采用钻爆法修建海底隧道施工技术隧道开挖技术?采用钻爆法修建海底隧道胞工技市董贤顺(中国铁建十六局集团第四工程有限公司北京101400)摘要青岛胶州湾隧道是我国自建的第二条大型海底隧道,因其风险大,标准高,断面大,地质条件差,工艺复杂,受到国内外广泛关注.笔者根据钻爆法修建胶州湾海底隧道的施工实践,进行总结,为相类似工程提供参考.关键词海底隧道钻爆法施工技术中图分类号U453.213文献标识码B文章编号1009—4539(2011)09—0098—06 1引言修建海底隧道,选择合理的施工方法非常重要.海水压力大,隧道断面大,纵坡呈V形;由于海底隧道的特殊环境,地质资料等不确切因素较多,在开挖断层破碎带时极易发生突涌水事故;且海水补给无限量,不易抢险及修复,其地质灾害具有不可遇见性,突发性,严重性.另外,在城区选择施工入口条件非常复杂,因此施工方法必须稳妥可靠,万无一失.2工程概况青岛胶州湾隧道设计为双向六车道,线路全长萋阿7.8km(其中海域段长3.95km),主隧道中线问距55m,主隧道之间设服务隧道(全长6km).主隧道标准断面为椭圆形及马蹄形(开挖断面:宽16.3111,高l3m),纵坡4%一0.3%,最小曲线半径1000IIl,行车速度80km/h.按Ⅶ度地震设防,地质条件:围岩等级Ⅱ～Ⅳ级,局部V级.覆盖层厚度:30m(局部25m),纵坡走向大致平行海底轮廓线,水深42m.标准横断面见图1.我局承建的第一施工合同段左线主隧道长2845m,服务隧道长2750m,匝道142m.工程投资5.908亿元.开竣工日期:2008.9～2010.12,总工期27个月.左线隧道I』.服务隧道右线隧道图1胶州湾海底隧道横断面其施工的重难点部位是:(1)海域段主隧道开挖断面宽16.3m,高13m,长2160m,水深42m,覆盖层30m,8处断层破碎带;(2)陆域段主隧道与匝道结合处开挖断面宽18.6～28.20m,高13.2—18.64111,长212m,断面逐渐增大,呈喇叭口状,覆盖层20一,15nl_,2处断层破碎带,地质为杂填土,砂砾石,风化,断层破碎岩组成,结构上部有各种地下管线及5—7层楼房共13栋.见图2.收稿日期:2011—06—2098铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEcHNOLOGY2011l9)隧道开挖技术?图2第一合同段施工平面3施工原理海底隧道与山岭隧道相比,存在不同的施工条件(见表1).表1山岭隧道一海底隧道施工条件对比序号对比项目山岭隧道海底隧道能较有效地控制,其灾害的严重性相对要1风险程度不可预见因素多,灾害具有突发性,严重性,并且雄以补救低,较容易补救较容易勘测,准确率相对较高,一般施工中2地质变化较难勘测,准确率相对较低,海底地质变化频繁地质变化不大3海水腐蚀不存在海水腐蚀海水,海风对各种原材料,建筑结构,机械设备,仪器仪表腐蚀较大海域段爆破震动过大,围岩裂隙增大,会造成渗水;陆域段爆破作业容4爆破影响对结构无影响,极少扰民易引起建筑物开裂,扰民5复杂程度按常规施工,复杂程度一般开挖,支护,防排水,耐腐蚀,耐久性砼等工艺复杂,质量要求高需要配备通风,通讯,抽水,高压注浆设备及地质钻机,高功率空压机,6资源配备按常规配备机械喷锚手,三臂凿岩台车等大型设备按照新奥法原理,在山岭隧道施工方法的基础上,修改,增补海底隧道施工内容,使其施工方法适应于海底隧道,在实践中不断改进,完善,探索出较规范的海底隧道施工方法.