1、第 3 2 卷 第 6期 2 0 0 6年6月 北京工業大學學報 J OURNAI 0F BEI J I NG UNI VE RSI TY OF TE CHNO1 OGY Vo 1 3 2 No 6 J u n 2 0 0 6 海底隧道穿越風化深槽施工方案 郭衍敬，張 明聚，張 斌(1 山東科技大學 資源與環境工程學院，山東 青島 2 6 6 5 1 0；2 北京工業大學 建筑工程學院。北京 1 0 0 0 2 2)摘要：根據廈門翔安海底隧道的設計要求和巖土條件，對該隧道的施工風險進行預測，針對海域風化深槽地 段，加強地質超前探測、采用全斷面帷幕注漿和輔助注漿、超前注漿小導管預支護、雙側壁導坑

2、開挖方法、安裝鉆 孔防突裝置、鉆孑 L 快速注漿堵水和裂隙快速堵漏、澆注混凝土墻注漿防水，制定了較為詳細的施工方案，為該類 隧道安全施工提供一定技術支持 關鍵詞：海底隧道；風化深槽；施工風險；施工方案 中圖分類號：T U 9 4 3 文獻 標識 碼：A 文章編號：0 2 5 40 0 3 7(2 0 0 6)0 60 5 2 1)一0 6 1 工程概況 1 1 設計參數 廈門翔安隧道是連接Vf-I 市和翔安區陸地的重要通道，兼具高速公路和城市道路雙重功能，設雙 向 6 車道，采用 3孔隧道型式，兩側為行車主洞，中間為服務隧道 隧道沿線設通風豎井 2處，車行橫洞 5處，人行橫洞 1 2處，如圖

3、1 所示 隧道開挖長 5 9 5 0(其中：海域 4 2 0 0)m，行車隧道寬 1 6 5 m，服務隧道寬 7 5 r n，行 車主洞面 積1 5 01 6 5 m2，設計 行車速度8 0 k m h，最大路 線縱坡2 9 5，遠期設 計 日交通量 左線隧道人口 麗 胃腿 壹 隧 旦 端 NK 6+5 4 2 通風-J I ZK7+9 0 0 2 7 85m A 3 標段 左線主隧道 口 布垡隧遒 旦 YK6+5 5 9 R R C R R C R R C R R c 良 良 R 一人行橫洞 C 一車行橫洞(a)平面布置 I C R R 外 YKl 1+33 0 ZKl 2+4 85 服 務

4、 隧 道 口塑 齋 右線主隧道 口 YKl 3+35 5 左線 主隧道 服務隧道 右線 主隧道(b)橫斷面 圖 1 廈門翔安隧道布置方案 F i g 1 L a y o u t o f Xi a me n Xia n g a n t u n n e l p r o j e c t 收稿 日期：2 0 0 5 0 4 1 3 基金項目：北京市教育委員會科學技術與研究生教育建設基金項目資助(4 7 I)I)I)I)1 4 0 1 5 I)6)作者簡介：郭衍敬(1 9 6 3一)，男，山東曹縣 人，博士生 維普資訊 http:/ 第 6期 郭衍敬等：海底隧道穿越風化深槽施工方案 5 2 1 9 4

5、5 5 0輛小汽車，通風方式分兩段豎井送排式通風，隧道設置了 3處集水池 1 2 巖土條件 工程區域基巖以燕 山早期第 2次侵入的花崗閃長巖及中粗粒黑云母花 崗巖為主，海域為花崗閃長巖 分布區，翔安側潮灘及其以北地帶為黑云母花崗巖分布區，其內穿插二長巖、閃長玢巖、輝綠 巖等巖脈，脈 寬不足 1 r n，個別部位寬達到 1 0-2 0 1 T I 基巖按風化程度可分為全、強、弱、微 4個風化帶，局部發育風化 深槽，隧道兩端洞口段為全強風化花崗巖層，海域 F1、F 2、F3為全強風化深槽，海域 F4為全強風化囊，如圖 2所示，風化槽保持 了原巖結構，為全、強風化花崗巖巖土整體上屬弱一微透水層 隧

