 170 m，跨海域总长度约3 950 m，设两条三车道主隧道和一条服务隧道，主隧道中轴线间距55 m。隧道断面为椭圆形，主隧道开挖断面高 11.2～12.0 m，宽 15.23 ～16.03 m，隧道纵断面呈 V 型，最大纵坡3.5%，海域段主隧道埋深一般为24～35 m。隧道通过海域段最大水深约42 m。图1为胶州湾海底隧道主隧道与服务隧道示意图。

图1 胶州湾海底隧道主隧道与服务隧道示意图Fig.1 Schematic layout of main tunnel and service tunnel map of Jiaozhouwan subsea tunnel

2.2 地质条件

2.2.1 工程地质条件

隧道通过区主要岩性为侵入岩及火山岩，岩质坚硬、脆，属硬质岩石，完整性好，节理较发育，在构造带附近岩体破碎，节理密集，岩石呈碎石、角砾状，部分断裂带内呈角砾或土加石散状结构。

2.2.2 水文地质条件

隧址区地下水为孔隙水和基岩裂隙水。低山丘陵基岩地下水位随降雨变化明显，变幅可在1～5 m左右，残坡积层地下水变幅一般在1～3 m左右。滨海地带地下水位主要受海潮影响产生周期性变化，变幅一般在2～4 m。

2.3 工程重难点分析

1)地质条件复杂。围岩级别变化频繁，Ⅳ、Ⅴ级围岩比例较大，占主隧道的42%，占服务隧道的28%，围岩情况变化频繁，并且隧道多次穿越断层(裂)破碎带。在断层(裂)带、断层(裂)影响带、节理裂隙密集带，裂隙贯通性较好，存在易发生坍方和突涌水的可能。在隧道通过的岩体中，存在大量后期侵入的岩脉，这些岩脉主要有花岗岩岩脉、正长斑岩脉、煌斑岩脉、流纹斑岩脉等。因其多数沿张裂隙侵入，故其接触面附近存在岩石软化带，隧道通过沿岩脉裂隙贯通性好易引发突涌水。

2)地质构造作用强烈。隧址区地质构造以中、新生代脆性断裂构造最为醒目，韧性断裂及褶皱不甚发育。隧道共穿越9条大断层破碎带，其衍生的小断裂带有数十条之多。断层附近因岩体破碎，风化也相对严重，部分地段弱风化岩层底面在海底20 m以下，已进入隧道内部，岩体自稳能力差，极易产生坍方和大量涌水。而且，隧道通过区的构造主要是高角度的断层，走向为北东和北西，断层带内多为压碎岩、角砾碎石，是地下水径流的通道。在断层带及两侧影响带内地下水量较大。给施工带来很大困难。

3)覆跨比小。海域段隧道埋深24～35 m之间，最大跨度16.426 m，最大断面积达170 m，覆跨比小。隧道开挖极易出现涌水、坍塌等灾害。为降低地质风险，施工中将采取施工地质调查、TSP探测、高分辨直流电法、地质雷达、超前探孔等综合地质预测预报技术，以及超前小导管、超前自进式管棚、超前预注浆、局部注浆、径向注浆等多种辅助施工措施。并采用双侧壁导坑法、中隔壁开挖法(CD法)、台阶法等多种施工方法。

4)海域段施工风险大。海域段有多处断层(裂)破碎带，断层(裂)带内岩体强度低，自稳能力差。在这些不良地质地段，存在渗透破坏、发生突涌水或隧道坍塌的可能，施工风险巨大。

3 信息化施工

3.1 信息化施工流程

从20世纪70年代起，各国学者就开始运用岩体位移进行反分析研究［8］，主要有岩体反馈理论、优化反馈理论［8］、被动阻力方法［9］等。研究手段和侧重点有一定差异，但都是根据现场弹塑围岩的变形资料，以及其他地质信息，通过计算分析，建立围岩本构关系和数学模型，确定实际岩(土)体的力学参数、地层初始地应力、支护结构的边界荷载及岩体弹性参数等［10～12］。动态反馈于隧道开挖支护的设计与施工中，进而进行工程预测和评价，并进行工程决策和确定采取措施，最后进行监测并检验预测结果。图2为海底隧道断层破碎带信息化施工流程图。

