青岛胶州湾海底隧道TSP203+超前预报应用探讨

马若飞

(甘肃铁一院工程监理有限责任公司, 兰州　730000)



青岛胶州湾海底隧道TSP203+超前预报应用探讨

马若飞

(甘肃铁一院工程监理有限责任公司, 兰州730000)

摘要：青岛胶州湾海底隧道工程,地质条件复杂,构造发育,洞身共穿越18条断层,岩体较为破碎,为避免工程措施不当引发的塌方和海水倒灌灾害,施工期间开展超前地质预报工作尤为必要。本隧道海底全程应用TSP203+技术,并利用专门的TSPwin物探分析软件对TSP203+成果进行解译、分析,对前端地质做出超前预报,经施工验证比较,预报结果符合现场实际情况。地下工程合理利用TSP203+技术,可以针对围岩的完整、风化、破碎情况和断层破碎带分布等做出超前预报。它是地勘工作在施工阶段的重要补充和延续,也是设计变更的重要依据。可靠的预报结果,可以为快速、及时、有效地规避隧道施工风险提供可靠的保障。

关键词：海底隧道；公路隧道； TSP203+；超前预报；应用

1工程概况

青岛胶州湾海底隧道是一项规模宏大的海底穿越工程，是目前世界长度第三，我国长度第一的第二座大断面海底隧道，隧道起自青岛市西南端的团岛，下穿胶州湾海域，连接黄岛区东北端的薛家岛，具备以城市道路功能为主兼具公路分流作用的双向功能，是连接青岛主城与辅城(黄岛)的重要通道。隧道设计为双向双洞6车道，设计车速80 km/h，洞身总长约7.8 km，其中跨越海域段约4.05 km，隧道采用3孔隧道形式穿越海域，两侧为主隧道，中间为服务隧道。隧道沿线设通风竖井两道，车行横洞8处，人行横洞16处，以及各项运营管理设施，并预留市政管线敷设通道。隧道海域通行段海床覆盖层厚度25.4～35.1 m，最大海水深度约42 m，最大开挖断面170 m2，隧道围岩施工分级Ⅱ～Ⅴ级，共穿越断层破碎带18条，全隧道采用钻爆法施工。

2隧道洞身地质概况

胶州湾海底岩性以岩浆岩为主，岩面风化程度不均，弱风化岩面起伏较大，工程地质、水文地质条件复杂多变，场区内构造发育，隧道洞身通过断层计有18条，由于位于海底，受勘探条件所限，洞身个别地段的断层在勘察阶段其性质、产状无法完全查明，隧道中断层可能出露的位置仅是推断。根据区域地质资料和勘察报告反映，当地断层性质以压扭性和张性断裂为主，断裂带内岩体多呈碎裂-镶嵌碎裂结构，破碎带、影响带发育；受构造影响，场区内破碎岩和碎裂岩发育，破碎岩、碎裂岩强度低，呈带状产出，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩变化频繁，在隧道内具体出露位置难以确定，上述不利地质条件在海域透水性较好的地段，隐伏了施工突发涌水的可能。同时，隧道位于半无限含水层中，基岩裂隙水直接接受海水的定水头入渗补给，易引起塌方和涌水突泥等突发性地质灾害，严重危及施工安全，为隧道施工留下了较大的隐患。

受海底勘探难度大和现有勘察技术水平的限制，胶州湾海底隧道开挖前不可能完全探明洞身断层及各级围岩的工程特征，这给施工带来了相当大的不确定因素，亦带来了一定的风险，为规避此类风险，提前掌控海域段施工的难点、重点尤显重要。

针对胶州湾海底隧道洞身跨度大，构造、岩性复杂的施工重点、难点，洞身施工过程中为弥补前期地勘资料的不足，采取了超前地质预报的措施。超前地质预报工作主要是在两侧主洞之间的服务隧道进行，其特点是：服务隧道洞径小，施工进度快，发现问题及时，有利于提前制定施工工艺和采取防护措施，带动两侧主洞的施工。超前地质预报工作是整个施工的龙头，尤其是进入海域段施工后，是制订各种风险防范措施、安全措施、施工措施的基础与依据，直接关系到总工期目标能否安全如期实现，是胶州湾隧道建设成败的基础。

3超前地质预报工作方法[1-4]

