青島膠州灣隧道綜合勘察方法的應(yīng)用

王 輝

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

海底隧道勘察不同陸地上隧道工程，也不同于跨江河的隧道。海域勘察造價(jià)高、準(zhǔn)確性低，施工風(fēng)險(xiǎn)大大增加，日本青函隧道23 km的海底地段，約80%的地質(zhì)條件未能詳細(xì)的預(yù)測(cè)，給后續(xù)施工造成了極大的困難，包括4次海水入侵淹沒(méi)；目前我國(guó)隧道勘察規(guī)范實(shí)踐主要來(lái)自陸地山體隧道，如何采用有效的勘察手段查明海底隧道地質(zhì)條件，是一個(gè)新課題。

青島膠州灣隧道是我國(guó)繼廈門(mén)翔安隧道建設(shè)成功后的第二條海底隧道，采用了多種勘察手段相結(jié)合的綜合勘察方法，取得良好的勘察效果，“地質(zhì)資料吻合率達(dá)88.3%”，“對(duì)斷裂位置及規(guī)模判斷較為準(zhǔn)確，圍巖分級(jí)符合率達(dá)90%”。

1 工程概況

青島海底隧道工程位置為膠州灣口，越海段長(zhǎng)約3 000 m，采用雙向雙洞六車(chē)道，中間設(shè)服務(wù)隧道，采用礦山法施工；結(jié)構(gòu)采用橢圓形斷面，結(jié)構(gòu)寬15.7 m，高12.0 m，線路間距45 m，海域部分長(zhǎng)3 300 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道軸線處海面寬約3.5 km，最大水深約42 m；中部主要通航區(qū)向兩側(cè)分別成兩個(gè)較陡的斜坡，斜坡間發(fā)育寬窄不一的緩坡平臺(tái)，潮間帶多為礁石。

2.2 氣象水文

青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)，又瀕臨黃海，兼?zhèn)浼撅L(fēng)氣候與海洋氣候特點(diǎn)。膠州灣海潮屬正規(guī)半日潮，平均潮汐歷時(shí)5 h39 min，平均落潮歷時(shí)6 h46 min，平均潮差2.78 m，最大潮差4.75 m。

2.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)第四系覆蓋基本不發(fā)育，基巖裸露，基巖巖性復(fù)雜，種類(lèi)繁多，變質(zhì)巖類(lèi)、火山巖類(lèi)、沉積巖類(lèi)及侵入巖均有，以中、微風(fēng)化巖為主，強(qiáng)風(fēng)化帶一般不超過(guò)5 m。

圖1 膠州灣隧道場(chǎng)區(qū)磁異常及斷裂分布

2.4 區(qū)域地質(zhì)

場(chǎng)區(qū)主要區(qū)域地質(zhì)為斷裂構(gòu)造，穿越隧道的斷裂主要有5條(見(jiàn)圖1)，其中NE向的F1、F2斷裂，NW向的F3、F4、F5斷裂，以F3斷裂規(guī)模最大。

2.5 水化學(xué)類(lèi)型

膠州灣海水水化學(xué)特征為：按PH值分類(lèi)屬咸性水；按硬度分類(lèi)屬極硬；按礦化度分類(lèi)屬高礦化水(鹽水)，水化學(xué)類(lèi)型屬氯鈉型水，具腐蝕及強(qiáng)結(jié)晶分解復(fù)合類(lèi)腐蝕。

2.6 地震

青島市抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)的震動(dòng)加速度值為0.05g。

3 勘察方法

詳細(xì)分析研究前期勘察成果，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，本次勘察布置以鉆探為主，輔以海底地形和磁力測(cè)量、物探(多道地震)、綜合測(cè)井、抽(壓)水試驗(yàn)等綜合勘探方法和手段。

3.1 海底地形和磁力測(cè)量

沿隧道軸線左、右各300 m范圍內(nèi)進(jìn)行1∶2 000比例的水下地形圖和磁力測(cè)量，測(cè)量范圍為1 km×0.6 km，對(duì)隧道海域海底地形和磁力測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)充完善。

3.2 物探(多道地震)

地震反射多次覆蓋技術(shù)在陸地已經(jīng)得到廣泛使用，近年來(lái)在水域勘探領(lǐng)域逐步得到了發(fā)展和完善，在廈門(mén)翔安隧道勘察中取得了良好的效果。本次勘察主要布置3條測(cè)線，長(zhǎng)3 km，其中1條位于服務(wù)隧道軸線上，另2條在主隧道外側(cè)10 m處；同時(shí)在F3斷裂附近磁異常地段，沿兩主隧道軸線加密布置2條測(cè)線，長(zhǎng)約800 m。