图2 海底隧道断层破碎带信息化施工流程图Fig.2 Flow chart of information construction of the subsea tunnel in a fracture breaking zone

3.2 信息采集——现场基础资料采集

3.2.1 已有地质资料

YK6+961～YK6+915段，长46 m，属 F4－4断裂，高潮时水深27～30 m;海床呈缓坡状。海底覆盖层较薄，一般2～3 m，主要为砂砾，局部沉积有淤泥。隧道拱顶覆盖层仅24～26 m。基岩以含晶屑火山角砾凝灰岩为主，局部夹凝灰岩，并有较多辉绿岩脉、石英正长岩脉侵入。破碎带内岩体为碎裂～镶嵌碎裂结构，裂隙以密闭型为主，少数为微张型，裂隙面浸染迹象不甚明显。岩体受构造影响严重，岩体完整程度和风化带厚度差异很大，含晶屑火山角砾凝灰岩和石英正长岩抗风化能力强，其顶部强～弱风化带一般不超过10 m;辉绿岩抗风化能力差，其顶部有较厚的全～弱风化带，最大风化厚度可超过25 m，而且辉绿岩及其两侧岩体往往较破碎或发育小断层。围岩在松弛变形时抗渗性能易恶化，可能发生渗透变形破坏。

3.2.2 综合地质超前预报

隧道施工综合地质超前预报是从宏观和微观上去把握整个隧道通过区的地质条件并进行综合预报。把中长期地质预报成果和短期预报成果想结合对比分析得到施工地质超前预报成果。中长期预报和短期预报成果相参照对比分析，形成隧道工程的预报体系(见图3)。隧道施工综合地质超前预报技术的核心在于对地质条件的理解掌握程度。

图3 海底隧道综合地质超前预报体系Fig.3 Pre－geological prediction synthetic system of the subsea tunnel

在 YK6+961～YK6+915段，分别采用 TSP法、超前导洞法(服务洞超前)、超前水平钻孔法进行地质超前预报，再将各自预报结果综合形成综合地质超前预报。

在YK6+961前方实施超前水平钻孔，在开挖断面的上台阶共完成探孔3个(拱顶1个，左、右侧拱腰各1个)。超前水平钻孔布置如图4所示。

图4 超前水平钻孔示意图Fig.4 Schematic layout of advance horizontal borehole

3.3 信息分析处理

3.3.1 综合地质超前预报结果分析

1)TSP法。根据TSP法测得的掌子面前方70 m范围内围岩传播速度和相应的物理力学指标，依据相关规范判断该范围内围岩等级为Ⅳ级。表1为TSP法成果汇总表。

表1 TSP法成果汇总表Table 1 Summary of TSP method

2)超前水平钻孔。该段岩体整体较差，岩性单一，主要为凝灰岩，围岩破碎，难以成孔，易发生卡钻，取芯难度大，总体岩芯获得率为63.42%，岩石质量指标(RQD)为35.90%，含裂隙水。表2为超前水平钻孔法成果汇总表。

表2 超前水平钻孔法成果汇总表Table 2 Summary of advance horizontal borehole

3)综合地质超前预报结果。根据已经完成的超前地质预报的成果，YK6+961～YK6+915段整体上岩体破碎，节理裂隙密集发育，节理面中风化到强风化，围岩强度低，有岩脉侵入，断层切割，并发育有多组高角度较大规模结构面，围岩等级以Ⅴ级为主，局部Ⅳ级，裂隙含水，遇水围岩强度明显降低。

建议谨慎开挖，加强支护，对该段进行超前注浆加固措施，为确保隧道施工生产安全，须进行全断面超前预注浆。

3.3.2 超前预注浆处理

考虑胶州湾海底隧道覆盖层薄，右线隧道F4－4断层破碎带覆盖层仅24～26 m，长度46 m，围岩地质条件差，容易出现突泥、涌水险情。所以胶州湾隧道注浆应以堵水和加固为目的，采用以工作面预注浆为主，辅以洞内径向后注浆。上半断面全断面帷幕注浆，以加固为主，兼顾堵水，如图5和图6所示。表3为第一循环全断面超前预注浆参数表。