6、道 入 口 2 施工風險分析 圖 2 風 化深槽位置 Fi g，2 P o s i t i o n o f d e e p we a t h e r e d r o c k t r o u g h 隧 道 口 A 3標段海域穿越 F3、F 2兩條風化深槽，每條寬 5 0 1 0 0 m，巖體強度低，自穩能力差 處于不 良地質 地段，由于海水通過軟弱結構帶，特別是斷層破碎帶對隧道會產生較大的動水壓力，存在滲透破壞的可能，隧道塌方，可能誘發突水，淺灘砂層、斷層、風化槽地段隧道塌方 以及 由此引起的突水造成 多方面的危害 1)水源無限多斷層、風化槽、裂隙等構造可能與海水相通，一旦形成通道，就成為突水

7、的水源 2)水壓力大 海底隧道受到較大的水壓力作用，在不 良地質地段進 行隧道施工，易發生塌方并 引發 突水、涌水 故；由于水壓力大，增加了堵水的難度 3)突發性 由于爆破振動、揭露地質構造、開挖方法不當、初期支護不及時等造成隧道 塌方，引起突 水 故 4)施救難度大，影響工期海底隧道發生突水 故后，施救的空間有限，救護難度大，且危險性大 3 海域風化深槽施工方案 3 1 總體施工方案 對不 良地質體進行超前探測，以進一步驗證和確認，防止因地質勘察不準引發各種風險 A3標段穿越海域風化深槽地段擬采用全斷面帷幕注漿止水加固+小管棚超前支護+雙側壁導坑法(主洞)或臺階法(服務隧道)施工 在主洞全斷

8、面帷幕注漿施工前，首先在服務隧道選點進行注漿現場試驗，再結合主洞的情況進行調整 優化，指導主洞帷幕注漿施工 風化深槽地段采用全斷面帷幕注漿 ，注漿作業采用先進的多功能鉆機及相配套的注漿泵、注漿 自 動控制監測儀等智能化注漿系統 維普資訊 http:/ 5 2 2 北京工業大學學報 2 0 0 6龜 3 2 超前地質探測 在加強掌子面常規地質素描的基礎上，首先采用 TS P 一 2 0 3地震探測系統進行長距離(掌子面前方 1 0 0 m左右)的超前探測，確定風化槽范圍和軟硬巖層邊界 根據 T S P 一 2 0 3預報的風化層邊界前 3 0 m，采用地質雷達(GP R)進行超前探測，確認有不

9、良地質存在 時，再采用先進的多功能液壓鉆機進行水平超前鉆孔探測，進一步驗證風化槽的位置、規模和巖性 水平 鉆孔在開挖斷面的中心線上部和兩側中部各布置一孔 由于服務隧道超前主洞旌工，進度也快 于主洞，因此，主洞接近風化槽 時，還可利用服務隧道，設置側 向探孔，以準確探明主洞風化槽的位置、規模、巖性和地下水情況 3 3 服務隧道全斷面惟幕注漿現場試驗 根據 A 3標段風化槽位置和風化層滲透系數的情況，計劃選 2個現場試驗段進行試驗第 1段為 F3 風化槽的 NK1 0-t-7 0 8 NK1 0-t-6 7 8，該段隧道穿越強風化層；第 2段 為 F2風化槽的 NK1 0+2 0 8 N K1 0

10、 -t-1 7 8，該段隧道穿越微風化層 旌工階段現場試驗內容包括室內試驗、現場試驗及檢驗 選用普通水泥、超細水泥、超細水泥+水玻璃、超細水泥+水玻璃+微硅粉等 4種材 料進行 7種室 內 試驗 材料配合比試驗：確定各種試樣的配合 比方案；凝膠時間試驗：通過控制和調 節凝膠n,-J I3 確定 注漿半徑和注漿效果；結石率試驗：確定不同漿液成分的結石效果；抗壓強度試驗：確定材料品種和使 用范圍；滲透性試驗：檢驗各種漿液的可注性；黏結強度試驗：檢測被加 固體與漿液的黏結程度和加固 效果；耐久性試驗：通過凍融循環試驗，檢驗各種材料配方的合格性 現場試驗與檢驗 內容包括 5項現場注漿 鉆孔布置與試驗：

