青島膠州灣海底隧道突涌水風(fēng)險控制措施

袁守剛，李京敏，王 路

青島國信置業(yè)有限公司，山東 青島 266500

0 引言

從20世紀(jì)開始，日本、挪威、丹麥等國家修建了許多跨越海峽的海底隧道。海底斷層、風(fēng)化槽、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造可能與海水聯(lián)通，隧道一旦開挖使其形成通道，海水就成為突水的水源，容易引發(fā)突涌水事故。假若海底隧道發(fā)生突水施工，其施救環(huán)境和施救難度大，一旦發(fā)生，可能就是災(zāi)難性的后果。在海底隧道的施工工程中，對突水風(fēng)險的預(yù)測以及防治顯得尤為重要。預(yù)防突水，規(guī)避風(fēng)險，安全施工，使得隧道早日貫通，早日服務(wù)于青島人民。

1 工程概況

青島膠州灣海底隧道工程是連接青島主城與輔城的重要通道，是中國大陸在建的第二條海底隧道。隧道全長7800m，青島接線隧道長1630m，膠州灣隧道長6170m，其中海域段長3950m。

膠州灣海底隧道所處膠州灣灣口最大水深42m，據(jù)地質(zhì)報告提供，海底大部分無覆蓋層，地形起伏較大，隧址無大斷裂構(gòu)造，以壓扭性為主，其寬度在數(shù)米到數(shù)十米不等，部分?jǐn)嗔丫哂袕埿裕瑪鄬觾蓚?cè)有數(shù)米寬的影響帶。膠州灣海底隧道采用鉆爆法進(jìn)行施工。

2 膠州灣海底隧道突涌水分析

隧道突涌水是由于隧道的掘進(jìn)破壞了含水層結(jié)構(gòu)，使水動力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生急劇改變，以致地下水體所儲存的能量以流體（有時有固體物質(zhì)伴隨）高速運(yùn)移形式瞬間釋放而產(chǎn)生的一種動力破壞現(xiàn)象。對于穿越風(fēng)化深槽和破碎帶等不良地質(zhì)地段的海底隧道而言，其上是高水壓和無限的海水。隧道在海域穿越軟弱破碎帶、斷層/斷裂帶地段、富水層等不良地質(zhì)時，由于地下水具有一定的承壓性，開挖擾動后，極易發(fā)生突水、涌泥的現(xiàn)象，威脅施工的安全。突水涌泥事故的發(fā)生是由爆破震動、揭露地質(zhì)構(gòu)造、開挖方法不當(dāng)、初期支護(hù)不及時等造成的。由于水壓力較高，水源補(bǔ)給無限，且施工中不具有自然坡排水的條件，一旦發(fā)生大的突水、涌泥，就可能引起嚴(yán)重的后果。

膠州灣海底隧道通過區(qū)的構(gòu)造主要是高角度的斷層，斷層內(nèi)多為壓碎石、角礫碎石，是地下水徑流的通道。此外，斷層附近因巖體破碎，風(fēng)化也相對嚴(yán)重，部分地段弱風(fēng)化巖層底面在海底20m以下，已進(jìn)入隧道內(nèi)部，巖體自穩(wěn)能力差，極易產(chǎn)生大量突水涌泥。

3 海底隧道突涌水預(yù)防措施

3.1 超前探孔

海域段施工超前探孔是唯一的最直觀的了解前方圍巖和地下水情況的鉆探手段，應(yīng)充分利用其得到有效信息。在海域段全程設(shè)置系統(tǒng)超前探孔，不良地質(zhì)地段探孔數(shù)目相應(yīng)增多，以便準(zhǔn)確探明地下水量、范圍和圍巖情況。鉆孔應(yīng)有一定的深度。鉆機(jī)過程中應(yīng)記錄鉆孔的時間、速度、壓力、卡鉆、跳鉆和巖性、地下水情況，判斷前方圍巖的地質(zhì)情況。同時根據(jù)物探預(yù)報成果并結(jié)合地質(zhì)詳勘資料和掌子面附近的地質(zhì)情況綜合分析，在斷層破碎帶等需要圍巖性質(zhì)條件更多信息地段設(shè)置地質(zhì)取芯鉆孔。海域地段主線隧道和服務(wù)隧道開挖前必須施作超前探孔，一般地段至少鉆3個孔，分別在左拱肩、拱頂及右拱肩上處，特殊地段依節(jié)理裂隙發(fā)育程度加密。探孔直徑φ90，孔深約30m，兩循環(huán)搭接長度不小于8m，服務(wù)隧道不小于6m。