3.3 鉆孔布置

(1)鉆孔布置原則

先對(duì)斷層及交叉點(diǎn)、地層分界線、風(fēng)化深槽、物探異常點(diǎn)進(jìn)行布置，再對(duì)人、車(chē)行橫洞地段進(jìn)行布孔，然后對(duì)隧道區(qū)間進(jìn)行布孔。

鉆孔在隧道兩側(cè)交叉布置，位于洞壁外10 m左右， 一般地段鉆孔間距75～150 m；斷層及交叉點(diǎn)、地層分界線、風(fēng)化深槽、物探異常點(diǎn)鉆孔間距50～60 m。

隧道最凹處、推測(cè)斷裂破碎帶、物探異常地段、風(fēng)化深槽部位和地質(zhì)異常部位根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況適當(dāng)予以加密。

(2)孔深

深孔至隧道底板設(shè)計(jì)高程下不小于5 m，如遇破碎帶和風(fēng)化深槽，擬適當(dāng)加深，必要時(shí)予以揭穿。淺孔以進(jìn)入微風(fēng)化巖2 m為準(zhǔn)。

3.4 鉆孔綜合測(cè)試

(1)縱、橫波測(cè)試

擬采用聲波測(cè)井和橫波測(cè)井。聲波測(cè)井測(cè)試巖體的縱波速度，同時(shí)結(jié)合采集的巖樣波速測(cè)試結(jié)果，計(jì)算巖體的完整性系數(shù)，評(píng)價(jià)巖體的完整性類(lèi)別。橫波測(cè)井測(cè)試巖體的橫波速度，結(jié)合縱波速度和試驗(yàn)資料計(jì)算巖體的動(dòng)剪切模量、動(dòng)彈模量和動(dòng)泊松比。

勘察時(shí)所有深孔均進(jìn)行縱、橫波測(cè)試，縱波測(cè)點(diǎn)間距0.25 m，橫波測(cè)點(diǎn)間距2 m。對(duì)于位于破碎帶、風(fēng)化深槽的部分淺孔，擬選擇有代表性鉆孔，進(jìn)行全孔段縱、橫波測(cè)試。

(2)鉆孔數(shù)字錄像

擬選擇部分有代表性的鉆孔進(jìn)行鉆孔數(shù)字錄像，直觀了解海域隧道巖體的完整性和節(jié)理裂隙發(fā)育情況；并通過(guò)分析比較數(shù)字錄像和鉆孔巖芯，進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)巖芯編錄，以詳細(xì)分析了解隧道巖體的完整性。本次勘察布置10個(gè)鉆孔進(jìn)行數(shù)字錄像；其中節(jié)理裂隙發(fā)育的鉆孔7個(gè)，并選擇3個(gè)不同巖性、巖體完整的鉆孔進(jìn)行數(shù)字錄像。

(3)電測(cè)井

主要是結(jié)合壓水試驗(yàn)查清基巖的富水性，結(jié)合鉆孔柱狀圖繪制視電阻率測(cè)井曲線，并判斷孔內(nèi)各段的富水性。

(4)井溫測(cè)井

鉆孔井液溫度梯度與大小，反應(yīng)鉆孔井液與孔壁圍巖之間地下水交替的程度。根據(jù)測(cè)試資料編制各孔井溫曲線圖，并計(jì)算每孔的平均地溫梯度，以此判斷鉆孔井液與孔壁圍巖之間地下水交替的程度。

3.5 抽、壓水試驗(yàn)

抽、壓水試驗(yàn)在深孔中進(jìn)行，其中抽水試驗(yàn)孔11個(gè)，壓水試驗(yàn)孔10個(gè)，以詳細(xì)查明海底隧道巖體的水文地質(zhì)特征，重點(diǎn)查明裂隙密集帶、破碎帶和風(fēng)化槽等富水地段的滲透性，為合理分析、預(yù)測(cè)隧道涌水量取得可靠的水文參數(shù)[10]。其中壓水試驗(yàn)每孔3～4段，拱頂一定范圍(10～15 m)和洞身段應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)。水文試驗(yàn)應(yīng)在主要含水孔段進(jìn)行，勘察中應(yīng)根據(jù)鉆孔情況，確定抽、壓水試驗(yàn)的鉆孔及孔段。