11、在服 務隧道試驗 斷面 內布孔，各 試驗孔間距 2 0 2 5 m每孔采用 1種材料、1種 配合比和 2種注漿壓力進行注漿試驗注漿過 程 采用壓力控制和注漿量控制相結合方式進行，注漿 壓力按擠壓和中壓劈裂 2種壓力控制注漿試 驗 孔如圖 3所示 每個孔記錄好注漿量，繪制出流量 和壓力曲線以分析注漿效果；檢測孔布置：在各 0 5 注漿孔兩側 1 m范圍內鉆 2個聲波測試孔，通過測 試注漿前后加固體的聲波波速和動力注漿效 果進 行評價；檢查孔取芯：通過鉆孔取芯，對 比分析注 。一 一 一 A一 A一 A 1 mI 一 一 l 一 一 l 0一 5 m 5 0 m 一 圖 3 注漿試驗孑 L F i

12、 g 3 Gr o u t i n g e x p e r i me n t h o l e 漿效果，利用鉆孔進行靜力觸探，對加固前后的巖體性能進行對比；壓水試驗：對注漿加固后的鉆孔進行 壓水試驗，檢測注漿加固前后的滲透性變化；整個試驗孔注漿，開挖時對現場挖 出的巖體進行觀察，分析 注漿效果 3 4 主洞風化槽地段全斷面帷幕注漿施工 隧道旌工設計的基本思路是以堵為主，限制排量，實現有控制排放的目標 施工中采取超前鉆孔帷幕 注漿和開挖后補充注漿 2種堵水方案根據隧道穿越地段的地質條件和涌水量，采取多種注漿方式 隧道壁大面積淌水地段，實旌開挖后，主隧道開挖輪廓線外 5 m、服務隧道開挖輪廓線外 3

13、 m 全斷面 實施徑向注漿 注漿后涌水量仍大于控制排水量、注漿 固結圈綜合滲透 系數大于設計控制值，或仍有局部 出水點時，實旌補充注漿 從服務隧道側面對主洞進行注漿風化深槽首輪全斷面帷幕注漿起點設 在風 化槽邊界前 1 5 m左右(約 1倍洞徑)，如圖 4所示每輪注漿段的旋鉆斷面按 上下臺階取齊，便 于鉆機作 業在旌工中，根據注漿效果不斷調整優化 注漿段長 3 0 m，每循環開挖 2 0 m，留 1 0 m作為下個循環止漿段 維普資訊 http:/ 第 6期 郭衍敬等：海底 隧道 穿越 風化深槽施工方案 5 2 3 砼 圖 4 全斷面帷幕注漿段平 面示意 F i g 4 Th e s c h

14、e ma t i c l a y o u t o f f u l l f a c e c u r t a i n g r o u t i n g p l a n e 注漿孔孔口段安設 d 7 6 4 mm鋼管套管，套管長度均為 3 m；注漿孔采用多功能液壓鉆機施鉆，套管 段采用 8 0 mm鉆頭成孔，后續注漿段用 6 0 mm鉆頭成孔；注漿液根據服務隧道注漿試驗結果確定，漿液配 比結合施工注漿效果及時調整；注漿壓力按劈裂中壓為主，按 2。4-4。0倍靜水壓力(即 1 7 2 6 MP a)控 制；每孔每延米預注漿量按 0 2 m 考慮，在實際施工時適當調整 主洞風化槽全斷面帷幕 注漿施工，以主