Ⅲ標(biāo)及Ⅳ標(biāo)均采用Atlas 353E施作超前探孔，探孔一般在30m～40m之間，鉆桿直徑89mm，兩循環(huán)搭接不小于8m。部分地段采用地質(zhì)鉆機(jī)取芯。

除了系統(tǒng)探孔，還應(yīng)該在每炮之前利用炮眼作為短探孔，探孔長短結(jié)合，確保安全。通過這些措施，有效地對前方的圍巖情況進(jìn)行判斷，從而決定后續(xù)的施工方案。

青島膠州灣海底隧道是三孔隧道，中間服務(wù)隧道超前開挖，也起到判明地質(zhì)情況的作用。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報

在隧道施工中，為了進(jìn)一步查明前期沒有探明的、隱伏的重大地質(zhì)問題，降低隧道施工地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率，提供隧道動態(tài)設(shè)計和信息化施工的基礎(chǔ)資料等目的，采用了超前地質(zhì)預(yù)報的手段，進(jìn)而指導(dǎo)隧道施工的順利進(jìn)行。

超前地質(zhì)預(yù)報由有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行。主要方式有地質(zhì)素描法、TSP、地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水等。其中TSP作為主要的超前地質(zhì)預(yù)報方式。膠州灣海底隧道由山東大學(xué)超前地質(zhì)預(yù)報課題組采用TSP203 plus進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報結(jié)果和開挖揭示情況不斷對比修正，提高了超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確率。另外多種手段綜合運(yùn)用，也降低了海底隧道的施工風(fēng)險。

3.3 超前預(yù)注漿

隧道結(jié)構(gòu)防水等級為一級，遵循“以堵為主，限量排放，剛?cè)峤Y(jié)合，多道防線，因地制宜，綜合治理”的原則。海底隧道對防水要求很高，膠州灣海底隧道規(guī)定當(dāng)超前探水孔單孔出水量大于5L/min，或每循環(huán)所有超前探孔總出水量大于10L/min時需要對圍巖進(jìn)行超前預(yù)注漿。隧道圍巖注漿后的改良目標(biāo)值為滲透系數(shù)小于1.5×10-5cm/s，檢查孔的涌水量在0.15L/min·m以下。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果判定、圍巖級別超前探水孔單孔出水量、探水孔水壓等分別采用全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿和局部注漿三種方案。

注漿主要根據(jù)探孔以及前方圍巖條件來確定，分為全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿和局部注漿三種形式。截止目前，四個標(biāo)段都完成了數(shù)次注漿，從注漿完成之后檢查孔的出水量以及開挖之后揭示的巖層以來看，注漿達(dá)到了設(shè)計的要求。

膠州灣海底隧道前期通過對超細(xì)水泥、普通水泥、硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行對比，最終選用超細(xì)水泥進(jìn)行預(yù)注漿。Ⅳ標(biāo)采用三臂鑿巖臺車阿特拉斯353E鉆設(shè)注漿孔，鉆桿直徑89mm，孔口采用孔口管，并安裝防突裝置。

帷幕注漿止水加固厚度應(yīng)滿足注漿堵水和施工安全要求。過斷層破碎帶施工時，主隧道加固區(qū)范圍為5m，每循環(huán)注漿段長30m，開挖22m，預(yù)留8m為下一循環(huán)止?jié){巖盤；服務(wù)隧道加固區(qū)范圍為3m，每循環(huán)注漿段長度為20m，開挖14m，預(yù)留6m為下一循環(huán)止?jié){巖盤。注漿方案根據(jù)交固圈理論進(jìn)行設(shè)計，孔底間距不大于3.5m。注漿終止壓力宜在3MPa～4MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)分為單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)好全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