以下以第一施工合同段为例加以叙述.4施工方案4.1进洞主通道施工作业面的选择该合同段工程地处八大峡社区及海军营区,房屋及各种管线密集,场地狭窄,通过现场调查,提出如下方案.4.1.1斜井方案洞口位置:ZK3+536以东68m,斜井长510m,宽6.2m,高6.51TI,纵坡12%,地质花岗岩,强～弱风化之间;优点:能快速进入海域作业面;缺点:斜井下穿军营及家属房密集区,覆盖层最小3～8in,爆破扰民严重;因斜井不能综合利用,增加工程费用较高,后期回填工程量大.4.1.2服务隧道(西陵峡路)兼作施工通道方案洞口位置:西陵峡路西侧(ZK3+000以东160m),结构长(距主隧道)650nl,宽6.9in,高7.0irl,纵坡9%,地质:沿海杂填土,深8～13m,透水性强;路面以下管线密布,附近居民密集;采用护壁桩支护及帷幕注浆止水等方法施工;优点:交通较便利;缺点:地质差,工艺复杂,费用高,工期长,扰民严重.4.1.3服务隧道(军营内)兼作施工通道方案洞口位置:军营操场南侧海边荒地(ZK3+490以东49m),结构长(距主隧道)590m,宽6.9ITI,高7.0m,纵坡9%,地质:杂填土深5—6m,其余为强风化花岗岩,Ⅳ～V级;优点:充分利用大片操场向铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY201Tf9』隧道开挖技术?海底顺坡,不扰民,费用相对较低;缺点:地质较差,砌较复杂.工期较长,180度曲线,半径小,通风,交通困难,衬4.1.4多种方案比较(见表2) 表2第一施工合同段进洞主通道方案对比选择方案对比项目工期费用扰民工艺通风交通可操作性方案一:斜井方案较短较高严重简单较好较便利一般方案二:服务隧道(西陵峡路)较长较高严重复杂一般较便利不强方案三:服务隧道(军营内)较长较低较轻较复杂较差不便利强通过方案比较可知:方案一有较多的优点,但投入费用较高,扰民严重;方案二优点较少;方案三费用相对较低,扰民较轻,可操作性强,但不利因素较多.通过进一步的研究:认为方案三的补救措施有:(1)通过第二施工合同段斜井提前进入服务隧道海域开创第二作业面,解决工期问题;(2)设置通风竖井解决通风问题;(3)通过适当加宽隧道断面解决交通问题;于是决定采用方案三.4.2主隧道施工作业面的安排根据施工顺序,工期要求,资源合理配备等原则,设置3个施工单元,6个施工作业面,其上场顺序及任务划分如下.(1)第一施工单元:服务隧道900m;主隧道1095m;(2)第二施工单元:主隧道975m(包括大断面);匝道145m;(3)第三施工单元:服务隧道1750m,主隧道775ITI.交通线路见图3.图3第一合同段施工作业面布置示意4.v,风排烟方案～…5施工步骤分别在ZK3+385,ZK3+310主隧道与服务隧～一…'道之间设置1号,2号通风竖井,竖井直径5.0m,竖5.1全断面开挖法井底部设横洞分别与主隧道,服务隧道连通;井壁超前地质预报;开挖支护;浇注地面砼垫层,为采用钢格栅喷射砼支护,小导管及帷幕注浆止水施主隧道提供施工通道,直至主隧道仰拱填充完毕;工.通过风量计算,前期通过服务隧道口设置2台中隔板以下防水,钢筋,砼;底板回填,地沟盖板;拱轴流式通风机压入式通风,后期通过竖井设置轴流圈防水,砼.式通风机压入式通风,竖井位置见图2,图3.5.2上下台阶开挖法4.4制定排水方案超前地质预报;上弧开挖支护;下台阶左侧开1号通风井兼作排水通道,在l号通风井及服挖支护;下台阶右侧开挖支护(左右交替进行);仰务隧道洞口附近设置沉淀池,在洞内每500nl设置拱防水,钢筋,砼;仰拱左侧充填;仰拱右侧充填(左积水坑;集水坑容量8～10m.,设置泵站接力将洞右交替进行);矮边墙;拱圈防水,钢筋,砼;水沟,电内积水抽入沉淀池,经沉淀后排人大海.缆沟盖板等.见图4.100铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2011I9l隧道开挖技术?