15、洞直接注漿為主，必要時從服務隧道側向對 主洞注漿加固止 水 首輪注漿前在掌子面設置 5 0 c m厚 C 3 0模筑混凝土止漿墻，此后各循環利用 已注漿未開挖的巖體代 替止漿墻，掌子面用噴射混凝土封閉每孔孔 口套管與孔壁之間使用環氧樹脂充填黏結防止漏漿 風化槽核心地段注漿采用前進式分段注漿，鉆一 段注一段，每段長度 5 7 m；風化槽兩側邊界接觸帶 地段，地下水容易聚集，采用多功能鉆機套管(d 6 0)跟進方式，鉆 至 3 0 m設計 孔深后，插入 d 5 0袖 閥花 管，再插入帶止漿塞的 d 2 5注漿管，自孔底到孔 口進 行分段后退式注漿，每段 2 3 m 風化槽邊界段后退 式注漿如圖 5

16、所示 待本環所有注漿孔注完后，根據壓漿孔的出水量 圖 5 后退式分段注漿 F i g 5 S u b s e c t i o n b a c k p e d a l g r o u t i n g t h r o u g h 管 確定局部是 否需要補設注漿孔 一般每孔每延米的出水量大于 0 5 L mi n或局部孔 出水量大于 3 L mi n 時，追加鉆孔注漿 注漿采用反復壓注，稀漿與濃漿交替，壓力與注漿量相結合的方式進行 注漿壓力從低到高逐步增 壓，起始壓力取 1 7 MP a 注漿時間根據漿液 的注入速率進行調整當注漿的壓力和進漿量均小于規定 后，結束該注漿 采用注漿控制 系統，對注漿全

17、過程進行 自動控制、監測、記錄 3 5 主洞風化槽雙側壁導坑暗挖施工法 風化深槽為V級圍巖，隧道開挖采用雙側壁導坑法施工 開挖采用人工輔以小型機械，裝碴出碴采 用挖掘機和 自卸汽車，每循環進尺控制在 0 5 m左右。導坑開挖盡量減少對圍巖的擾動；隧道中線左、右 兩側導坑以 3 5 m長為單位交替開挖；噴射混凝土應緊隨開挖掌子面施作，每榀鋼架分拱、墻 2次架成，鋼架的拱腳或底腳采用注漿鎖腳錨桿加固；及時埋點，實施監控量測，并及時反饋信息以指導施工和修改 設計；根據監控量測的結果，側導坑開挖中，如果不宜一次開挖，改用上、下 臺階施工，并增設臨時仰拱(橫 撐)3 6 施工防水預案 海底隧道施工的采用

18、各種有效的工程措施保證施工和結構的安全以外，對可能出現的意外制定應急 措施，將損失減到最小主要應急措施包括防水閘門、排水設備等 A 3標段擬定主洞及服務隧道 各準備一套防水閘門，其平面布置如圖 6所示 維普資訊 http:/ 5 2 4 北京工業大學學報 2 0 0 6正 圖 6 防水 閘門平面布置 Fi g 6 I my o u t o f wa t e r p r o o f l o c k g a t e 防水閘門采用內置型鋼骨架，外貼鋼板的可拆卸結構型式內置型鋼骨架分別采用 1 4、1 6和 3 0工字 鋼；工字鋼之間用槽鋼連接，間距 1 m，骨架外貝 占1 c m厚鋼板 工字鋼與槽鋼

19、、鋼板之間均采用雙面焊接 避水面設置 3道橫撐，橫撐采用中空高頻焊矩形管，橫撐與閘門鋼板之間采用雙面焊接。施工前要進行防水閘門的中心線、門坊線、施工導洞開挖輪廓線及水閘門的安裝線的放線工作開挖 過程中嚴格按照施工導洞開挖輪廓線施工，盡可能使開挖與設計相符 開挖關鍵部位采用放小炮或不放 炮開挖，增加預留圍巖的凝固力和摩擦力，同時盡最大可能保護圍巖的原狀 澆筑門坊時為防水閘門預留足夠的空間，并在相應位置預留橫撐槽，以使防水閘門能順利閉合 澆筑混凝土需要特別注意，如防水閘門框四周、預埋管子的四周、底板有水處等幾個關鍵部位，防止混 凝土振搗不好而出現蜂窩，保證混凝土質量 隨著隧道的掘進，當超前地質預報

