1、第 3 2 卷 第 6期 2 0 0 6年6月 北京工业大学学报 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 海底隧道穿越风化深槽施工方案 郭衍敬，张 明聚，张 斌(1 山东科技大学 资源与环境工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 1 0；2 北京工业大学 建筑工程学院。北京 1 0 0 0 2 2)摘要：根据厦门翔安海底隧道的设计要求和岩土条件，对该隧道的施工风险进行预测，针对海域风化深槽地 段，加强地质超前探测、采用全断面帷幕注浆和辅助注浆、超前注浆小导管预支护、双侧壁导坑2、开挖方法、安装钻 孔防突装置、钻孑 L 快速注浆堵水和裂隙快速堵漏、浇注混凝土墙注浆防水，制定了较为详细的施工方案，为该类 隧道安全施工提供一定技术支持 关键词：海底隧道；风化深槽；施工风险；施工方案 中图分类号：T U 9 4 3 文献 标识 码：A 文章编号：0 2 5 40 0 3 7(2 0 0 6)0 60 5 2 1)一0 6 1 工程概况 1 1 设计参数 厦门翔安隧道是连接Vf-I 市和翔安区陆地的重要通道，兼具高速公路和城市道路双重功能，设双 向 6 车道，采用 3孔隧道型式，两侧为行车主洞，中间为服务隧道 隧道沿线设通风竖井 2处，车行横洞 5处，人行横洞 1 2处，如图 3、1 所示 隧道开挖长 5 9 5 0(其中：海域 4 2 0 0)m，行车隧道宽 1 6 5 m，服务隧道宽 7 5 r n，行 车主洞面 积1 5 01 6 5 m2，设计 行车速度8 0 k m h，最大路 线纵坡2 9 5，远期设 计 日交通量 左线隧道人口 丽 胃腿 壹 隧 旦 端 NK 6+5 4 2 通风-J I ZK7+9 0 0 2 7 85m A 3 标段 左线主隧道 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 一人行横洞 C 一车行横洞(a)平面布置 I C R R 外 YKl 1+33 0 ZKl 2+4 85 服 务4、 隧 道 口塑 斋 右线主隧道 口 YKl 3+35 5 左线 主隧道 服务隧道 右线 主隧道(b)横断面 图 1 厦门翔安隧道布置方案 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 基金项目：北京市教育委员会科学技术与研究生教育建设基金项目资助(4 7 I)I)I)I)1 4 0 1 5 I)6)作者简介：郭衍敬(1 9 6 3一)，男，山东曹县 人，博士生 维普资讯 http:/ 第 6期 郭衍敬等：海底隧道穿越风化深槽施工方案 5 2 1 9 4 5、5 5 0辆小汽车，通风方式分两段竖井送排式通风，隧道设置了 3处集水池 1 2 岩土条件 工程区域基岩以燕 山早期第 2次侵入的花岗闪长岩及中粗粒黑云母花 岗岩为主，海域为花岗闪长岩 分布区，翔安侧潮滩及其以北地带为黑云母花岗岩分布区，其内穿插二长岩、闪长玢岩、辉绿 岩等岩脉，脉 宽不足 1 r n，个别部位宽达到 1 0-2 0 1 T I 基岩按风化程度可分为全、强、弱、微 4个风化带，局部发育风化 深槽，隧道两端洞口段为全强风化花岗岩层，海域 F1、F 2、F3为全强风化深槽，海域 F4为全强风化囊，如图 2所示，风化槽保持 了原岩结构，为全、强风化花岗岩岩土整体上属弱一微透水层 隧 6、道 入 口 2 施工风险分析 图 2 风 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标段海域穿越 F3、F 2两条风化深槽，每条宽 5 0 1 0 0 m，岩体强度低，自稳能力差 处于不 良地质 地段，由于海水通过软弱结构带，特别是断层破碎带对隧道会产生较大的动水压力，存在渗透破坏的可能，隧道塌方，可能诱发突水，浅滩砂层、断层、风化槽地段隧道塌方 以及 由此引起的突水造成 多方面的危害 1)水源无限多断层、风化槽、裂隙等构造可能与海水相通，一旦形成通道，就成为突水7、的水源 2)水压力大 海底隧道受到较大的水压力作用，在不 良地质地段进 行隧道施工，易发生塌方并 引发 突水、涌水 故；由于水压力大，增加了堵水的难度 3)突发性 由于爆破振动、揭露地质构造、开挖方法不当、初期支护不及时等造成隧道 塌方，引起突 水 故 