图4主隧道施工程序示意6技术要点6.1超前地质预报采取综合超前地质预报的方法.即服务隧道超前,TSP长距离探测(100～150m),长探孔(I>30m),短探孔(≥10ITI),以及地质素描,地质雷达,瞬变电磁,红外探水,陆地声纳等.根据具体情况,将其中几种方法结合起来,互相补充,互相验证,达到稳妥可靠,万无一失的目的.其主要做法如下.(1)地质素描.通过对掌子面的地质状况进行描述,记录,分析,判断预报掌子面前方地质状况.(2)TSP长距离探测.采用瑞士产TSP200超前地质预报仪.该仪器利用接收地震反射波原理,通过TSPWin软件处理,达到解析前方地质构造的目的,探,狈4距离100～150m,准确率6o%;具体操作是在掌子面50～60m范围内靠边墙一侧布置~4onlln炮眼24个(深1.5m,间距1.2一1.5m,下倾角15.);再距l5～201TI布置1个65onlm接收孔(深2.0m,下倾角15.);在炮孔内装上适量炸药,瞬发电雷管,利用接收器装置逐个起爆,接收信号,然后收集信号,进行解译.(3)超前地质钻孔.主隧道水平超前钻孔每断面3～5孑L,探孔长度≥3Om,搭接8m;服务隧道每断面2—3孑L,探孔长度>130m,搭接51"13;为了提高工作效率,采用意大利c6多功能地质钻机或瑞典阿特拉斯三臂凿岩台车实施.通过钻孔速度,冲击声音,变化频率,回水颜色,渗水量,水压等分析前方地质情况,重点探明前方断层破碎带,裂隙水情铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY 况;当渗水量大于5—15L/min,且24h观察没有明显减少时,应进行帷幕注浆.(4)瞬变电磁预报法.瞬变电磁预报法是一种时间域电磁法;利用阶跃波形电磁脉冲激发,不接地回线向隧道掌子面前方发射1次场,在1次场断电后,测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化,来达到寻找各种地质目标的地球物理勘探方法.是探测地下水的主要方法.(5)超前地质预报实行"三结合"和风险靶段划分原则,即"地质与物探,钻探结合;洞内外结合;长短距离及不同物探方法结合".在对隧道风险分级的基础上,采用相对应的综合预报方案.实践证明:TSP,地质雷达对断层,破碎带有较好的预报效果;瞬变电磁,地质雷达是预报含水体的有效手段;超前钻孔是探测前方地下水最直观,最可靠的方法.6.2开挖支护本工程Ⅱ,Ⅲ级围岩为锚杆加喷射砼支护;1V,V级围岩为锚杆加钢格栅喷射砼支护(V级围岩设超前大管棚注浆).开挖之后支护必须紧跟.6.2.1开挖主隧道一律采用台阶法,避免不同级别围岩,不同工艺操作的频繁转换,有利于减少爆破对围岩的震动裂隙.上台阶开挖进尺:Ⅱ,Ⅲ级围岩3.0m/循环;IV级围岩2.0m/循环;V级围岩1.0m/循环;遇下穿民房地段一律≤1.0m/循环;采用风枪打眼,微震光面爆破技术;被保护建筑物地震波控制在2.0cm/s之内.采用两台装载机配2o11(9)101隧道开挖技术?合翻斗车出渣,挖掘机配合排险及掌子面清理.下台阶开挖进尺3.0m/循环.6.2.2施作锚杆设计为22多重防腐锚杆,长度根据围岩级别分别为3.0m,3.5m,4.0m;采用三臂凿岩台车钻孔,人工安装,锚杆注浆机注浆.Ⅳ,V级围岩地段及时安装钢格栅.6.2.3喷射砼设计为C35,s8抗海水侵蚀高性能防渗喷射混凝土;操作工艺:采用自动计量拌和站,强制式拌和机拌和,搅拌输送罐车运输,湿喷机喷射.混凝土坍落度:拌和机出料口18±2cm,湿喷机进料口12 ～15em.工作风压:边墙0.3～0.5MPa;拱部0.4～0.6MPa,采用喷枪喷水养护.要求喷射混凝土密实,饱满,表面平顺,各项试验指标合格.