本隧道采用TSP203+(地震反射仪)进行超前地质预报工作，并及时加强现场资料核对，补充完善勘察资料，及时指导主洞施工工艺、进度和防护。TSP203+的工作原理与工作方法如下。

3.1工作原理

TSP203+地质超前预报系统是利用地震波的反射原理进行地质预报。预报时，通过人工激发爆破产生的地震波在隧道中的岩体内传播，当遇到不同地质界面时，如断层破碎带、岩性分界线、大的节理面等，一部分地震波就被反射回来，反射波经过短暂时间到达传感器后被接收并被记录主机记录下来，然后经专门的TSPwin物探分析软件根据发射与反射之间的时间差、相位差、反射信号强弱程度、纵波与横波的比率等进行分析处理。应用处理结果，并结合区域地质资料和既有地质资料，跟踪观测洞身地质现况，就可以确定隧道前方及周围地质构造的位置和特性。可以检测出掌子面前方岩性的变化，如:不规则体、不连续面、断层和破碎带。TSP203+作为一种长距离的预报方法，可以在钻爆开挖方式的隧道中使用，而且不必接近掌子面，预报距离可达掌子面前方100～200 m甚至更远。

3.2工作方法

TSP203+具体工作方法是在隧道一侧边墙沿一字线布置24个炮点，在隧道两侧壁钻制两传感器孔(φ43 mm)，把环氧树脂放置其中，之后将套管推进，并使之与围岩紧密耦合。传感器置入套管中，依次激发各炮，地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质。反射的信号将被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，故能提供一种直接的测量。从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射回来的信号及直达波信号被高灵敏的三轴传感器接受并记录下来。工作时在隧道中进行数据采集的时间约为60 min。TSP203+超前预报原理和测点布设示意见图1。

图1　TSP203+超前预报原理和测点布设示意

4TSP203+预报结果的判释[5-6]

4.1判释方法4.1.1TSP203+预报结果的岩体物理力学参数

根据TSP203+的现场工作成果，采用TSPwin软件记录出了岩体不同质量级别的压缩波(P波)和剪切波(S波)的全部波场，并计算出预报区域内的岩石力学参数；波速、泊松比、弹性模量、抗压强度等，见表1。

表1中泊松比、弹性模量、纵波波速是影响岩石基本质量分级划分的定量力学参数。泊松比为横向应变与竖向应变之比，该数值的大小反映着岩石软硬程度，其数值越大岩石越软;弹性模量为应力与应变之比，反映着岩石变形的大小，其值越大变形越小;纵波波速反映着岩石的硬度与完整性，其值越大岩石越坚硬和岩石越完整。

表1　不同质量级别的岩体物理力学参数

4.1.2岩体力学参数、方波曲线解译图与岩性的对应关系

通过对隧道左、右线及服务隧道共计25次，累计3 200 m的TSP203+预报结果分析，根据与测量点距有对应关系的纵波波速、泊松比、弹性模量等岩石参数数据处理生成方波曲线解译图。

隧道内断裂(节理)发育带、岩体碎裂带、侵入挤压带、完整围岩段的岩体物理力学参数与方波曲线的组合经开挖对比验证，有如下对应关系。

(1)波速下降、泊松比上升、弹性模量下降、密度下降，为断层破碎带(其中方波图呈小段连续变化形态，表明该段岩体中断裂或节理发育)。

(2)波速下降、泊松比下降、弹性模量下降、密度下降，为岩体碎裂带。

(3)波速上升、泊松比上升、弹性模量下降、密度上升，为岩体侵入挤压带。

(4)波速均匀段、泊松比均匀段、弹性模量均匀段、密度均匀段，为完整围岩段。

4.2预报结果判释4.2.1初步判释

在TSP203+判释成果的“里程距离岩石参数方波曲线图”上，同一里程下标有对应的纵波波速、泊松比、弹性模量曲线(方波)，从定性的角度可以看出预测段岩体纵波波速快慢的变化，泊松比大小的变化，弹性模量大小的变化，可依据方波曲线解译图，参考岩体物理力学参数，对前方岩体的好坏做出大致的判断。