4)施救难度大，影响工期海底隧道发生突水 故后，施救的空间有限，救护难度大，且危险性大 3 海域风化深槽施工方案 3 1 总体施工方案 对不 良地质体进行超前探测，以进一步验证和确认，防止因地质勘察不准引发各种风险 A3标段穿越海域风化深槽地段拟采用全断面帷幕注浆止水加固+小管棚超前支护+双侧壁导坑法(主洞)或台阶法(服务隧道)施工 在主洞全断8、面帷幕注浆施工前，首先在服务隧道选点进行注浆现场试验，再结合主洞的情况进行调整 优化，指导主洞帷幕注浆施工 风化深槽地段采用全断面帷幕注浆 ，注浆作业采用先进的多功能钻机及相配套的注浆泵、注浆 自 动控制监测仪等智能化注浆系统 维普资讯 http:/ 5 2 2 北京工业大学学报 2 0 0 6龟 3 2 超前地质探测 在加强掌子面常规地质素描的基础上，首先采用 TS P 一 2 0 3地震探测系统进行长距离(掌子面前方 1 0 0 m左右)的超前探测，确定风化槽范围和软硬岩层边界 根据 T S P 一 2 0 3预报的风化层边界前 3 0 m，采用地质雷达(GP R)进行超前探测，确认有不 9、良地质存在 时，再采用先进的多功能液压钻机进行水平超前钻孔探测，进一步验证风化槽的位置、规模和岩性 水平 钻孔在开挖断面的中心线上部和两侧中部各布置一孔 由于服务隧道超前主洞旌工，进度也快 于主洞，因此，主洞接近风化槽 时，还可利用服务隧道，设置侧 向探孔，以准确探明主洞风化槽的位置、规模、岩性和地下水情况 3 3 服务隧道全断面惟幕注浆现场试验 根据 A 3标段风化槽位置和风化层渗透系数的情况，计划选 2个现场试验段进行试验第 1段为 F3 风化槽的 NK1 0-t-7 0 8 NK1 0-t-6 7 8，该段隧道穿越强风化层；第 2段 为 F2风化槽的 NK1 0+2 0 8 N K1 010、 -t-1 7 8，该段隧道穿越微风化层 旌工阶段现场试验内容包括室内试验、现场试验及检验 选用普通水泥、超细水泥、超细水泥+水玻璃、超细水泥+水玻璃+微硅粉等 4种材 料进行 7种室 内 试验 材料配合比试验：确定各种试样的配合 比方案；凝胶时间试验：通过控制和调 节凝胶n,-J I3 确定 注浆半径和注浆效果；结石率试验：确定不同浆液成分的结石效果；抗压强度试验：确定材料品种和使 用范围；渗透性试验：检验各种浆液的可注性；黏结强度试验：检测被加 固体与浆液的黏结程度和加固 效果；耐久性试验：通过冻融循环试验，检验各种材料配方的合格性 现场试验与检验 内容包括 5项现场注浆 钻孔布置与试验：11、在服 务隧道试验 断面 内布孔，各 试验孔间距 2 0 2 5 m每孔采用 1种材料、1种 配合比和 2种注浆压力进行注浆试验注浆过 程 采用压力控制和注浆量控制相结合方式进行，注浆 压力按挤压和中压劈裂 2种压力控制注浆试 验 孔如图 3所示 每个孔记录好注浆量，绘制出流量 和压力曲线以分析注浆效果；检测孔布置：在各 0 5 注浆孔两侧 1 m范围内钻 2个声波测试孔，通过测 试注浆前后加固体的声波波速和动力注浆效 果进 行评价；检查孔取芯：通过钻孔取芯，对 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 图 3 注浆试验孑 L F i12、 g 3 Gr o u t i n g e x p e r i me n t h o l e 浆效果，利用钻孔进行静力触探，对加固前后的岩体性能进行对比；压水试验：对注浆加固后的钻孔进行 压水试验，检测注浆加固前后的渗透性变化；整个试验孔注浆，开挖时对现场挖 出的岩体进行观察，分析 注浆效果 3 4 主洞风化槽地段全断面帷幕注浆施工 隧道旌工设计的基本思路是以堵为主，限制排量，实现有控制排放的目标 施工中采取超前钻孔帷幕 注浆和开挖后补充注浆 2种堵水方案根据隧道穿越地段的地质条件和涌水量，采取多种注浆方式 隧道壁大面积淌水地段，实旌开挖后，主隧道开挖轮廓线外 5 m、服务隧道开挖轮廓线外 313、 m 全断面 实施径向注浆 注浆后涌水量仍大于控制排水量、注浆 固结圈综合渗透 系数大于设计控制值，或仍有局部 出水点时，实旌补充注浆 从服务隧道侧面对主洞进行注浆风化深槽首轮全断面帷幕注浆起点设 在风 化槽边界前 1 5 m左右(约 1倍洞径)，如图 4所示每轮注浆段的旋钻断面按 上下台阶取齐，便 于钻机作 业在旌工中，根据注浆效果不断调整优化 注浆段长 3 0 m，每循环开挖 2 0 m，留 1 0 m作为下个循环止浆段 维普资讯 http:/ 第 6期 郭衍敬等：海底 隧道 穿越 风化深槽施工方案 5 2 3 砼 图 4 全断面帷幕注浆段平 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 注浆孔孔口段安设 d 7 6 4 mm钢管套管，套管长度均为 3 m；注浆孔采用多功能液压钻机施钻，套管 段采用 8 0 mm钻头成孔，后续注浆段用 6 0 mm钻头成孔；注浆液根据服务隧道注浆试验结果确定，浆液配 比结合施工注浆效果及时调整；注浆压力按劈裂中压为主，按 2。