不允许出现空洞,漏筋,脱皮,表面坑洼不平等不良现象.湿喷混凝土设备:施工前期及喷射混凝土数量小的地段,采用一台或多台TK500型湿喷机进行作业,生产能力:5m/h(每台).为减轻劳动强度,提高产量,降低安全风险,主隧道采用PM50一CPC喷射机械手进行喷射作业,主要参数如下:喷射最大高度:11in;喷射最大宽度:16.6In;最小工作隧道:5in×3m(宽x高);生产能力:l0～33ITI/h;输送方式:非转子式和非转子活塞式.6.3帷幕注浆设计为:主隧道海域段过断层破碎带为全断面帷幕注浆,加固范围为隧道开挖轮廓线外51"il,每循环注浆段长30In,注浆作业面距突水点5～10m,开挖时预留10m作为下一循环止浆岩盘,每循环共设置注浆孔105个,终孔孔间距约3～3.5m,括散半径按2.0m;服务隧道海域段过断层破碎带加固范围为隧道开挖轮廓线外3m,每循环共设置注浆孔55～70个,其它参照主隧道.6.3.1帷幕注浆参数的确定(1)注浆压力.根据地质报告,裂隙岩体地层注浆设计压力一般比静水压力大0.5～1.5MPa;当静水压力较大时,为静水压力的2～3倍.在海域段注浆终压为3.0～4.5MPa.海底隧道封堵涌水时的注浆终压可根据公式P=(2—4)MPa+P0(其中P0为涌水压力)并结合工程经验确定.另外,注浆泵的压力应达到设计压力的1.3一1.5倍.现场根据实际情况,进行调整.(2)注浆材料.根据室内试验结果及本工程特点,选择普通水泥单液浆,普通水泥一水玻璃双液浆,超细水泥浆单液浆,特制硫铝酸盐水泥浆单液浆等作为注浆材料.见表3.表3注浆材料及配合比选用配比参数序号名称适用条件水灰比:c体积比c:S水玻璃浓度1普通水泥单液浆0.6:1～1:1一般软弱破碎地段,断层影响带2水泥一水玻璃双液浆0.6:1～1:11:l～1:0.330～35Be断层破碎带,水量较大,压力不长时间上升时3超细水泥单液浆0.8:1～1.2:1海域强风化破碎段,裂隙较小段4特制硫铝酸盐水泥单液浆0.8:l～1.2:1海域断层破碎带,水量较大,压力较高,堵水要求较高段6.3.2帷幕注浆施工(1)钻孔.为防止承压水和受压浆液从工作面漏出,保证能用最大的注浆压力把浆液注入含水层的裂隙中,使之沿裂隙有效地扩散,钻孔前先施作厚60cm的C25钢筋混凝土止浆墙,还要对止浆墙体附近一定范围内的隧道围岩进行加固.采用瑞典阿特拉斯三臂凿岩台车按照设计及钻机所在位置,计算出各钻孔在工作面上的坐标,划出注浆孔的准确位置,钻机安装平整稳固,在钻孔过程中检查校正钻杆方102向.孔底偏差应不大于孔深的1/40,注浆检查孔的孔底偏差不应大于孔深的1/80,其它各类孔底偏差应小于1/60.钻孑L2m深以后安装孔口管,孔口管是一端焊有法兰盘的钢管,长度根据需要确定,一般为2m.孔口管的作用:测量钻孔出水压力及涌水量;安装注浆栓塞;出现孔口涌水时及时关闭.(2)注浆.采用ZJB(BP)一30A高压注浆泵,(额定工作压30MPa,流量0—110L/rain,额定功率(55kW),采用分段前进式注浆,分段长度:5一一7nl.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2011I9)隧道开挖技术?注浆速度为5～110L/min.具体经计算及现场试验后确定.注浆顺序:先外圈后里圈,先上后下,间隔跳孔,后序孔兼做检查孔.注浆结束标准如下.①单孔注浆结束标准(定量定压相结合).a.定量标准:当注浆量达到单孔设计注浆量的1.5～2倍,压力仍然不上升,可采取双液注浆等措施结束该孔注浆.b.定压标准:注浆过程中,压力逐渐上升,流量逐渐下降,当注浆压力达到设计标准,即可结束该孔注浆.②全段结束标准.a.