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 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 总结,为相类似工程提供 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％度地震设防，地质条件：围 岩等级U〜W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

,进行

,因其风险大 ,标准高 ,断

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— 18.111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—20

98 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，W〜V级;优点:充分利用大片操场向

铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY201Tf9 』 ?

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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 , 1 80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 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 ,经沉淀后排海 .缆沟盖板等.见图 4.

100 铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2011I9l

,直至主隧

?

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(l>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 .

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 . ⑵TSP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60%;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15〜20仃I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 .

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》30m,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 RAILWAYC0NSTRUCTI0NTECHN0L0GY 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 .

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 .

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n ,m级围岩为锚杆加喷射砼支护；iv, 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：n ,川级围岩 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w 1.0m/循环； 采用风打眼 ,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.W,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 x 3m（宽x高）;生产能力:10〜33ITI/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 .

椀渀最䰀椀唀开䠀䬀匀䌀匀 䜀 䴀椀挀爀漀猀漀昀琀 夀愀䠀攀椀 䀀 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 .

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 0.6:1〜1:11:1〜1:0.330〜35Be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

∀Ѐ耈 栀

ᨀ탐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

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) — 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 .

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 .

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 .

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 .

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7151 n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