4-4。0倍静水压力(即 1 7 2 6 MP a)控 制；每孔每延米预注浆量按 0 2 m 考虑，在实际施工时适当调整 主洞风化槽全断面帷幕 注浆施工，以主15、洞直接注浆为主，必要时从服务隧道侧向对 主洞注浆加固止 水 首轮注浆前在掌子面设置 5 0 c m厚 C 3 0模筑混凝土止浆墙，此后各循环利用 已注浆未开挖的岩体代 替止浆墙，掌子面用喷射混凝土封闭每孔孔 口套管与孔壁之间使用环氧树脂充填黏结防止漏浆 风化槽核心地段注浆采用前进式分段注浆，钻一 段注一段，每段长度 5 7 m；风化槽两侧边界接触带 地段，地下水容易聚集，采用多功能钻机套管(d 6 0)跟进方式，钻 至 3 0 m设计 孔深后，插入 d 5 0袖 阀花 管，再插入带止浆塞的 d 2 5注浆管，自孔底到孔 口进 行分段后退式注浆，每段 2 3 m 风化槽边界段后退 式注浆如图 516、所示 待本环所有注浆孔注完后，根据压浆孔的出水量 图 5 后退式分段注浆 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 确定局部是 否需要补设注浆孔 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 时，追加钻孔注浆 注浆采用反复压注，稀浆与浓浆交替，压力与注浆量相结合的方式进行 注浆压力从低到高逐步增 压，起始压力取 1 7 MP a 注浆时间根据浆液 的注入速率进行调整当注浆的压力和进浆量均小于规定 后，结束该注浆 采用注浆控制 系统，对注浆全17、过程进行 自动控制、监测、记录 3 5 主洞风化槽双侧壁导坑暗挖施工法 风化深槽为V级围岩，隧道开挖采用双侧壁导坑法施工 开挖采用人工辅以小型机械，装碴出碴采 用挖掘机和 自卸汽车，每循环进尺控制在 0 5 m左右。导坑开挖尽量减少对围岩的扰动；隧道中线左、右 两侧导坑以 3 5 m长为单位交替开挖；喷射混凝土应紧随开挖掌子面施作，每榀钢架分拱、墙 2次架成，钢架的拱脚或底脚采用注浆锁脚锚杆加固；及时埋点，实施监控量测，并及时反馈信息以指导施工和修改 设计；根据监控量测的结果，侧导坑开挖中，如果不宜一次开挖，改用上、下 台阶施工，并增设临时仰拱(横 撑)3 6 施工防水预案 海底隧道施工的采用18、各种有效的工程措施保证施工和结构的安全以外，对可能出现的意外制定应急 措施，将损失减到最小主要应急措施包括防水闸门、排水设备等 A 3标段拟定主洞及服务隧道 各准备一套防水闸门，其平面布置如图 6所示 维普资讯 http:/ 5 2 4 北京工业大学学报 2 0 0 6正 图 6 防水 闸门平面布置 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 防水闸门采用内置型钢骨架，外贴钢板的可拆卸结构型式内置型钢骨架分别采用 1 4、1 6和 3 0工字 钢；工字钢之间用槽钢连接，间距 1 m，骨架外贝 占1 c m厚钢板 工字钢与槽钢19、钢板之间均采用双面焊接 避水面设置 3道横撑，横撑采用中空高频焊矩形管，横撑与闸门钢板之间采用双面焊接。