设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准,无漏注现象.b.按总注浆孔的5%～10%设计检查孔,检查孔满足设计要求.6.4施工期间的防排水措施在施工中,隧道内产生大量的积水,水源来自于施工用水,围岩渗漏水,地面雨水,断层破碎带涌水.本工程施工对地下水进行了具体的防范.(1)隧道内每隔500in设置集水坑,两侧设置排水沟,将水汇集到集水坑内,然后将集水抽排至洞外沉淀池,经沉淀过滤后排人大海.在每个集水坑安装两台抽水机,一台工作,一台备用.抽水机安装自动控制抽水装置,并设置双路电源备用,保证抽水设备正常工作.遇到大量的地下水时,利用供水管路作为第二条排水管,快速形成两套排水系统同时排水.施工中提前做好两路管线的连接系统.(2)设置防水闸门.当前方掌子面出现突泥突水时,施工人员撤出后可以关闭突水洞室,为逃生争取时间.防水闸门设在可能出现突发涌水的断层破碎带及其他不良地质地段开挖前,具体位置根据超前地质预报和超前探孔验证,确定有突水危险时设置, 防水闸门选择地质条件较好的地段修建.一般距突水断层起点40m左右;防水闸门在隧道施工通过危险地段后拆除修理,准备在下一不良地段中施工. (3)建立防灾报警指挥系统,根据涌水量大小划分防灾等级,做到指挥有序,操作到位,避免产生恐慌现象.设置洞内远程监控,开通洞内手机通信信号,随时进行洞内外联系,保证施工生产,防灾救灾正常进行.(4)对全体施工人员进行防灾救灾培训.施工现场配备救生衣,救生圈,洞内通信器材,报警装置,应急电源,应急照明灯,工字钢,钢管,方木,抽水机,铅丝,铲,镐,双轮车,编织袋,安全绳,安全帽,医疗救护等抢救设备.设置灾情预案,制定对应措施,定期进行预演,确保施工安全.7结束语在施工过程中,由于采用了以上技术和措施,施工得以顺利进行,主体工程按期完工,确保了安全与质量.实践证明:采用钻爆法修建海底隧道具有成本低,断面变化灵活,不受场地,环境,设备等条件制约的特点;尤其是可操作性强,适合我国国情,是沉管法,盾构法,TMB法不能比拟的,是近年来我国修建海底隧道所采取的主要方法.对于软弱地质,渗透性较大等复杂地质的施工方法,有待于进一步研究,探讨.(上接第91页)更换为SLF30+10%SLFP1型泡沫剂,同时加入了Rheosoil143发泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫剂,按照一定比例调配,采取了多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良的措施,在这几种措施的综合作用下,掌子面土体的流塑性得到了有效改善,土压平衡得以真正建立,刀盘的扭矩也由以前的250bar降至140bar,并且排土顺畅,效果明显.4.4建立自动化监测系统在繁的铁路线上进行人工监控量测存在以下问题:①线路上来往机车频繁,监测人员安全很难完全保证.②监测效率低,盾构下穿铁路属特技风险源,施工工程中需要随时掌握地面沉降情况,以便及铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY 时调整盾构参数,在715In的铁路线上监测势必不能满足施工要求.③人工消耗大.考虑到以上问题决定采用先进的全自动监测系统来完成监控量测任务.通过自动化监测系统为盾构信息化施工提供了保障.5结束语北京地铁十号线作为国家重点工程,工期紧,难度大,针对该地层对刀具的撞击,磨损相当大等难题,从盾构机,刀盘刀具等选型上人手,施工中采取超前,同步,二次注浆和径向补偿注浆措施,合理利用地质改良添加剂及半土压一半气压的掘进技术,提高掘进效率.这在国内地铁施工中尚属首例,为近距离穿越高等级既有线路提供了参考. 2017f9J】03。