水下隧道岩土工程勘察技术特点分析

2018-12-20韦秀燕

铁道勘察 2018年6期

韦秀燕

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 概述

近十几年来，我国基础设施投入巨大，公路、铁路、城市轨道交通、市政道路、引水工程等的建设一直保持高速发展，当这些线路工程需跨越江、河、湖、海时，应对其生态环境、航道运输条件、水文条件、工程地质条件以及造价等因素进行全面的比较论证，确定选择隧道或桥梁方案[1]。20世纪90年代前，由于技术和造价等原因，大部分越江河工程主要为桥梁形式。随着隧道设计施工技术及施工装备的发展，跨越方式已经不受技术制约。与桥梁相比，水下隧道具有多方面的优势，如全天候通行、受水文条件的制约较少、对环境生态影响较小、抗震性能较好、隐蔽性好(可作为人防工程)、不影响航运等[2]。水下隧道也有如下缺点，如隧道内行车条件受限；长隧道的通风和防灾问题；造价和运营、维护管理费用较高；施工的不确定风险因素比较大等[2]。在隧道勘察设计方面，受隧道上覆水体的影响，水底勘探精度比较低[3]，有时难于实施[4]，如何做好水下隧道的勘察设计，仍存在较多挑战[5]。水下隧道常用的施工方法有钻爆法、盾构法(TBM) 、沉管法和围堰法。目前，我国已建成多座水下隧道，其中，水下钻爆法隧道有：厦门翔安隧道、青岛青黄隧道和营盘路湘江隧道等；沉管法隧道有：港珠澳沉管隧道、上海外环隧道、南昌红谷滩隧道等；采用盾构法施工的隧道最多，已经运营及正在施工的水下盾构隧道有几十座，大直径盾构(TBM)代表性隧道有：上海崇明长江隧道、京纬七路长江隧道、南京纬三路长江隧道、狮子洋铁路隧道、汕头海湾隧道等。在水下隧道岩土工程勘察方面积累了一定经验，且已有大量专家进行了相关研究。王辉[6]采用海底地形和磁力测量、物探(多道地震)、钻探、综合测试、原位测试、室内试验等手段，对青岛胶州湾隧道进行了综合勘察。韦秀燕、赵正蓉等[7]结合仑头-生物-大学城隧道，系统阐述了沉管隧道的勘察方法。陈韶章等[8]介绍了港珠澳大桥沉管隧道工程以静力触探为主、传统钻探为辅的勘察新技术。刘宏岳，林朝旭等[9]对地震反射波法、高密度电法、大地电磁测深法等在过江隧道综合物探方面的应用进行了研究。曾智勇[10]对狮子洋盾构隧道TBM工法的地质勘察技术进行了详细介绍，特别强调了水文地质勘察的重要性。以下将在前人水下隧道勘察经验的基础上，结合作者参与多座水下隧道的勘察经验，介绍水下隧道的勘察特点及技术要求。

2 水下隧道勘察特点

2.1 既有资料少

陆地隧道勘察一般可收集各种比例的区域地质图、矿产图、水文地质图。而水域部分的地质资料一般是空白的(如图1)。

图1 区域地质

2.2 遥感和地质调绘难以发挥作用

陆地隧道可通过遥感手段判释构造发育和不良地质；可通过地质调绘手段在岩土层露头处判断岩性和表层岩性风化程度，量测岩层产状，了解构造发育情况、不良地质、特殊性岩土分布、覆盖层厚度及泉眼出露等。由于水体覆盖，水下隧道遥感工作和地质调绘难以发挥作用。为了弥补这一缺点，通常在前期研究阶段开展必要的物探工作和少量钻探工作来了解工程所在江河床的基本地质条件，为桥隧选择、工法选择提供基础资料。

2.3 物探精度低

各种在陆地上采用的物探方法，大多在水上也可使用，但采用的传感器差别较大。陆地物探采用的传感器可直接插入岩土体内，传感器的耦合较好，信号接收质量较好；水上物探一般采用带传感器的水底电缆或漂浮电缆，传感器没有直接插入岩土中，传感器的耦合较差，信号接收质量较弱，加上水流、波浪等影响，定位也不够精确。因此，通常需要多种物探方法相互验证或钻探验证。

2.4 勘探难度相对较大

水上勘探需采用专用勘探平台，除了在1～2 m水深可用简易的勘探平台外，一般需采用专用的勘探船只作为平台(如图2)。受到水流、波浪、潮汐(海上或近海)、台风、来往船只等影响，钻探的操作难、效率低、风险比较大。有些陆地上很容易实施的勘探手段，在一般勘探船平台上很难实施[8]。

图2 水上船只钻探平台

2.5 专项水文勘察

水下隧道一般位于河床以下，其设计高程、安全运营参数及工程使用年限等与河床冲淤演变相关，查明河床冲淤规律及演变趋势，是工程勘察设计的基础工作。查明工程所在地段江河的水位变化、波浪大小、流速情况、流向、水温变化、水质等条件是隧道结构设计中理论计算和隧道洞口防洪高程设计的依据，这些参数还是沉管法隧道管节存放与浮运、沉放施工组织设计的依据。