4.2.2精确判释

精确判释主要建立在对“里程距离岩石参数方波曲线图”进一步分析的基础上，通过对曲线的线性对比定性，参数取值定量进行如下比较。

(1)通过对4条方波线上下起伏变化段落的长短比较，判断该起伏段落的岩体特征。

(2)通过对相邻方波段的数值比较，可给出不同段落岩体强度差异的结论。

(3)通过对起伏段相对应方波数值的定量分析，可得出该起伏段的岩体特征。

(4)通过与TSP203+判释成果的反射面岩性参数表进行对比，可以较为准确的划分出每一方波长度内的岩体基本质量级别。

(5)分析结果经过地下水、结构面产状影响的修正后，可给出较为符合现场实际的隧道施工围岩分级。

5利用岩石参数、方波曲线组合成果与开挖结果的验证实例

5.1TSP203+地质预报结果[7-11]

按照上述初判和精判的两个步骤，对青岛胶州湾海底隧道FK4+304～FK4+160施工段利用方波曲线解译图和探测段反射面岩性参数表判释步骤如下。

5.1.1初步判释

初步判释主要根据方波曲线解译图进行，参见图2。从图2可看出：自FK4+304～FK4+160段的144 m范围内，曲线中各项指标波动幅度较大，反映出岩性软硬相间，岩体破碎整体性差的特征。

图2　方波曲线解译图

(1)在曲线范围内的FK4+282、FK4+248、FK4+217，3处分别发育有明显的结构面，岩体较破碎，强风化，强度低，含有泥质充填的结构面，整体性差，局部含裂隙水。

(2)FK4+182～FK4+160段内围岩整体性差，节理裂隙发育，岩体较破碎，强度低，且局部含裂隙水，推断此处为f4-4断层破碎带。

经施工检验，采用TSP203+预报的本段岩石特性与掌子面开挖的岩石特性基本一致，为褐红色凝灰岩，围岩总体完整性相对较差，强度相对较低，本段岩体波速参数变化相对明显，反映出岩体完整性的变化，节理裂隙较为发育，有泥质充填夹层、有断裂破碎带，初判本段以Ⅳ级围岩为主，较为符合现实。

5.1.2精确判释

(1)方波曲线成果详判

精确判释是在初步判释的基础上，对FK4+282、FK4+248、FK4+217附近和FK4+186～FK4+160区间的方波曲线进一步研判，划分出岩体特征区域和构造区域，并根据反射面岩性参数表，逐一核实，通过合理解译曲线，提出判释成果，完成超前预报。

(2)围岩力学参数

精确判释阶段，需要对预报段内的围岩力学参数依据“反射面岩性力学参数数据”和相应的实验数据进行归纳整理，制订出“反射面岩性力学参数表”(表2)，并结合初判对方波曲线的划分，分析判断洞身岩性、构造情况，综合提出预报成果。

表2　反射面岩性力学参数

(3)TSP203+超前预报成果解译

通过图1并借鉴表2的参数，可将预报段落分为5个区段并得出各段的地质情况。

①FK4+304～FK4+248(56 m)段围岩整体性差，岩体较破碎，强度低，含裂隙水；岩体物理参数平均值：波速3 783 m/s，泊松比0.27，密度2.24 g/cm3，弹性模量9.8 GPa，围岩等级为Ⅳ级。异常点为FK4+282、FK4+248。

②FK4+248～FK4+226(22 m)段围岩整体性与强度略有提高，局部岩体破碎，强度低，局部含裂隙水；岩体物理参数平均值：波速3787 m/s，泊松比0.28，密度2.24 g/cm3，弹性模量9.5 GPa，围岩等级Ⅲ级。异常点为FK4+248。

③FK4+226～FK4+198(28 m)段围岩整体性差，岩体较破碎，强度低，含裂隙水；岩体物理参数平均值：波速3788 m/s，泊松比0.28，密度2.24 g/cm3，弹性模量9.5 GPa，围岩等级为Ⅳ级。异常点为FK4+217。

④FK4+198～FK4+186(12 m)段岩体整体性及强度较上段略提高，局部含裂隙水；岩体物理参数平均值：波速3 787 m/s，泊松比0.26，密度2.26 g/cm3，弹性模量10.7 GPa，围岩等级为Ⅲ级。

⑤FK4+186～FK4+160(26 m)段围岩整体性差，节理裂隙发育，岩体破碎，强度低，含裂隙水，推测该段位于断层带，为断层f4-4，岩体物理参数平均值：波速3 715 m/s，泊松比0.25，密度2.24 g/cm3，弹性模量10.3 GPa，围岩等级为Ⅳ级。