图5 上半断面全断面注浆纵断面示意图Fig.5 Schematic profile of upper half full-face grouting

图6 注浆终孔交固圈布置图Fig.6 Consolidated region of grouting

表3 第一循环全断面超前预注浆参数表Table 3 Parameters of full-face grouting at the first cycle

3.3.3 注浆效果评价

采用TSP超前地质预报监测表明，前方围岩经全断面超前注浆后断层破碎带密度有所提高，完整性较以前变好，裂隙充填较为密实。

钻孔检查显示，10个检查孔，除3个滴水外，其余均无水，成孔良好，无塌孔，最大滴水量为1.8 L/h，注浆堵水率98%以上。

3.3.4 开挖支护

采用台阶法施工，下台阶分左右两部分，左右侧错开开挖，其施工工序(见图7)及要点如下。

1)超前支护:拱部采用φ76中空自钻式管棚超前预支护，L=10～25 m，间距40 cm;φ32小导管超前支护，L=3.0 m，环向间距40 cm;底部φ80小导管超前支护，L=7.0～10 m，环向间距40 cm。

2)上台阶开挖:采取减振控制爆破，开挖进尺控制在1.5 m。

3)上台阶初期支护:钢拱架，间距50 cm，拱部φ8钢筋网，网格间距@150 mm×150 mm，C35喷射混凝土厚度30 cm。

4)开挖两侧下台阶:左右交错开挖下台阶，错开距离5～10 m，开挖进尺控制在1～2 m。

5)边墙初期支护:初喷混凝土，拱架接腿，挂网，复喷混凝土至设计厚度。

6)仰拱施工:仰拱紧跟开挖工作面，尽快封闭成环，仰拱距开挖面应不超过40 m。应超前拱墙衬砌，其超前距离宜保持在2倍以上衬砌循环作业长度。仰拱填充严禁与仰拱同时施工，宜在仰拱混凝土终凝后施作。

3.4 信息监测反馈

3.4.1 开挖面地质情况

爆破开挖后可以清楚看到浆液随节理裂隙面扩散，扩散的痕迹明显，掌子面干燥无渗水和滴水现象(见图8)。

图7 施工工序图Fig.7 Construction process chart

图8 开挖后掌子面围岩照片Fig.8 Photos of surrounding rock after excavation

3.4.2 监控量测成果

隧道施工监控量测能及时掌握围岩的变形发展动态，监测施工过程中的安全程度，是检验围岩和支护是否稳定的主要手段之一，同时也是指导施工，进行施工管理，提供设计信息的主要手段。

分别在断层破碎带内布设测线进行水平收敛和拱顶下沉量测。其量测频率开始时1 h量测一次，后期量测时，间隔时间可加大到半天、一天量测一次不等，监测结果如图9、图10所示。

图9 收敛变形－时间曲线Fig.9 Curves of convergence displacement-time

图10 拱顶下沉－时间曲线Fig.10 Curves of crown subsidence-time

监测结果显示，断层破碎带隧道开挖引起的水平收敛较小，最大达2.2 mm，拱顶下沉累计值为14.0 mm，且下台阶的开挖对其影响较小。可见，下台阶开挖后对上台阶开挖的影响控制比较理想，在下台阶开挖过程中拱顶下沉及收敛没有出现明显的变化。分析发现，围岩变形分为3个阶段:a.急剧变形阶段:主要发生在量测断面开挖后10 d内，即距开挖面20 m内，围岩发生急剧变形，其变形量占总变形量的50%(含开挖时掌子面已产生的位移)以上;b.缓慢增长阶段:随着初期支护系统发挥作用，限制了隧道围岩的收敛变形，该阶段收敛速率在0.2 mm/d;c.基本稳定阶段:这时开挖面与观测断面的距离一般已超过2倍洞径，空间效应的影响基本消除，收敛变形速度趋缓，收敛速率＜0.2 mm/d。

4 结语

海底隧道断层破碎带的信息化施工，对保证施工的顺利进行，减少重大安全事故的发生起到积极作用，真正做到动态施工和施工过程及围岩性态的全程监控。

1)通过运用TSP、超前导洞、超前水平探孔等综合超前地质预报技术，对海底隧道断层破碎带岩体结构特征、地下水特性等进行了综合预报，为制订超前预加固措施提供了依据。

2)采用上半断面全断面注浆，加固了围岩，兼顾堵水，实施效果良好。

3)开挖面地质情况和监控量测数据表明，上半断面超前预注浆效果显著，开挖支护参数合理。

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