海底隧道施工对我国而言是较为新型的领域, 施工安全风险极大, 稍有不慎, 将造成灾难性事故, 因此, 准确把握海底隧道 (特别是海域段) 前方工作面的地质、水文状况, 以便对特殊条件或异常环境提前采取施工措施, 保障现场施工安全, 杜绝坍塌及突泥涌水等恶劣地质灾害的发生, 超前地质预报是极其重要的工作。然而在超前预报的应用上目前可供借鉴的经验有限, 通过在海底隧道实践, 摸索出采用综合超前地质预报技术来提前掌握前方围岩状态, 收到了良好效果。
胶州湾隧道全长约7120m, 包括跨海隧道主体工程及两岸的部分接线工程。隧道部分设两条主隧道和一条服务隧道, 以及各项运营管理设施, 并预留市政管线敷设通道。隧道总长约6170m, 其中跨越海域段约3950m。
胶州湾是山东半岛东南沿海的一个深入内陆的半封闭海湾, 东西宽27.8km, 南北长33.3km, 岸线长210km, 平均水深7m左右, 最大水深65m。湾口朝向东南, 通过一条宽约3km、深30～40m的深水槽与黄海相通。胶州湾在新构造分区上属于胶南弱隆起的边缘部位, 地质构造复杂, 沧口断裂、劈石口断裂、王哥庄断裂、朝连岛南断裂、薛家岛北断裂为本工程近场区断裂。我单位 (主隧道一条3300m和服务隧道一条3250m) 施工区域主要集中于薛家岛北断裂, 呈北西向延伸, 倾向北东。
青岛胶州湾隧道存在多条断裂或断层破碎带, 穿越隧道轴线海域段主要断裂破碎带有:f2-1～f2-3、f3-1、f3-2、f4-1～f4-5, 共3组10条断裂, 以压扭性和张性断层 (裂) 为主, 带内岩体多呈碎裂～镶嵌碎裂结构, 裂隙多为微张型且发育, 破碎带影响带岩体受其影响发育微张型裂隙。覆盖层厚度约在24.6m～39.0m之间, 隧道通过海域段最大水深约42m。海域构造断层、破碎带 (多由辉绿岩、煌斑岩等易风化岩体引起) 及风化夹层发育地段具有发生突涌的水文地质条件。
通过地质超前预报, 了解前方围岩的实际水文、地质情况, 为施工组织管理、地质灾害防治提供参考依据, 以便及时采取必要措施, 指导现场在安全的前提下高效施工, 从而保证工期和质量, 提高经济效益。
超前地质预报已成为目前隧道施工一道必不可少的工序, 其在一定程度上对隧道施工的防灾减灾起到了极为重要的作用, 但同时也增加了隧道施工成本、制约了工程进度⑴。如何以最科学经济的方法起到最好的超前地质预报效果, 值得认真研究。针对青岛胶州湾海底隧道存在的断层 (裂) 破碎带、涌 (突) 水等不利地质条件, 为保证隧道施工顺利进行, 采用了超前地质预报方案, 按照“安全第一、预防为主”的原则制定, 即超前地质预报以地质分析为基础, 充分利用前期勘察资料、采用宏观预报、长距离预报与短距离精确预报相结合, 服务隧道超前主隧道掘进, 提供揭示地质情况, 物理探测与超前探孔相结合, 多种方法互相验证、相互补充, 定性与定量相结合的综合地质预报手段⑵, 见图1“综合超前地质预报示意图”。本项目已将超前地质预报纳入施工工序进行组织。
地质工作的首要任务是利用现有的区域地质资料及设计资料做深入分析、研究, 策划不同的预报手段及采用的部位。首先采用TSP203+对隧道掌子面前方进行宏观探测 (当掌子面暂时没有TSP实施的作业空间, 可选择短距离的地质雷达或瞬变电磁预报手段代替) , 再根据TSP的探测成果, 采用超前探孔 (长度大于30m) 对掌子面前方进行短距离预报, 并对预报结果进行比对, 更准确的把握了前方掌子面地质, 并对提高TSP预报的精度有一定的激励作用⑶, 根据两种预报成果的分析, 确定前方施工是否按原设计施工或采用强化加固甚至超前预注浆等手段, 保证施工安全, 如果上述探测手段已经确定是软弱地带或断层, 但尚不能确定对工程的影响范围或影响因素大小, 需要进一步探测前方围岩的岩性或围岩变化情况⑷, 可采用钻探、数字钻孔摄像和红外探水手段进一步直观揭示, 便于采取针对性的措施, 既可保证施工安全, 又可降低投资并缩短采用措施的时间, 推动工程快速施工。
