鉆爆法施工技術(shù)在水下隧道建設(shè)中的應(yīng)用

閆路平

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 引言

當(dāng)城市交通需要穿越江河湖海時(shí)，通常是在橋梁與隧道方案之間做出選擇。從工程造價(jià)、耐久性、安全性、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)效益等角度考慮，采用水下隧道方案穿越江河湖海相對(duì)橋梁具有較大綜合優(yōu)勢(shì)。但隧道在穿越江河湖?；蛏喜颗R近區(qū)域存在大量補(bǔ)給水源的富水區(qū)時(shí)，隧道的開(kāi)挖必然形成新的地下水運(yùn)移通道，容易發(fā)生涌水、涌沙、突水、突泥等重大地質(zhì)災(zāi)害事故［1］。

1 鉆爆法應(yīng)用于水下隧道施工中的特點(diǎn)

1.1 采用鉆爆施工法施工水下隧道的優(yōu)點(diǎn)

1)適合各種地形條件。采用鉆爆法施工水下隧道，一般要求隧道大部分地段應(yīng)位于堅(jiān)硬的巖石地層之中。但隧道進(jìn)出口一般地質(zhì)條件較差，甚至較長(zhǎng)地段為土層，即使通過(guò)多方案比選確定的水底地段，也會(huì)或多或少地存在一些風(fēng)化槽或斷層破碎帶等不利地層。對(duì)于鉆爆法施工，由于設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)均較為成熟，可適應(yīng)不同的地質(zhì)條件變化。

2)施工對(duì)環(huán)境影響小，施工時(shí)不影響通航。隨著沿海及沿江經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，沿江沿海均遭到越來(lái)越嚴(yán)重的污染，環(huán)境質(zhì)量明顯下降，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，并對(duì)生物資源和人體健康產(chǎn)生影響。用鉆爆法修建水下隧道不僅是對(duì)自然環(huán)境影響最小的建設(shè)方案，而且也是對(duì)周邊居民及企事業(yè)單位生產(chǎn)生活影響最小的建設(shè)方案。

1.2 采用鉆爆法修建海底隧道存在的缺點(diǎn)

1)由于水下隧道埋置較深，因此隧道較長(zhǎng)，造價(jià)也相對(duì)較高。為了降低鉆爆法修建水下隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，一般要求隧道位于巖石地層中，且具有一定的巖石保護(hù)層厚度，該厚度與巖體強(qiáng)度、破碎程度及隧道開(kāi)挖跨度等有關(guān)。這樣隧道埋置深度將增大，從而隧道建設(shè)的費(fèi)用增加，還會(huì)延長(zhǎng)隧道建設(shè)工期以及增加運(yùn)營(yíng)管理等費(fèi)用。

2)施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較高。鉆爆法對(duì)各種地質(zhì)情況的適應(yīng)性較好，但遇到圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、斷層破碎帶較多時(shí)，各種輔助施工的費(fèi)用會(huì)急劇增加，同時(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)也較大。鉆爆法修建的隧道的施工費(fèi)用、工期及風(fēng)險(xiǎn)對(duì)地質(zhì)的變化較為敏感。

3)水下隧道工程地質(zhì)勘察準(zhǔn)確性不夠，實(shí)際施工時(shí)需進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。水下及海底勘測(cè)的技術(shù)難度與代價(jià)較高，決定了勘測(cè)階段的地質(zhì)資料不夠精確，因此需要在施工階段通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)了解前方的地質(zhì)情況。在水下隧道施工過(guò)程中，要求采用掌子面地質(zhì)調(diào)查及各種超前探測(cè)手段綜合判斷隧道前方地質(zhì)條件，力求準(zhǔn)確判斷開(kāi)挖面前方的地質(zhì)情況，最大限度地來(lái)保證施工安全［2］。

2 采用鉆爆法修建水下隧道的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 地質(zhì)勘察及施工中的超前鉆孔“探水”及地質(zhì)預(yù)報(bào)