1）單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿以定量定壓相結(jié)合。

定量標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)注漿量達(dá)到單孔設(shè)計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可采取雙液注漿等措施縮短凝膠時間，使壓力達(dá)到設(shè)計終壓，結(jié)束該孔注漿；

定壓標(biāo)準(zhǔn)：各孔段達(dá)到設(shè)計終壓后，若進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4或注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量的80%，或注漿泵吐出速度小于20L/min并持續(xù)5min～10min，即可結(jié)束注漿。

2）全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計的所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏注現(xiàn)象；

（2）按總注漿孔的5%～10%設(shè)計檢查孔，檢查孔滿足設(shè)計要求。

經(jīng)過四個標(biāo)段多次注漿后開挖揭示，效果均比較好，證明了注漿方案的有效性。2009.5.19召開的 “青島膠州灣隧道工程穿越不良地質(zhì)注漿堵水加固技術(shù)研討會”，肯定了青島膠州灣隧道工程依據(jù)科研、試驗(yàn)成果及設(shè)計文件，采用的不良地質(zhì)注漿堵水加固方案，順利通過了八個注漿段，實(shí)踐證明所確定的方案、制定的控制標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)是安全可行、經(jīng)濟(jì)合理的，堵水效果達(dá)到了設(shè)計要求。

3.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測

海底隧道工程對施工安全性的要求遠(yuǎn)高于陸地隧道工程。必須進(jìn)行監(jiān)控量測與信息化施工，它是保證隧道安全的有效手段。

在海底隧道開挖過程中，通過監(jiān)控量測和分析施工過程中的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，對及時調(diào)整支護(hù)措施和施工方案有著極其重要的指導(dǎo)作用。對于已完成開挖支護(hù)的地段，通過監(jiān)測水量變化、水壓變化、應(yīng)力變化，必要時進(jìn)行水力連通試驗(yàn)，可了解安全狀態(tài)。對隧道進(jìn)行永久性的水壓力和支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測，可保證隧道的安全運(yùn)營需求，防患事故發(fā)生，并且對類似工程的設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，本項(xiàng)目管理方式采用三級管理制；既現(xiàn)場測試復(fù)核、技術(shù)負(fù)責(zé)人校核、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人審核三級管理制。投入了全站儀1臺、自動安平水準(zhǔn)儀3臺、水位計1臺、收斂計1臺、頻率計2臺等。設(shè)備、組織管理和專業(yè)技術(shù)人員保證了監(jiān)控量測的可靠性。

3.5 隧道開挖方法

膠州灣海底隧道雙向六車道，隧道開挖斷面跨度達(dá)到16m，開挖面積170m2左右，隧道除團(tuán)島端服務(wù)隧道洞口和黃島端洞口采用明挖法外，其余均采用鉆爆法施工。

破碎帶的施工要嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的方針進(jìn)行。

開挖將直接影響到含水圍巖的穩(wěn)定性，造成突涌水。一般情況下，在微弱風(fēng)化層覆蓋較厚，巖體較完整，且所處地質(zhì)條件較好的地質(zhì)地段，宜采用全斷面或者上下臺階法開挖。當(dāng)破碎帶與隧道呈下側(cè)交叉位時，宜采取CDR法開挖。當(dāng)破碎帶與隧道呈上側(cè)交叉位，并且埋設(shè)相對較深的地段時，宜選擇最為安全的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。同時在斷層、風(fēng)化深槽等不良地質(zhì)地段，開挖前采用超前小管棚預(yù)注漿支護(hù)拱部圍巖。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，縮短循環(huán)進(jìn)尺，以人工開挖為主、機(jī)械為輔，需爆破時，采用弱爆破，減少對圍巖的擾動。開挖后及時施做初期支護(hù)，初期支護(hù)采用中空注漿錨桿、鋼架及網(wǎng)噴硅，加強(qiáng)圍巖周邊支護(hù)，同時盡快按要求施做仰拱及二次襯砌。