隧道施工超前预报主要探测手段有TSP203+超前地质预报、超前探孔, 此外现场还采用多种物探手段, 地质雷达、瞬变电磁等、现场地质观察与分析等, 此外现场还采用多种物探手段⑸, 地质雷达、瞬变电磁、红外探水等。具体采用情况见表1“胶州湾隧道主隧道采用预报手段统计表”。
使用的仪器为瑞士安伯格测量技术有限公司在TSP203探测系统的基础上研制开发的新一代高科技、高水准的测量系统。实施方案如下:
(1) 隧道进洞50m左右便开展预报工作。
(2) 为了保证地质超前预报的准确性, 按隧道每掘进100～150m预报一次 (围岩较完整地段, 可每开挖150m就预报一次, 围岩破碎或地质较复杂地段, 可每开挖100m就预报一次) 。
(3) 采用TSP203探测系统预报时, 现场工作布置如下:
(1) 接收器钻孔布置方法:
接收器钻孔数量:2个, 隧道左、右壁各一个。
接收器钻孔直径:43～45mm/孔深2m。
接收器钻孔布置:沿轴径向, 向上倾斜5～10度;布置高度:离地面约1m;
布置位置:离掌子面大约55m位置。
(2) 爆破钻孔布置方法:
爆破钻孔数量:在隧道左或右壁面布置24个 (根据岩层走向确定在左或右) , 根据实际情况可以选择18～24个。
爆破钻孔直径:38mm (20～45mm) /孔深1.5m (最小0.8m.最大2.0m) 。
爆破钻孔布置:沿轴径向, 向下倾斜10～20度 (水封填炮泥) , 相对于隧道壁面倾斜10度;布置高度:离地面约1m;布置位置:第一个钻孔离接收器约20m, 其余炮眼间距1.5m (最远2m) 。
(4) 注意事项:
(1) 、软弱围岩地段, 打孔后容易塌孔, 需做好保孔工作, 如使用PVC管支护。
(2) 、爆炸孔尽量不在电缆线一侧。
(3) 、爆炸孔布在隧道的左右侧均可。
(4) 、炮孔角度必须控制准确, 以提高预报准确率。
超前探孔是对TSP203地质预报仪探测手段成果的确认和补充。超前钻孔能够最直接地揭示掌子面前方的地质特征, 准确率较高, 也是超前地质预报一种必不可少的手段。目前, 常采用的超前探孔是地质钻机或潜孔钻机超前探孔。地质钻机可取出芯样, 潜孔钻机则根据钻机钻进的速度变化及孔中排出的岩粉来判断前方地质情况, 虽然不如地质钻孔直观明了, 但投入成本相对较低。一般在掌子面钻1～3个孔, 探孔直径φ90, 孔深大于30m, 两循环搭接长度不小于8m, 在地质情况有变化的地方适当增加钻孔数量。
前期超前探孔采用河北宣化HTYM-808履带式液压多功能钻机进行试探, 效果较差, 主要表现为速度缓慢、故障率高。后期对开挖用的火箭式RB353E三臂液压凿岩台车进行了挖潜改造, 能够进行超前探孔, 并良好的完成了超前探孔任务。钻进过程中记录好钻孔的时间、速度、压力、卡钻、跳钻和岩性、地下水情况, 可以根据钻进速度、流出的浆液颜色、是否卡钻及其他指标确定探孔前方围岩岩体强度软硬, 节理裂隙发育状况较准确, 同时可以检测出水部位及出水量大小, 为后续施工方案的制定, 提供依据, 确保施工安全。
施工中将超前探孔作业作为工序进行组织, 实践证明, 采用三臂液压凿岩台车进行30～47m长的钻进作业, 平均时间5小时, 与履带式液压钻机 (每次探孔/15小时) 相比效率提高3～5倍, 服务隧道作业共计350小时 (约15天) , 大幅提高了施工效率。本项目共施工探孔65次、每次3孔, 累计205个、总长6996.5m (其中有效长度5356.5m, 每次搭接8m, 搭接率23%) , 探孔最大出水量为156L/min。超前地质探孔 (探测深度≥30m) 作为本工程的主要地质探测手段被全面采用, 有效的防止和消除了由于突涌海水带来的施工风险与地质灾害。