所有抽、壓水試驗(yàn)鉆孔，應(yīng)全孔段進(jìn)行井溫、電阻率和自然電位測(cè)試。

3.6 取樣

(1)土樣

在取樣孔中進(jìn)行，其中砂類(lèi)土和碎石類(lèi)土采取擾動(dòng)樣，黏性土采取原狀樣。取樣間隔2～2.5 m；如土層厚度大于等于5 m，可適當(dāng)加大取樣間距；遇有土層變化，應(yīng)立即取樣。

(2)巖樣

主要在取樣孔中進(jìn)行，取樣間距2.5～3 m；如巖性變化，在非取樣孔中應(yīng)按要求采取巖樣。

原狀樣和軟質(zhì)巖中的巖樣應(yīng)及時(shí)蠟封，避免日曬雨淋。

(3)海水樣

勘察期間，在大潮的漲潮高潮、落潮低潮和一般潮位的平潮時(shí)段，分別在隧道海域左、中、右各采取1組地表水樣。

(4)地下水樣

在有代表性的地段，分層采取。

3.7 室內(nèi)試驗(yàn)

一般黏性土、風(fēng)化呈土狀的全強(qiáng)風(fēng)化巖和破碎帶：應(yīng)進(jìn)行天然含水量、天然密度、比重、孔隙比、塑限、液限、快剪、固結(jié)、無(wú)側(cè)限抗壓、滲透等試驗(yàn)。

砂類(lèi)土、碎石類(lèi)土、全—強(qiáng)風(fēng)化巖體和破碎帶巖體：應(yīng)進(jìn)行天然含水量、天然密度、比重、顆粒分析試驗(yàn)。

巖石：主要做天然、飽和單軸抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。并按巖性測(cè)定各類(lèi)巖石的礦物組成、比重、天然含水量、密度、吸水率、單軸壓縮變形及放射性指標(biāo)。

水樣：海水及抽水試驗(yàn)抽取的地下水進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析。

3.8 原位測(cè)試

本次勘察主要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入和動(dòng)力觸探試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在黏性土、砂類(lèi)土、全風(fēng)化巖及呈土狀的破碎帶中進(jìn)行，間距2～2.5 m。動(dòng)力觸探試驗(yàn)在圓礫土、卵石土和風(fēng)化破碎呈碎石土的風(fēng)化巖中進(jìn)行，試驗(yàn)間距3 m左右，層厚大時(shí)，適當(dāng)加大試驗(yàn)間距。

4 總結(jié)

(1)注重搜集區(qū)域資料，注重地質(zhì)調(diào)查，注重對(duì)前期資料的分析。

本項(xiàng)目擬建場(chǎng)區(qū)存在F3斷裂，2000年業(yè)主組織有關(guān)單位對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行地質(zhì)物探工作，對(duì)場(chǎng)區(qū)斷裂分布有了初步的了解；2004年對(duì)F3斷裂進(jìn)行專(zhuān)題勘察，對(duì)于F3斷裂的規(guī)模、位置有了一定的了解，在詳勘制定方案前，對(duì)區(qū)域資料、前期勘察資料進(jìn)行分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)兩岸巖石露頭地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪，對(duì)于勘察手段的選擇、勘探點(diǎn)的布置起到了至關(guān)重要的作用。

(2)綜合勘察手段的運(yùn)用

注重綜合勘察手段的應(yīng)用，采用多聲道地震反射結(jié)合鉆探、縱橫波測(cè)試、鉆孔數(shù)字錄像、電測(cè)井、抽(壓)水試驗(yàn)等手段，互為補(bǔ)充，取得了良好的效果。

(3)海底隧道詳勘鉆孔間距的確定。

現(xiàn)行的公路、鐵路勘察規(guī)范，水下隧道的勘探點(diǎn)間距并未做規(guī)定，本次鉆孔間距統(tǒng)計(jì)結(jié)果，鉆孔間距140～150 m占26%，80～100 m占38%，50～60 m占26%，15～25 m占10%。

勘探點(diǎn)布置可根據(jù)物探成果不同區(qū)段分段布置，簡(jiǎn)單場(chǎng)地段100～150 m，中等復(fù)雜場(chǎng)地50～100 m，復(fù)雜場(chǎng)地25～50 m，可預(yù)留10%工作量對(duì)于地質(zhì)異常點(diǎn)進(jìn)行加密勘探，對(duì)同等地質(zhì)條件鉆孔布置具有借鑒意義。

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