水下隧道地質(zhì)條件經(jīng)常會(huì)遇到斷層、裂隙、溶洞等突水危險(xiǎn)地段，僅留隔水巖柱“隔水”是不夠的，為保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，必須在開(kāi)挖面鉆孔探水，鉆孔所取巖芯可以判斷開(kāi)挖面前方巖石的破碎狀況及節(jié)理裂隙發(fā)育等情況。

目前常用的超前地質(zhì)探測(cè)方法有地震探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆孔、紅外探水等。例如用CQTC-1地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)可以探測(cè)150 m前方地質(zhì)構(gòu)造和含水帶，采用KDL系列地質(zhì)雷達(dá)、SIR系列高精度工程質(zhì)量檢測(cè)雷達(dá)可以探測(cè)30 m內(nèi)各種地質(zhì)小構(gòu)造、破碎帶、充水帶。

2.2 隧道頂板最小巖石覆蓋層厚度的確定

最小巖石覆蓋厚度越小，水下隧道就越短，靜水壓力就越低，作用在襯砌上的水壓力的勢(shì)能荷載也越小;覆蓋層越厚，在水底和隧道之間的滲流通道就越長(zhǎng)，就會(huì)降低流向隧道的滲水量。最小巖石覆蓋層厚度的確定都是建立在詳細(xì)的地質(zhì)勘測(cè)資料的基礎(chǔ)上的，然而水下地質(zhì)勘察工作的開(kāi)展困難多，地質(zhì)資料中的誤差和不確定因素會(huì)造成許多意外。因此，事先很難確定一個(gè)絕對(duì)安全的最小巖石覆蓋層厚度［3］。

參照國(guó)內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐總結(jié)，隧道隔水巖柱可按式(1)來(lái)進(jìn)行計(jì)算:

其中，hr為隔水巖柱;ht為隧道開(kāi)挖高度，ht=2.6 m;n為基巖以上覆蓋層厚度系數(shù)，n=15 ～20;q為水深系數(shù)，0.8 ～1.2。

2.3 水下隧道的防排水技術(shù)

在進(jìn)行水下隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)以降低隧道建造費(fèi)用及后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用為目標(biāo)，根據(jù)地質(zhì)條件分段分析預(yù)測(cè)隧道采用不同襯砌方案時(shí)的涌水量，通過(guò)對(duì)不同襯砌方案的組合來(lái)達(dá)到對(duì)整個(gè)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)布置方式的優(yōu)化。

2.3.1 注漿方案

根據(jù)施工方法與防排水形式，水下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的選擇有如下三種方案:全封閉襯砌、限制排水襯砌和自由排水襯砌。全封閉襯砌主要是針對(duì)軟弱圍巖承載能力低，滲水量較大，二次襯砌自身承載能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，盡可能將地下水阻擋在二次襯砌之外的一種水下隧道襯砌形式，在Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)圍巖地段一般考慮采用全封閉復(fù)合襯砌;在Ⅱ級(jí)～Ⅲ級(jí)圍巖地段中可以考慮采用限制排水襯砌，為了減少隧道內(nèi)的排水量，拱部及邊墻背后僅設(shè)置防水層，不設(shè)置排水系統(tǒng)，且路面下不設(shè)置仰拱，下部地下滲水通過(guò)排水系統(tǒng)排至兩側(cè)邊溝;自由排水襯砌方案一般使用在巖體相對(duì)比較完整的地段或可采用排水方案的山嶺隧道，不適應(yīng)水下隧道的排水。

2.3.2 注漿“堵水”

當(dāng)采用超前鉆探、物探發(fā)現(xiàn)掌子面前方出現(xiàn)異常狀況，圍巖破碎，裂隙發(fā)育，鉆孔水流量大，應(yīng)立即停止開(kāi)挖，采取預(yù)注漿措施“堵水”，以防止水涌入隧道內(nèi)。為防止受壓漿液和裂隙水從工作面涌出，并保證漿液在最大注漿壓力作用下沿裂隙有效的擴(kuò)散，同時(shí)為了節(jié)約投資，止?jié){墻采用預(yù)留止?jié){巖柱，止?jié){巖柱厚度按式(2)計(jì)算［4］:

