海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合體系研究
——以廈門翔安海底隧道為例

程正明 （廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門361026）

地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)是海底隧道最大的風(fēng)險(xiǎn)源，工程地質(zhì)條件對(duì)海底隧道設(shè)計(jì)和施工方案制定起決定性作用。由于勘察手段的局限性，特別是海底勘察的高技術(shù)難度與高代價(jià)，決定了勘察階段的海底地質(zhì)資料與實(shí)際地層狀況必然會(huì)有所偏差。若無(wú)施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，施工盲目性增大，危險(xiǎn)性增強(qiáng)，甚至對(duì)掘進(jìn)掌子面前方即將出現(xiàn)的坍方、涌泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害毫無(wú)察覺。對(duì)海底隧道而言，施工階段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)更是至關(guān)重要［1-2］。廈門翔安海底隧道施工過(guò)程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作得到高度重視，取得不少有益的經(jīng)驗(yàn)［3-6］。筆者結(jié)合翔安隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大的F1海底風(fēng)化槽地質(zhì)預(yù)報(bào)工程實(shí)踐，系統(tǒng)地總結(jié)了海底隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系研究成果，為后續(xù)類似工程建設(shè)提供有益的參考。

1 工程概況及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

廈門翔安海底隧道是我國(guó)第一座海底隧道，也是當(dāng)今世界最大斷面鉆爆法公路海底隧道，連接廈門本島和翔安大陸架，全長(zhǎng)6．05km，設(shè)三孔隧道，左右線行車隧道共設(shè)雙向6車道，中孔為服務(wù)隧道。翔安隧道地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在詳勘階段已查明兩端陸域全強(qiáng)風(fēng)化軟弱地層、淺灘富水砂層和多處海底風(fēng)化深槽等不良地質(zhì)段。

由于海底隧道工程經(jīng)驗(yàn)十分匱乏，地層復(fù)雜多變，風(fēng)化巖面起伏不定，小型巖脈穿插時(shí)有發(fā)生，詳勘鉆孔數(shù)量有限，不可能完全準(zhǔn)確地反映地層的微觀地質(zhì)環(huán)境。特別是，詳勘探明不良地質(zhì)體的確切邊界和過(guò)渡地段還存在一定的不確定性，預(yù)料外的小型不良地質(zhì)體也有可能存在，這些地段都是施工高風(fēng)險(xiǎn)地段。因此，必須針對(duì)海底隧道特點(diǎn)，建立可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制。

2 海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合體系

2．1 預(yù)報(bào)目標(biāo)和內(nèi)容

海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目標(biāo)就是要準(zhǔn)確核實(shí)或預(yù)測(cè)掌子面周圍及前方不良地質(zhì)體的規(guī)模、形態(tài)、巖性和水文地質(zhì)情況。具體而言，包含以下3個(gè)方面的預(yù)報(bào)內(nèi)容：預(yù)報(bào)隧道掌子面前方一定范圍內(nèi)巖體巖性及水文地質(zhì)情況，如是否存在斷層破碎帶及軟弱夾層等；預(yù)報(bào)掌子面前方地質(zhì)異常體位于隧道詳細(xì)里程及規(guī)模，包括地質(zhì)異常體與隧道立體相交的位置和規(guī)模；預(yù)報(bào)隧道開挖后周圍未被揭露出的隱伏地質(zhì)異常體分布情況，如頂板厚度等，排除潛在的隱患。

2．2 總體方案

基于翔安隧道大量的地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果，提出海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的總體方案為：以小斷面服務(wù)隧道先行施工兼作地質(zhì)導(dǎo)洞，以掌子面水平超前鉆孔為主，以TSP203、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)等物探為輔，結(jié)合掌子面地質(zhì)素描，綜合預(yù)報(bào)，如圖1所示。海底隧道各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的預(yù)報(bào)范圍采用指標(biāo)如表1所示。

圖1 超前地質(zhì)總體方案示意圖

表1 海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有效范圍

2．3 實(shí)施步驟

通過(guò)以下步驟探明海底隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的空間形態(tài)和地質(zhì)特征：①采用TSP-202（203）初步判斷掌子面前方200m的異常構(gòu)造，為安全起見，取120m作為有效預(yù)報(bào)距離，并要求搭接20m。②在接近異常構(gòu)造帶50m時(shí)，采用50～80m左右的長(zhǎng)距離水平取芯鉆探，基本確定掌子面前方80m的地質(zhì)情況及結(jié)構(gòu)面和含水體的大致位置，從宏觀上掌握掌子面前方的地質(zhì)情況，主要是異常構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、斷層破碎帶、巖性及結(jié)構(gòu)、含水體、水量、水壓情況等。③采用紅外線探水、地質(zhì)雷達(dá)等和中長(zhǎng)距離 （30～50m）的取芯鉆探比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)掌子面前方30m的地質(zhì)情況，準(zhǔn)確判斷巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面寬度、斷層發(fā)育形態(tài)、規(guī)模及巖石破碎情況，并進(jìn)行水壓和涌水量測(cè)試，判斷地下水的方向及涌水、突泥的危險(xiǎn)程度，研究施工預(yù)案。④采用頂板厚度地質(zhì)雷達(dá)掃描、掌子面地質(zhì)素描、5m長(zhǎng)風(fēng)槍超前鉆孔等技術(shù)進(jìn)行每循環(huán)跟蹤探測(cè)，主要判斷涌水突出的危險(xiǎn)，優(yōu)化和確定處理方案，包括選擇注漿、泄水降壓、迂回導(dǎo)坑、開挖和支護(hù)方法。⑤充分利用服務(wù)隧道超前掘進(jìn)提供的地質(zhì)導(dǎo)洞信息，分析兩側(cè)行車隧道相應(yīng)里程段地質(zhì)情況。