根據(jù)地質(zhì)條件及時的改變施工方法，對預(yù)防突涌水非常重要。合適的施工方法能降低施工風(fēng)險。

4 突涌水事故處理

海底隧道施工過程要以安全為第一要務(wù)，所以建立防災(zāi)救援系統(tǒng)非常重要，要準(zhǔn)備好各種應(yīng)急措施。青島國信置業(yè)有限公司于7月份組織了青島膠州灣隧道土建工程施工安全生產(chǎn)事故綜合應(yīng)急演練，市應(yīng)急辦等各單位參與了此次應(yīng)急演練，如出現(xiàn)突水涌泥征兆，現(xiàn)場施工員應(yīng)立刻停止施工并報告項(xiàng)目經(jīng)理部，項(xiàng)目部在項(xiàng)目建設(shè)指揮部和有關(guān)單位進(jìn)行報告的同時積極組織進(jìn)行搶險。

4.1 人員救護(hù)組織

出現(xiàn)以外突水涌泥一定要按照一定的程序處理和人員疏散，隧道施工掌子面要和洞口、辦公室有較好的聯(lián)絡(luò)，目前，四個標(biāo)段均已經(jīng)將移動手機(jī)通信信號引入隧道。安全技術(shù)人員隧道掌握好掌子面的工作狀態(tài)和安全情況，救護(hù)車隨時待命，以保證人員安全為第一要務(wù)。

4.2 孔口防突

施工時要通過變形監(jiān)測來預(yù)測變形規(guī)律，通過超前探孔探明前方地質(zhì)與含水情況。在斷層破碎帶如發(fā)生鉆孔涌水，應(yīng)盡快采用快速堵漏技術(shù)，防止大量水涌出帶動破碎土體流出引發(fā)突水涌泥現(xiàn)象。探孔探明前方遇到含水不良地質(zhì)地帶時應(yīng)采取一定的地層加固方法。探孔施工時應(yīng)特別謹(jǐn)慎小心，采用全斷面注漿時，首先按照探孔設(shè)計圖進(jìn)行分區(qū)分片探測，進(jìn)一步確定不良地質(zhì)地層含水狀況，為防止突涌水情況發(fā)生，在遇到可能出現(xiàn)地下水的地帶，若止?jié){巖盤情況不好，應(yīng)設(shè)立止?jié){墻，安裝空口管，準(zhǔn)備好堵水、防災(zāi)材料，必須準(zhǔn)備好各種救護(hù)材料并防止高壓水沖出鉆桿。

當(dāng)超前預(yù)注漿遇到大量涌水時，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，在鉆孔部位安裝孔口管，當(dāng)水量很大噴射而出時，首先固定好排水的孔口管，施作止?jié){墻的方式封閉掌子面，然后用閘閥逐步關(guān)閉出水孔，通過注漿的方式填充堵塞出水通道，隨后進(jìn)行全斷面注漿加固地層。

5 結(jié)論

1）介紹了突涌水發(fā)生機(jī)理，對海底隧道的突涌水發(fā)生可能性及防治的重要性進(jìn)行了闡述；

2）海底隧道突涌水的控制措施包含超前探孔、超前地質(zhì)預(yù)報、超前預(yù)注漿、監(jiān)控量測、隧道開挖方法5個方面，海底隧道施工應(yīng)該通過完整可靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇胧﹣肀M可能的避免突涌水，減少突涌水造成損失；

3）突涌水施工假若發(fā)生，就應(yīng)當(dāng)按照預(yù)先應(yīng)急演練的過程進(jìn)行人員疏散和救助以及掌子面的處理。

加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，監(jiān)控量測，及時進(jìn)行隧道預(yù)注漿等措施對于保障隧道的安全非常重要。在施工工程中通過盡可能完備的措施來避免規(guī)避突涌水的風(fēng)險。

[1]劉招偉.圓梁山隧道巖溶突水機(jī)理及其防治對策[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2004.

[2]青島膠州灣隧道風(fēng)險研究報告[R].同濟(jì)大學(xué)，中鐵隧道勘察設(shè)計院有限公司，2009，2.

[3]青島膠州灣隧道土建工程施工安全生產(chǎn)事故綜合應(yīng)急演練[R].中鐵隧道勘察設(shè)計院有限公司，2009，7.