其中，B為預(yù)留止?jié){巖柱，即開(kāi)挖面與圍巖破碎帶之間的完整巖柱大小;p為注漿壓力，MPa;S為開(kāi)挖斷面，m2;τ為巖石允許抗剪強(qiáng)度;l為隧道周邊長(zhǎng)度，m。

2.4 水下隧道輔助施工措施及施工安全的保障措施

其主要措施是在施工前應(yīng)制定全面而可靠的施工安全措施、防淹對(duì)策、消防措施以及在施工過(guò)程中做好緊急情況下的撤離訓(xùn)練等，包括以下內(nèi)容:

1)在水下隧道施工過(guò)程中，要嚴(yán)格按照施工步驟施工，同步監(jiān)測(cè)。

2)隧道內(nèi)要配備足夠的積水坑和抽排水設(shè)備，所配備的設(shè)施必須大于隧道預(yù)計(jì)的涌水量，以滿足抽排泥沙水的需要。

3)配備足夠的防涌材料，目前快速堵漏防水材料大部分可在動(dòng)水條件下快速凝固，其主要作用是封堵超前鉆孔和爆破孔突發(fā)涌水，應(yīng)根據(jù)鉆孔大小預(yù)制成柱狀，以便發(fā)生涌水時(shí)及時(shí)封堵。

4)施工時(shí)分段設(shè)置可移動(dòng)式防水閘門(mén)，一旦工作面出現(xiàn)涌水涌沙時(shí)，可迅速將人員撤離到安全地段，然后關(guān)閉防水閘門(mén)，將涌水和泥沙堵在預(yù)計(jì)的區(qū)段內(nèi)，防水閘門(mén)可根據(jù)隧道掘進(jìn)進(jìn)度向前移動(dòng)。

5)制定好逃生路線，并裝配防水閘門(mén)，一旦發(fā)生險(xiǎn)情，施工人員可及時(shí)進(jìn)入安全通道，保證他們的安全［5］。

3 結(jié)語(yǔ)

鉆爆法施工水下隧道具有施工設(shè)備少，施工工藝簡(jiǎn)單可靠，并具有對(duì)施工條件要求低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)多條采用鉆爆法施工的過(guò)江隧道及廈門(mén)翔安海底隧道均獲得了成功，但其中也有幾條在施工中遇到了很大的困難，歸結(jié)起來(lái)問(wèn)題基本上都是出在防治水的措施不當(dāng)上。水下隧道工程條件千變?nèi)f化，水下隧道的建設(shè)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，不僅各類風(fēng)險(xiǎn)貫穿于方案比選、勘察設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)管理，一旦出現(xiàn)其損失影響非常巨大。風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)是由于人們對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)知不足而產(chǎn)生的，只要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，根據(jù)隧道穿越斷面的具體地質(zhì)情況和及時(shí)掌握施工中反饋的信息，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真分析處理建設(shè)過(guò)程中的每一個(gè)問(wèn)題，制定出具體措施并落到實(shí)處，方能確保施工安全和工程的成功［6］。

［1］王夢(mèng)恕，譚忠盛.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2010(12):4-10.

［2］陳學(xué)遠(yuǎn).鉆爆法施工過(guò)江隧道防治水綜合措施［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2004(6):112-113.

［3］梁海青.復(fù)雜地質(zhì)條件下海底隧道大斷面鉆爆法安全掘進(jìn)施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010，30(5):600-606.

［4］宋 建，陳百玲，范 鶴.水下隧道穿越江河海灣的綜合優(yōu)勢(shì)［J］.隧道建設(shè)，2006，26(3):45-46.

［5］段懷志.水下隧道施工的三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［J］.徐州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9(3):9-10.

［6］郭小紅，王夢(mèng)恕，張 偉.鉆爆法修建海底隧道的關(guān)鍵技術(shù)分析［A］.第十屆全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集［C］.2010:3-10.