因此，水下隧道一般要做专项的水文研究。主要工作如下：

(1)收集研究区域范围内历年来观测积累的河道径流、潮汐规律、泥沙含量等特征，以及河床多年高程、河宽变化资料，分析历史演变规律；实测当年洪水期、枯水期的水文资料，预测未来的变化规律，为隧道设计、施工及运营提供相关参数。

(2)研究河势及河床演变。总结工程附近河道的历史演变情况，采用多年河道实测图，对河床进行推演分析和计算，提出相应的建议，保证过江隧道使用期内的正常运行。

3 水下隧道各工法勘察技术要求

目前，水下隧道常用的施工方法有钻爆法、盾构法(TBM)、沉管法。由于水下隧道的特殊性，一般都采用多种勘探手段相结合的综合勘察方法，但不同的工法对勘察要求差别较大。下面分别对各水下隧道工法的勘察要求进行简要总结。

3.1 钻爆法

一般适用于岩石隧道，如已经运营的青黄海底隧道、厦门翔安隧道都是岩石隧道。陆地隧道钻爆法设计和施工的关注点主要是隧道围岩的稳定性、断裂隙构造的稳定性(特殊地段也关注突水、涌水等)，除陆地隧道关注的内容外，由于担心水体渗漏，水下隧道建设还关注裂隙水渗透性、断裂隙构造导水性等。

(1)地质调绘

需调查隧道洞口岩石类型、强度、产状，风化程度等。钻爆法隧道一般埋深较大，岩石抗冲刷能力较强，水文方面一般可只做常规项目的调查。

(2)物探

主要查明岩体完整程度或构造的发育程度。地震法：根据纵、横波速计算岩体完整性系数来确定岩体完整性，根据波速变化探查构造的发育程度。电法与磁法：根据相对电阻率判断岩体完整程度或构造的发育程度。测线布置：首先对隧道所在位置进行物探普查，普查的范围根据设计需要(设计有可能根据地质条件对线路进行微调)，一般可按200 m宽度进行探测。如果是江、河等淡水水下隧道，可采用地震反射法、水域高密度电法探测与大地电磁测深法；如果是近海咸水水下隧道，电法一般不适用，可采用地震反射法和大地电磁测深法，主要查明岩土体完整程度、土石分界面、断裂走向与宽度。再根据解译的结果对重点关注部位(如隧道顶部岩层厚度低于一倍隧道洞径处、断裂发育段)进行加密探测，进一步提高解译精度。

(3)钻探

一般沿隧道线路布置(距隧道边线外侧6～10 m)[11]，钻孔间距一般为30～50 m，重点关注部分可进行加密，一般为10～30 m。孔深不少于隧道底板5 m，如遇不良地质可加深至8～10 m。

(4)孔内测试

在钻孔内开展各种测试，一般有波速测试、电阻率测试，必要时进行孔内电视测试。

(5)物理力学参数室内试验

采取岩样，进行常规物理力学参数室内试验。

(6)水文地质试验

应选择不同岩性地段、不同的岩体完整程度地段、不同的构造发育地段进行试验，获取岩体的渗透性、构造的阻性水或导水性等定性或定量的指标。

3.2 盾构法(TBM)

盾构法适用于土层隧道(TBM适用于岩石隧道)。盾构法主要关注盾构机对岩土体的切割性能、上覆土体的稳定性及土体对泥浆性能的影响等。如果隧道位于河流中上游，土层一般由冲积层组成，岩性一般为卵石、中粗砂、黏性土等；如果在河流下流或滨海，一般由粉细砂、黏性土、淤泥等组成。目前，穿江河的水下隧道以泥水平衡盾构为主，陆地盾构隧道一般采用土压平衡盾构(特殊要求除外)，这点与水下隧道不同。岩土工程勘察要点如下。

(1)地质调绘

由于与钻爆法关注点不同，调查的内容与钻爆法有一定差别，一方面需调查盾构井周边地层及环境；另一方面需收集河道及当地的历史资料，调查隧址历史上有没有沉船，近代是否发生过战争(可能存在炮弹遗留)。这些内容对盾构掘进影响很大。

(2)物探

物探探测的关注与钻爆法完全不同，主要探查盾构范围内没有与围岩不同的异物，如河道内遗留物(沉船、炮弹)；全风花岗岩层中的球状风化体；可溶岩的溶洞等。对河道内遗留物可采用浅剖法或电磁法；球状风化、溶洞等可采用地震法、电法及电磁法，测线布置可按钻爆法物探方案开展，先从面上进行普查，再到局部重点进行精查。

(3)钻探

钻探及测试可按钻爆法方式布置。

(4)取样与试验

除常规试验参数外，主要关注粗颗粒土的成分、粗颗粒的强度等；细粒土应关注黏粒的含量等；这些参数对盾构机排土及泥浆性能影响较大。