3 左線隧道F1風(fēng)化槽超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)例

3．1 工程實(shí)例

海底風(fēng)化槽是翔安隧道最大的施工難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也是對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要求最高的地段。左線隧道F1風(fēng)化槽是施工中遇到的第1個(gè)風(fēng)化槽。按筆者建立的海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系總體方案和實(shí)施步驟對(duì)左線隧道F1風(fēng)化槽地段實(shí)施預(yù)報(bào)，實(shí)施過(guò)程如下：

1）服務(wù)隧道先導(dǎo)信息分析 服務(wù)隧道標(biāo)高底，斷面小，受F1影響較小，已先行穿越。根據(jù)服務(wù)隧道開挖情況分析，F(xiàn)1詳勘資料基本可靠，但槽體內(nèi)主要組成為全風(fēng)化花崗巖 （W4），與詳勘提示主要組成為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖 （W3）相比，總體要差一些。

2）TSP203長(zhǎng)距離預(yù)報(bào) 在ZK8＋210實(shí)施TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)120m，至ZK8＋340，結(jié)果表明，風(fēng)化槽起止樁號(hào)為ZK8＋270～8＋330，起點(diǎn)比詳勘退后了25m，總長(zhǎng)為60m，縮短10m，如圖2所示。這一結(jié)果與詳勘有較大差別，但綜合服務(wù)隧道已開挖段信息和上一循環(huán)水平鉆孔取芯情況分析，認(rèn)為基本是可信的，因此決定在此基礎(chǔ)上實(shí)施下一循環(huán)水平鉆孔，進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）水平鉆孔預(yù)報(bào) 水平鉆孔分2個(gè)循環(huán)，第1循環(huán)設(shè)3個(gè)鉆孔，從ZK8＋240～8＋290，長(zhǎng)50m；第2循環(huán)設(shè)4個(gè)鉆孔，從ZK8＋290～8＋340，長(zhǎng)50m。采用進(jìn)口C6鉆機(jī)施工，鉆孔直徑90mm，除中心鉆孔SZK6、SZK1終孔在開挖輪廓線內(nèi)，其余終孔都在開挖輪廓線外2m附近，即需對(duì)隧道周邊圍巖在一定范圍進(jìn)行探明，水平鉆孔布置如圖2所示，水平鉆孔地質(zhì)柱狀圖如圖3所示。從鉆孔結(jié)果分析，風(fēng)化槽起止樁號(hào)為ZK8＋270～8＋328，總長(zhǎng)為58m，與TSP預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合。槽體以全風(fēng)化花崗巖 （W4）為主。根據(jù)鉆孔出水量分析，全風(fēng)化地段滲水量大，為接近全水頭海水。同時(shí)，鉆孔分析還顯示，F(xiàn)1風(fēng)化深槽與洞身走向?yàn)樾苯?，其左?cè)先進(jìn)入風(fēng)化深槽，左右進(jìn)入風(fēng)化槽前后相差10m左右，而出風(fēng)化槽的時(shí)候，左右差別不大，這是TSP和地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)所沒有體現(xiàn)的。

4）地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào) 采用GSSI SIR系列地質(zhì)雷達(dá)，配屬100MH屏蔽天線，探測(cè)掌子面為ZK8＋260，預(yù)報(bào)距離30m。預(yù)報(bào)結(jié)果如下：ZK8＋260～8＋274段，長(zhǎng)14m，塊狀構(gòu)造，屬較硬巖，結(jié)構(gòu)面變化不明顯，巖體自穩(wěn)能力一般，推測(cè)為IV級(jí)圍巖；ZK8＋274～8＋290段，長(zhǎng)16m，巖性變化大，巖體破碎，塊狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙發(fā)育，可能出現(xiàn)斜向的結(jié)合程度較差的結(jié)構(gòu)面，巖體自穩(wěn)能力差，推測(cè)為V級(jí)較弱圍巖，地下水發(fā)育，可能出現(xiàn)股狀出水或涌水。據(jù)此分析，風(fēng)化槽起點(diǎn)樁號(hào)為ZK8＋274，與TSP、水平鉆孔預(yù)報(bào)結(jié)果 （ZK8＋270）比較接近。

