武漢長(zhǎng)江隧道巖土工程勘察難點(diǎn)及措施

萬(wàn)凱軍，李大毛，趙建海

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430080)

1 工程概況

武漢長(zhǎng)江隧道是中國(guó)長(zhǎng)江第一條過江交通隧道工程，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一隧”。該隧道是武漢市中心城區(qū)重要過江通道，是經(jīng)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng)的大型重點(diǎn)工程。

該隧道位于武漢長(zhǎng)江大橋、武漢二橋之間，包含30 m長(zhǎng)的地面道路、3 600 m長(zhǎng)的隧道以及漢口和武昌共6條匝道，隧道江北起點(diǎn)為漢口大智路與銘新街的交叉口，相繼穿越中山大道、江灘公園、長(zhǎng)江、和平大道、友誼大道，最后到達(dá)江南終點(diǎn)武昌沙湖。隧道主體工程施工采用盾構(gòu)法、明挖法和局部暗挖法。隧道的地理位置見圖1。

武漢長(zhǎng)江隧道穿越段工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，下穿通過寬約1 400 m長(zhǎng)江河床及長(zhǎng)江一級(jí)階地，主要為滲透性強(qiáng)的砂層，局部含有卵礫石，隧道承受很高的水壓力，設(shè)計(jì)擬采用10 m以上大直徑復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)法施工，另外江南、江北豎井超深基坑開挖與支護(hù)施工難度極大，要求準(zhǔn)確查明工程水文地質(zhì)條件與工程地質(zhì)條件，以便為盾構(gòu)施工及深基坑開挖支護(hù)及降水提供可靠依據(jù)。在勘察過程中遇到了一些常規(guī)勘察手段難以解決的問題，通過采用一些新的勘察技術(shù)手段及有效的施工保證措施后，圓滿地完成了勘察工作，為設(shè)計(jì)與施工提供了可靠的巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)。

本文著重介紹武漢長(zhǎng)江隧道勘察工作難點(diǎn)及相應(yīng)解決措施。

2 勘察工作難點(diǎn)及其措施

2．1 水上勘探與測(cè)試定位問題

武漢長(zhǎng)江隧道越江段寬度達(dá)1 400 m，由于長(zhǎng)江水位變化頻繁，水流湍急，航運(yùn)交通繁忙，在長(zhǎng)江河道進(jìn)行勘探與測(cè)試工作難度之一就是定位問題。必須有效解決定位難的問題，為此采取了如下有效措施:

(1)積極主動(dòng)與航道、防汛主管部門溝通和交流，按有關(guān)要求制定了相應(yīng)的周密計(jì)劃和可靠的水上鉆探方案，并辦理了相關(guān)的手續(xù)，鉆探作業(yè)船上設(shè)置了完備的水上作業(yè)信號(hào)、通信和救生等設(shè)備。在有關(guān)部門的全力配合下，確保了本次勘察期間航運(yùn)暢通和江上鉆探作業(yè)安全。

(2)通過深入研究勘探地段水流方向、流速及航道要求，首先專門設(shè)計(jì)和拼裝了江上鉆探作業(yè)平臺(tái)，采取結(jié)構(gòu)加固措施以保證作業(yè)平臺(tái)整體性及穩(wěn)定性;其次制定了詳細(xì)的拋錨定位方案，采取三角定位錨進(jìn)行定位，從而保證了鉆探作業(yè)平臺(tái)快速、準(zhǔn)確定位，且作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定，不隨水流沖擊而發(fā)生移動(dòng)。

(3)因江面寬闊且水流湍急，江上淺層地震勘探船航跡易出現(xiàn)偏差，接收器觸發(fā)點(diǎn)難以按坐標(biāo)準(zhǔn)確控制，為了解決這一難題，本工程首次采用了淺層地震勘探線定位及動(dòng)態(tài)跟蹤糾偏技術(shù)，其基本原理是:采用動(dòng)態(tài)GPS實(shí)時(shí)定位，糾正航行軌跡，通過專用程序?qū)PS定位坐標(biāo)與淺層地震觸發(fā)按一定時(shí)距同時(shí)采集，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理修正航跡誤差。

圖1 隧道的地理位置Fig.1 Geographical position of tunnel

2．2 勘探孔保護(hù)與孔深測(cè)量問題

(1)由于江水最大深度達(dá)24 m，流速急且不穩(wěn)定，必須采取套管以保護(hù)勘探孔，為此采用高強(qiáng)度三重套管，并采取有效的套管防脫落措施，以保證勘探孔內(nèi)勘探測(cè)試工作順利進(jìn)行。

(2)江上鉆探時(shí)，由于江水水位變化頻繁，導(dǎo)致計(jì)算鉆探深度的基準(zhǔn)面標(biāo)高相應(yīng)變化，從而難以準(zhǔn)確測(cè)定勘探深度，為此，采用紅外儀、動(dòng)態(tài)GPS等測(cè)量手段組建了江上鉆探監(jiān)控網(wǎng)，以實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)鉆探基準(zhǔn)面的標(biāo)高變化，從而有效解決了江上鉆探深度難以量測(cè)的難題。