施工前要进行防水闸门的中心线、门坊线、施工导洞开挖轮廓线及水闸门的安装线的放线工作开挖 过程中严格按照施工导洞开挖轮廓线施工，尽可能使开挖与设计相符 开挖关键部位采用放小炮或不放 炮开挖，增加预留围岩的凝固力和摩擦力，同时尽最大可能保护围岩的原状 浇筑门坊时为防水闸门预留足够的空间，并在相应位置预留横撑槽，以使防水闸门能顺利闭合 浇筑混凝土需要特别注意，如防水闸门框四周、预埋管子的四周、底板有水处等几个关键部位，防止混 凝土振捣不好而出现蜂窝，保证混凝土质量 随着隧道的掘进，当超前地质预报20、发现不良地质，存在涌水的风险时，在开挖面距不 良地质带一定距 离之处，选择地质条件较好的地带设置防水闸门通过不 良地质区域后，防水闸门前移，循环使用防水 闸门开启和关闭均采用卷扬机拉动，保持防水闸门的安全性和灵活性 主隧道及服务隧道均为反坡施工，施工期间地下水和施工用水无法 自排，只能利用抽水机配以管道排 水，分段设置固定泵站和集水井 固定泵站与开挖面之间设置临时移动泵站，用潜水泵抽水至固定泵站的 集水井，梯级抽水将涌水排出洞外 集水井容量、排水泵及管路的能力设计按预测涌水量 3倍设置，保证能 2 4 h不间断的排水能力 施工中随时有突涌水发生的可能，为防止淹没隧道内的设备、危及人员安全，配备21、 2套独立的排水 系 统，除满足正常施工所需抽水设备及管路外，应在服务隧道每 5 0 0 r f l 左右设强力泵站，作为防止突涌水的 应急措施 并配备发 电机组，其功率应能满足强力排水时抽水的需要 隧道涌水发生时，通常伴随有大量的涌砂、涌泥，水泵要采用大泵量和大扬程的污水泵 为预防突然大量涌水，排水泵站设置为可浮动式开启方式 每个泵站设置 1对工作泵和 1对备用泵，它们可以靠浮动杠杆开关 自动开启水泵抽水 4 结论 1)水底隧道穿越风化槽岩体强度低，自稳能力差，存在渗透破坏、发生突涌水或隧道坍塌的可能，施 工风险突出 2)遇到断层和风化槽等不 良地段，采用超前地质预报，以地质素描、TS P 22、一 2 0 3探测、地质雷达、水平超 前钻孔等手段进行综合探测分析 3)穿越水域风化槽地段施工注意 4个要点 对服务隧道帷幕注浆进行现场试验；主洞全断面帷幕注 浆(或从服务隧道侧 向对主洞进行注浆加固止水)；超前注浆小导管预支护；双侧壁导坑开挖开挖过程中 对局部渗漏水进行径向注浆或补充注浆 4)预防突水主要有 4个方法 检查岩体注浆质量；安装钻孔防突装置；钻孔快速注浆堵水和裂隙快速 维普资讯 http:/ 第 6期 郭衍敬等：海 底隧道 穿越 风化深槽施工方案 5 2 5 堵漏；浇注混凝土墙注浆防水，参考文献：1 曾超，张 建斌 厦门 翔安(海 底)隧道 t建工 程简 介 c 海 底 与水下 23、隧道 国际 学 术交 流 会北 京：北 京交 通 大学，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 t24、 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 郭小红 对厦门东通道 海底隧道 几个技术问题 的探 讨 C 海底 与水 下隧道 国际学术 交流 会，北京：北 京交通大学，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 c25、 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 黄俊，张顶立 水底隧道穿越风化槽技术及施工效应研究 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 s26、 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 崔玖江水底隧道与地下工程修建技术【M 北京：科学出版社，2 0 0 5，5 张顶立，李治国高压富水区隧道帷幕注浆止浆系统分析 J 岩土力学，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 r27、 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 王梦恕，地下工 程浅埋 暗挖技 术通论 M 合肥：安 徽教育 出版社。2 0 0 4，A Co ns t r u c t i28、 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 t29、 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 e30、 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 t31、 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 o33、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 维普资讯 http:/