武汉长江隧道岩土工程勘察难点及措施

2014-01-17万凯军李大毛赵建海

资源环境与工程 2014年5期

万凯军，李大毛，赵建海

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉 430080)

1 工程概况

武汉长江隧道是中国长江第一条过江交通隧道工程，是业内公认的“万里长江第一隧”。该隧道是武汉市中心城区重要过江通道，是经国家发展计划委员会批准立项的大型重点工程。

该隧道位于武汉长江大桥、武汉二桥之间，包含30 m长的地面道路、3 600 m长的隧道以及汉口和武昌共6条匝道，隧道江北起点为汉口大智路与铭新街的交叉口，相继穿越中山大道、江滩公园、长江、和平大道、友谊大道，最后到达江南终点武昌沙湖。隧道主体工程施工采用盾构法、明挖法和局部暗挖法。隧道的地理位置见图1。

武汉长江隧道穿越段工程地质条件及水文地质条件复杂，下穿通过宽约1 400 m长江河床及长江一级阶地，主要为渗透性强的砂层，局部含有卵砾石，隧道承受很高的水压力，设计拟采用10 m以上大直径复合式泥水平衡盾构法施工，另外江南、江北竖井超深基坑开挖与支护施工难度极大，要求准确查明工程水文地质条件与工程地质条件，以便为盾构施工及深基坑开挖支护及降水提供可靠依据。在勘察过程中遇到了一些常规勘察手段难以解决的问题，通过采用一些新的勘察技术手段及有效的施工保证措施后，圆满地完成了勘察工作，为设计与施工提供了可靠的岩土工程设计参数。

本文着重介绍武汉长江隧道勘察工作难点及相应解决措施。

2 勘察工作难点及其措施

2．1 水上勘探与测试定位问题

武汉长江隧道越江段宽度达1 400 m，由于长江水位变化频繁，水流湍急，航运交通繁忙，在长江河道进行勘探与测试工作难度之一就是定位问题。必须有效解决定位难的问题，为此采取了如下有效措施:

(1)积极主动与航道、防汛主管部门沟通和交流，按有关要求制定了相应的周密计划和可靠的水上钻探方案，并办理了相关的手续，钻探作业船上设置了完备的水上作业信号、通信和救生等设备。在有关部门的全力配合下，确保了本次勘察期间航运畅通和江上钻探作业安全。

(2)通过深入研究勘探地段水流方向、流速及航道要求，首先专门设计和拼装了江上钻探作业平台，采取结构加固措施以保证作业平台整体性及稳定性;其次制定了详细的抛锚定位方案，采取三角定位锚进行定位，从而保证了钻探作业平台快速、准确定位，且作业平台稳定，不随水流冲击而发生移动。

(3)因江面宽阔且水流湍急，江上浅层地震勘探船航迹易出现偏差，接收器触发点难以按坐标准确控制，为了解决这一难题，本工程首次采用了浅层地震勘探线定位及动态跟踪纠偏技术，其基本原理是:采用动态GPS实时定位，纠正航行轨迹，通过专用程序将GPS定位坐标与浅层地震触发按一定时距同时采集，再经过计算机处理修正航迹误差。

图1 隧道的地理位置Fig.1 Geographical position of tunnel

2．2 勘探孔保护与孔深测量问题

(1)由于江水最大深度达24 m，流速急且不稳定，必须采取套管以保护勘探孔，为此采用高强度三重套管，并采取有效的套管防脱落措施，以保证勘探孔内勘探测试工作顺利进行。

(2)江上钻探时，由于江水水位变化频繁，导致计算钻探深度的基准面标高相应变化，从而难以准确测定勘探深度，为此，采用红外仪、动态GPS等测量手段组建了江上钻探监控网，以实时跟踪监测钻探基准面的标高变化，从而有效解决了江上钻探深度难以量测的难题。

2．3 岩芯采取率问题

隧道地层主要为砂土，其中盾构机挖掘主要以粉细砂、中粗砂和卵石层为主，勘察必须查清砂、卵石层性质，常规的钻探手段难以保证砂、卵石层的钻探岩芯采取率［1］。为此专门研发了一种旋切式钻探装置。该装置具有旋转钻进、岩芯管保护和端部自动闭合等功能。通过该方法装置的应用，使得砂、卵石层岩芯采取率达85%以上，为准确测定其有关物理力学性质指标提供了有效的取样测试手段。

2．4 特殊岩土参数测试问题

2．4．1 热物理性指标

长江隧道围岩热物理指标是进行通风设计与计算的主要依据，对保证隧道使用功能和运营管理具有重要影响，而本地区没有可供参考的经验。为此，通过对本隧道沿线围岩的密度、湿度和成份的分析，经过反复比对试验，最终选用线热法对本隧道围岩的导热系数、导温系数和比热容等热物理性指标进行实测［2］，为隧道通风设计提供可靠依据，同时为本地区类似工程积累了经验。

2．4．2 石英含量及卵石硬度测试

鉴于盾构机掘进开挖砂、卵石层中石英含量和卵石坚固性是决定盾构机刀盘磨耗程度和速率的主要因素，为此勘察中制定了砂土层石英含量的测试方案，并且对卵石进行点荷载试验，以其强度指标评价卵石的坚固程度［3］。另外针对隧道底部切入基岩，对基岩段进行坚硬程度测试。通过上述测试参数的获得，为盾构机选型和刀盘设计提供可靠依据。

2．5 勘探孔回填问题

隧道位于长江防洪防汛范围内，且长江隧道作为地下工程，勘探孔的封孔回填质量对工程施工过程中和长江防洪期间防止产生管涌和突涌等灾害至关重要。为此，专门制定了详细的勘探孔回填技术措施，报请防汛指挥部审查批准后严格实施，对粘性土层用粘土泥球分层击实，对砂层用砂土分层捣实，详细进行封孔记录，并实地标记，按有关要求严格验收，从而保证了未因钻孔回填质量问题对后期工程建设和长江防洪产生任何危害。

2．6 地下水流速、流向测试问题

长江隧道主要穿越地层砂、卵石层，因地下水的流速、流向对隧道方案选择影响较大，特别是在考虑采取地下水治理方案和冻结法施工时，地下水的流速对其影响大，但常规方法难以准确测定，尤其是越江段测定地下水流速和流向测定更难［4］。为了准确测定地下水的流向和流速，采用一种单孔同位素示踪法新技术，准确测定了隧道沿线地下水的流向及渗流速度。

2．7 长江河床新近沉积层变化规律问题

隧道通过段河道演变、河床最大冲刷深度及隧道顶部覆盖层厚度变化对隧道的设计有较大影响，为了研究长江河床新近沉积层变化规律，通过对钻探、测试及试验等资料的归纳整理和分析比较，对长江河床新近沉积的粉细砂和中粗砂地层划分进行了深入研究，提出了新近沉积地层的鉴别方法，阐明了其岩性性质和工程特征，为设计提供了可靠依据。