20、發現不良地質，存在涌水的風險時，在開挖面距不 良地質帶一定距 離之處，選擇地質條件較好的地帶設置防水閘門通過不 良地質區域后，防水閘門前移，循環使用防水 閘門開啟和關閉均采用卷揚機拉動，保持防水閘門的安全性和靈活性 主隧道及服務隧道均為反坡施工，施工期間地下水和施工用水無法 自排，只能利用抽水機配以管道排 水，分段設置固定泵站和集水井 固定泵站與開挖面之間設置臨時移動泵站，用潛水泵抽水至固定泵站的 集水井，梯級抽水將涌水排出洞外 集水井容量、排水泵及管路的能力設計按預測涌水量 3倍設置，保證能 2 4 h不間斷的排水能力 施工中隨時有突涌水發生的可能，為防止淹沒隧道內的設備、危及人員安全，配備

21、 2套獨立的排水 系 統，除滿足正常施工所需抽水設備及管路外，應在服務隧道每 5 0 0 r f l 左右設強力泵站，作為防止突涌水的 應急措施 并配備發 電機組，其功率應能滿足強力排水時抽水的需要 隧道涌水發生時，通常伴隨有大量的涌砂、涌泥，水泵要采用大泵量和大揚程的污水泵 為預防突然大量涌水，排水泵站設置為可浮動式開啟方式 每個泵站設置 1對工作泵和 1對備用泵，它們可以靠浮動杠桿開關 自動開啟水泵抽水 4 結論 1)水底隧道穿越風化槽巖體強度低，自穩能力差，存在滲透破壞、發生突涌水或隧道坍塌的可能，施 工風險突出 2)遇到斷層和風化槽等不 良地段，采用超前地質預報，以地質素描、TS P

22、一 2 0 3探測、地質雷達、水平超 前鉆孔等手段進行綜合探測分析 3)穿越水域風化槽地段施工注意 4個要點 對服務隧道帷幕注漿進行現場試驗；主洞全斷面帷幕注 漿(或從服務隧道側 向對主洞進行注漿加固止水)；超前注漿小導管預支護；雙側壁導坑開挖開挖過程中 對局部滲漏水進行徑向注漿或補充注漿 4)預防突水主要有 4個方法 檢查巖體注漿質量；安裝鉆孔防突裝置；鉆孔快速注漿堵水和裂隙快速 維普資訊 http:/ 第 6期 郭衍敬等：海 底隧道 穿越 風化深槽施工方案 5 2 5 堵漏；澆注混凝土墻注漿防水，參考文獻：1 曾超，張 建斌 廈門 翔安(海 底)隧道 t建工 程簡 介 c 海 底 與水下

23、隧道 國際 學 術交 流 會北 京：北 京交 通 大學，2 1)1)5 Z E N G C h a o Z H AN G j i a n I)i n I n t rod u c t i o n o f x i a me n X i a n g An s u b s e a t u n n e l c i v i l e n g i n e e r i n g C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n t h e Un d e r s e a Tu n m、I s j i j i n g：B e i j i n g J i a o t

24、 o n g Un i v e r s i t y 2 1)1)5(i n Ch i n e s e)2 郭小紅 對廈門東通道 海底隧道 幾個技術問題 的探 討 C 海底 與水 下隧道 國際學術 交流 會，北京：北 京交通大學，2 00 5，GU O X i a o-h o n g，A s t u d y o n v c r a l t e c h n i c a l p r o b l e ms o f x i a m e n X i a n g A n s u b s e a t u n n e l (；I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c

25、 e o n t h e Un d e r s e a Tu n n e l s，B e i j i n g：B【1 i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y，2 1)1)5，(i n Ch i n e s e)3 黃俊，張頂立 水底隧道穿越風化槽技術及施工效應研究 J 公路，2 1)1)5(6)：2 1)3 2 1)7 H U A N G J u n Z h A N G D i n g-l i A s t u d y o n t e c h n iq u e o f b e n t h i c t u n n e l t r a v e r s