5.2隧道施工对TSP203+成果的验证

胶州湾海底隧道FK4+304～FK4+160段洞身经施工开挖验证结果如下：

该段围岩为褐红色凝灰岩，凝灰结构，块状构造，三组节理发育，节理产状分别为190°∠65°、35°∠65°、55°∠53°，节理形态呈闭合贯通状。从施工过程看：本段岩体大部分地段较破碎，完整性较差，自稳能力较差，需要及时支护。考虑到支护结构施工的连续性与工艺要求，对于在Ⅳ级围岩中出现的个别Ⅲ级围岩段落，长度在20 m左右的，采用偏于安全的Ⅳ级加强围岩支护结构。

(1)FK4+304～FK4+248(56 m)段围岩整体性差，岩体较破碎，强度低，裂隙含水；围岩等级为Ⅳ级，按原设计Ⅳ级围岩支护。异常点FK4+282、FK4+248为结构面。

(2)FK4+248～FK4+226(22 m)段围岩整体性与强度略有提高，局部岩体破碎，强度低，局部裂隙含水，围岩等级Ⅲ级，未变更，按原设计Ⅳ级围岩支护。异常点FK4+248为结构面。

(3)FK4+226～FK4+198(28 m)段围岩整体性差，岩体较破碎，强度低，裂隙含水，围岩等级为Ⅳ级，按原设计Ⅳ级围岩支护。异常点FK4+217为结构面。

(4)FK4+198～FK4+186(12 m)段岩体整体性及强度较上段略提高，局部裂隙含水，围岩等级为Ⅲ级，未变更，按原设计Ⅳ级围岩支护。

(5)FK4+186～FK4+160(26 m)段围岩整体性差，节理裂隙发育，岩体破碎，强度低，含水，掌子面右上角出水量20～10 L/h，为断层f4-4的破碎带，围岩等级为Ⅳ级，支护等级变更为Ⅳ级围岩加强支护结构。

从上述结果可看出：本段隧道洞身施工利用TSP203+超前预报成果，经开挖后验证，现场围岩实际情况与判释结论高度吻合，预报结果较准确，起到了指导施工，防患事故，提前设防，安全保障的积极作用。

6结语

通过对TSP203+预报结果初判、精判与开挖现场的对比验证，可以看出：地下工程合理利用TSP203+开展超前预报工作，可以较准确进行完整围岩、破碎围岩和断层破碎带、岩体基本质量级别的划分。海底隧道使用TSP203+开展超前预报的意义在于：它是前期地勘工作在施工阶段的重要补充和延续，也是设计变更的重要依据，能够满足前方较长段落在施工开挖前对前方围岩特性的判断，具有一定的借鉴和参考意义。以TSP203+预报为基础，结合其他地质预报手段，加强综合分析和判断，就能得到更为可靠的预报结果，从而为快速、及时、有效地规避隧道施工风险提供可靠的指导。

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Qingdao Jiaozhou Bay Subsea Tunnel TSP203+Advance Prediction ApplicationMA Ruo-fei

(Gansu Railway Engineering Supervision Co., Ltd., Lanzou 730000, China)

Abstract：Qingdao Jiaozhou bay subsea tunnel engineering presents complicated geological conditions and structures, the hole body of the tunnel passes through 18 faults with broken rock bodies. To avoid improper engineering measures from triggering landslides and see water back flooding during the construction, advance geological forecast is of great importance. The undersea tunneling with the application of TSP203+technology, and the use of the special TSPwin geophysical analysis software to interpret and analyze the results of TSP203+to front-end geological advanced prediction, it has been verified by construction comparison that the prediction results conform to the actual situations. Underground engineering is reasonable to use TSP203+technology to predict in advance the completion, weathering, crushing and breaking of the surrounding rocks. I serves as supplementary and extension of geological exploration in the construction phase and as the important basis for design modifications. Reliable prediction results can rapidly, timely and effectively circumvent the risk of tunneling.

Key words：Subsea tunnel; Highway tunnel; TSP203+; Advance prediction; Application

中图分类号：U459.5； U456.3+3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.023

文章编号：1004-2954(2015)01-0091-05

作者简介：马若飞(1956—)，男，工程师，E-mail：294714373@qq.com。

收稿日期：2014-04-20； 修回日期：2014-05-06