圖2 水平鉆孔布置圖

圖3 水平鉆孔地質(zhì)柱狀圖

圖4 巖石頂板厚度分析 （注：虛線部分為推測(cè)）

同時(shí)，還利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)已開挖段進(jìn)行巖石頂板厚度檢測(cè)。ZK8＋210～8＋224段，巖石頂板厚度大于10m，屬于安全區(qū)。ZK8＋226～8＋260段，巖石頂板厚度探測(cè)結(jié)果如圖4所示，可推測(cè)出拱頂?shù)竭_(dá)F1風(fēng)化槽為ZK8＋272，這與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)的ZK8＋274非常接近。

5）紅外探水預(yù)報(bào) 探測(cè)掌子面為ZK8＋260，探測(cè)距離30m。結(jié)果顯示，前15m少水，后15m富水。必需采取可靠的注漿堵水措施。

6）開挖驗(yàn)證 風(fēng)化槽及前后過(guò)渡段的詳勘成果、各種預(yù)報(bào)結(jié)果以及實(shí)際開挖揭露對(duì)比如表2。由表2可以看出，實(shí)際開挖揭露的風(fēng)化槽過(guò)渡段和起止里程與詳勘報(bào)告有所偏差，里程退后27m，長(zhǎng)度縮短14m，風(fēng)化槽體地質(zhì)狀況比詳勘報(bào)告要差；TSP203和水平鉆孔預(yù)報(bào)都達(dá)到了較高精度，地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水是對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果必要的補(bǔ)充和佐證。由此也說(shuō)明，本次F1地質(zhì)預(yù)報(bào)是成功的。

3．2 經(jīng)驗(yàn)小結(jié)

①開挖顯示，F(xiàn)1風(fēng)化槽地質(zhì)變化非常劇烈，但從微風(fēng)化到全風(fēng)化總體是連續(xù)的，表現(xiàn)為地層變化過(guò)渡帶，不過(guò)這種過(guò)渡段很短暫，有時(shí)只有3～5m，這種情況大大增加了地質(zhì)預(yù)報(bào)難度和施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠重視。②由于海底隧道的高風(fēng)險(xiǎn)性，水平鉆孔具有不可替代的功能，既使是詳勘揭示的連續(xù)好圍巖地段，也有可能出現(xiàn)小型巖脈穿插造成的局部破碎帶，因此，海底段必需全程鉆孔取芯，并通過(guò)鉆孔出水量和水壓探測(cè)巖體富水情況。③由于風(fēng)化槽與洞身呈空間交叉關(guān)系，加上邊界起伏變化，使得隧道斷面上下左右并不是同時(shí)進(jìn)入不良地質(zhì)體，TSP、地質(zhì)雷達(dá)難以全面反映這種空間關(guān)系，而利用多個(gè)水平鉆孔成果可判斷風(fēng)化槽與洞身空間交叉位置。因此，至少應(yīng)施作3個(gè)以上水平鉆孔。在重要不良地質(zhì)體地段，TSP應(yīng)在隧道兩側(cè)邊墻分別實(shí)施，即對(duì)隧道兩側(cè)均進(jìn)行預(yù)報(bào)。在實(shí)際施工時(shí)，可綜合各種預(yù)報(bào)成果，把過(guò)渡地段考慮足夠，以策安全。④對(duì)已開挖段，及時(shí)利用地質(zhì)雷達(dá)掃描，探測(cè)隧道頂板巖層厚度，確保已開挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)短期和長(zhǎng)期安全，對(duì)海底隧道有特殊的重要意義。⑤在TSP203規(guī)范操作和準(zhǔn)確解釋的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他鉆探、物探信息，進(jìn)行綜合分析，可取得較好的預(yù)報(bào)效果。

表2 預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖驗(yàn)證對(duì)比 （ZK8＋）

4 工程管理措施

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，但實(shí)際效果良莠不齊。除技術(shù)性原因，還有很大一部分是管理的因素。為切實(shí)提高翔安海底隧道超前地質(zhì)水平，筆者采取了以下措施，成效良好：①高度重視。要求做到 “有疑必探，無(wú)疑也探，不留死角，綜合預(yù)報(bào)”。②保障經(jīng)費(fèi)投入。在編制招標(biāo)工程量清單時(shí)，把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工程量和報(bào)價(jià)單列，嚴(yán)禁不平衡報(bào)價(jià)，保障專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)。③加強(qiáng)工程管理。在施工組織方案審查時(shí)，把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為一道必經(jīng)工序，進(jìn)行專項(xiàng)審查，在施工現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)監(jiān)督和考核管理。④規(guī)范技術(shù)管理。開展海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專題科研，認(rèn)真比對(duì)預(yù)報(bào)成果和實(shí)際開挖揭露，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成較為規(guī)范統(tǒng)一的預(yù)報(bào)體系、操作措施和地質(zhì)解釋方法等技術(shù)指南，盡可能減少人為因素干擾，達(dá)到提高預(yù)報(bào)精度的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于廈門翔安海底隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立了海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合體系，即以小斷面服務(wù)隧道先行施工兼作地質(zhì)導(dǎo)洞，以掌子面水平超前鉆孔為主，以TSP203、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)等物探為輔，結(jié)合掌子面地質(zhì)素描，綜合預(yù)報(bào)。該體系經(jīng)海底風(fēng)化槽超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，精度高，可靠性強(qiáng)，可推廣應(yīng)用到其他類似工程。

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