地质雷达属于短距离预报, 对前方掌子面含水、断裂结构面等异常有一定效果, 可用在TSP暂时无法实施的作业面 (距离短, TSP无法布孔) 。
瞬变电磁采用山东大学与国土资源部物化探研究所联合研制的IGGETEM-30A瞬变电磁仪, 探测长度20m, 能判断岩体风化程度及断层、节理裂隙发育程度, 并能判断是否有水, 并给予施工建议 (加强各种防范措施) , 此种探测方法精度较高, 但探测距离较短。
根据物探预报成果分析, 在断层破碎带等需要围岩性质条件更多信息地段设置地质取芯钻孔。一般地段设置1个钻孔, 复杂地段如断层破碎带及其影响带、岩性复杂、接触面破碎且不规则及富水地段, 可钻2～3孔, 孔深30～60m, 搭接长度不小于6m。通过钻进速度测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯鉴定和必要的岩芯试件强度试验来确定掌子面前方岩层的展布、地层岩石的软硬程度、岩体完整性及可能存在的断层、空洞的分布, 同时应对成果进行整理 (钻孔柱状图、编写钻探报告) , 提出围岩完整性评价, 此方法虽准确, 但由于钻孔时间较长, 费用高, 一般在TSP及地质雷达或红外探水等探测手段, 发现前方有重大地质异常的情况下才有。
采用HY-303型防爆红外探测仪进行探测, 由掌子面向掘进后方按左边墙底部、左拱肩、拱顶、右拱肩及右边墙底部的顺序测试, 探水桩号YK6+155～YK6+165, 结果表明在YK6+155前方, 靠近右拱肩至拱顶区域岩体可能有含水构造存在, 实际开挖掘进到此附近确实有水存在。
通过综合地质预报实际揭示地质情况对比发现, 本合同段右线隧道实际围岩与设计围岩相比, Ⅱ级不变, Ⅳ级增加32.61%, Ⅲ级减少12.54%, Ⅴ级减少20.07%。
5.1 经过各种手段探测, 隧道确实存在9条断层破碎带, 未发现其他断层, 并确定了断层的准确位置与设计基本吻合, 对隧道施工有一定的影响, 通过技术措施确保了施工安全。
5.2 围岩情况根据环境差别较大, 陆域段主要为花岗岩, 强度一般较高, 海域段主要为凝灰岩, 强度相对稍低, 节理、裂隙发育程度与距断层或结构面的远近有关, 通过探测发现了出水部位并测定了出水量。
5.3 通过全面探测, 隧道位置不存在火山口。
5.4 通过TSP及超前探孔, 基本探明了结构面的所处部位及延伸情况, 提前得到了了解, 采用了适当的施工支护措施, 保证了施工安全。
通过超前预报工作组的工作, 已经比较全面的掌握了胶州湾隧道本合同段内服务隧道的地质情况, 并对主隧道提供了地质参考与借鉴。
青岛胶州湾隧道通过采用综合超前地质预报技术, 既经济又科学地进行了超前地质预报, 并成功化解了几次隧道出水。从预报的效果来看, 准确度比较高。通过隧道的综合超前地质预报, 从中得出以下几点体会:
通过以上超前预报手段的综合运用, 能够较为准确的对地质情况进行判断。
要明确预报的目的, 是预报前方的地质灾害还是预报前方的地质结构, 根据不同的目的采用不同的预报手段。
对地质复杂地段, 先进的物探技术固然必不可少, 但超前超深探孔的验证却更为重要。
摘要：本篇文章通过综合超前地质预报在青岛胶州湾隧道的应用过程及取得的成功经验, 总结出较为实用的流程及相关细节, 为超前预报在今后类似海底隧道及其它隧道的应用提供参考。
关键词：综合超前地质预报技术,青岛胶州湾海底隧道应用
[1] 王洪勇综合超前地质预报在圆梁山隧道中的应用现代隧道技术, 2004
[2] 赵永贵等隧道地质超前预报进展地球物理学报2003
[3] 钟宏伟等我国隧道工程超前预报技术现状分析人民长江, 2004
[4] 李勇等隧道施工地质超前预报方法地质与资源, 2004
[5] 吴江滨超前地质预报在隧道工程中的应用工程地质学报, 2003
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