26、 i n g w e a t h e r e d t r o u g h a n d i t s c o r t s t r u c t io n e f f e c t J Hi g h wa y，2 0 0 5(6)：2 1)3 2 1)7 (i n Ch i n e s e)4 崔玖江水底隧道與地下工程修建技術【M 北京：科學出版社，2 0 0 5，5 張頂立，李治國高壓富水區隧道帷幕注漿止漿系統分析 J 巖土力學，2 0 0 4，2 5(7)：l 1 5 l l 1 5 4 Z HANG Di n g-l i Ll Z h i g u o An a l y s is o f b o r

27、 e h o l e o c c l u d i n g s y s t e m f o r t u n n e l c u r t a i n g r o u t i n g i n h i g h p r e s s u r e a n d r i c h wa-t e r z o n e J R ock a n d S o i l Me c h a n i c s，2 0 0 4，2 5(7)：l 1 5 l l 1 5 4(i n C h i n e s e)6 王夢恕，地下工 程淺埋 暗挖技 術通論 M 合肥：安 徽教育 出版社。2 0 0 4，A Co ns t r u c t i

28、 o n S o l u t i o n t o Tu n ne l i ng Th r o u g h t h e De e p W e a t he r e d Ro c k Tr o u g h o f S u b s e a Tu nn e l s G UO Y a n j i n g。，Z HA NG Mi n g i u ，Z HAN G B i n (1 Co l l e g e o f Re s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t En g i n e e r i n g，S h a n d o n g Un i v e r s i t

29、 y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，S h a n d o n g，Qi n d a o 2 6 6 5 1 0。Ch i n a；2 C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g，B e i j i n g Un i v e rsi t y o f Te c h n o l o g y，B e i j i n g 1 0 0 0 2 2，Ch i n a)Ab s t r a c t：Ba s e d o n t h e g e

30、 ne r a l s i t u a t i on a n d g e o l o g y c on d i t i o n o f t h e Xi a me n Xi a n g a n s u b s e a t un n e l e n g i n e e r i n g，t h e p a p e r h a s a n a l y z e d t h e r i s k s i n c o n s t r u c t i n g t h e t u n n e l we r e a n a l y z e d A d e t a i l e d c o n s t r u c t

31、 i o n S O l u t i o n h a s b e e n dr a wn f or t h e t u nn e l i n g o f t h e s u b sea d e e p we a t h e r e d r o c k t r ou g h s Th e c on s t r u c t i o n me a s ur e s ma i n l y i n c l u d e：t o e n h a n c e p r e di c t i o n a n d i n v e s t i g a t i on o f g e o l o g y；t o a d

32、op t a d v a n c e d t e c hn o l o gy o f f u l l f a c e c u r t a i n g r ou t i n g a n d s u p p l e me n t a r y gr o u t i n g t o t u nn e l i n g；t o u s e p r e s u p p o r t i n g me t h o d b y p r e g r ou t i n g t u b e s i n s ma l l d i a me t e r；t o e xc a v a t b y t h e me t h o

33、d o f d ou b l e s i d e p i l o t h e a d i ng，t o i n s t a l l f a c i l i t i e s o u t s i d e t h e b o r e h o l e s t o p r e v e nt wa t e r e me r g i n g，a n d t o p ou r c o nc r e t e wa l l a n d pr e v e n t wa t e r b y gr o ut i n gTh es o l u t i o n h a s p r o v i d e e d t e c h ni c a l b a s i s f o r t h e s a f e t y c on s t r uc t i o n of t hi s ki n d o f t u nn e 1 Ke y wo r d s：s ub s e a t u nn e l；d e e p we a t h e r e d r o c k t r ou gh；c o n s t r u c t i o n r i s k；c o n s t r u c t i o n SO l u t i o n 維普資訊 http:/