2．3 巖芯采取率問題

隧道地層主要為砂土，其中盾構(gòu)機(jī)挖掘主要以粉細(xì)砂、中粗砂和卵石層為主，勘察必須查清砂、卵石層性質(zhì)，常規(guī)的鉆探手段難以保證砂、卵石層的鉆探巖芯采取率［1］。為此專門研發(fā)了一種旋切式鉆探裝置。該裝置具有旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、巖芯管保護(hù)和端部自動(dòng)閉合等功能。通過該方法裝置的應(yīng)用，使得砂、卵石層巖芯采取率達(dá)85%以上，為準(zhǔn)確測(cè)定其有關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)提供了有效的取樣測(cè)試手段。

2．4 特殊巖土參數(shù)測(cè)試問題

2．4．1 熱物理性指標(biāo)

長(zhǎng)江隧道圍巖熱物理指標(biāo)是進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)與計(jì)算的主要依據(jù)，對(duì)保證隧道使用功能和運(yùn)營(yíng)管理具有重要影響，而本地區(qū)沒有可供參考的經(jīng)驗(yàn)。為此，通過對(duì)本隧道沿線圍巖的密度、濕度和成份的分析，經(jīng)過反復(fù)比對(duì)試驗(yàn)，最終選用線熱法對(duì)本隧道圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱容等熱物理性指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)［2］，為隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，同時(shí)為本地區(qū)類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

2．4．2 石英含量及卵石硬度測(cè)試

鑒于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開挖砂、卵石層中石英含量和卵石堅(jiān)固性是決定盾構(gòu)機(jī)刀盤磨耗程度和速率的主要因素，為此勘察中制定了砂土層石英含量的測(cè)試方案，并且對(duì)卵石進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，以其強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)卵石的堅(jiān)固程度［3］。另外針對(duì)隧道底部切入基巖，對(duì)基巖段進(jìn)行堅(jiān)硬程度測(cè)試。通過上述測(cè)試參數(shù)的獲得，為盾構(gòu)機(jī)選型和刀盤設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

2．5 勘探孔回填問題

隧道位于長(zhǎng)江防洪防汛范圍內(nèi)，且長(zhǎng)江隧道作為地下工程，勘探孔的封孔回填質(zhì)量對(duì)工程施工過程中和長(zhǎng)江防洪期間防止產(chǎn)生管涌和突涌等災(zāi)害至關(guān)重要。為此，專門制定了詳細(xì)的勘探孔回填技術(shù)措施，報(bào)請(qǐng)防汛指揮部審查批準(zhǔn)后嚴(yán)格實(shí)施，對(duì)粘性土層用粘土泥球分層擊實(shí)，對(duì)砂層用砂土分層搗實(shí)，詳細(xì)進(jìn)行封孔記錄，并實(shí)地標(biāo)記，按有關(guān)要求嚴(yán)格驗(yàn)收，從而保證了未因鉆孔回填質(zhì)量問題對(duì)后期工程建設(shè)和長(zhǎng)江防洪產(chǎn)生任何危害。

2．6 地下水流速、流向測(cè)試問題

長(zhǎng)江隧道主要穿越地層砂、卵石層，因地下水的流速、流向?qū)λ淼婪桨高x擇影響較大，特別是在考慮采取地下水治理方案和凍結(jié)法施工時(shí)，地下水的流速對(duì)其影響大，但常規(guī)方法難以準(zhǔn)確測(cè)定，尤其是越江段測(cè)定地下水流速和流向測(cè)定更難［4］。為了準(zhǔn)確測(cè)定地下水的流向和流速，采用一種單孔同位素示蹤法新技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定了隧道沿線地下水的流向及滲流速度。

2．7 長(zhǎng)江河床新近沉積層變化規(guī)律問題

隧道通過段河道演變、河床最大沖刷深度及隧道頂部覆蓋層厚度變化對(duì)隧道的設(shè)計(jì)有較大影響，為了研究長(zhǎng)江河床新近沉積層變化規(guī)律，通過對(duì)鉆探、測(cè)試及試驗(yàn)等資料的歸納整理和分析比較，對(duì)長(zhǎng)江河床新近沉積的粉細(xì)砂和中粗砂地層劃分進(jìn)行了深入研究，提出了新近沉積地層的鑒別方法，闡明了其巖性性質(zhì)和工程特征，為設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一隧”武漢長(zhǎng)江隧道勘察工作難點(diǎn)及其解決措施，主要包括長(zhǎng)江上勘探與測(cè)試定位、低巖芯采取率、熱物理性等特殊巖土參數(shù)測(cè)試、江上勘探孔回填、地下水流速與流向的測(cè)試、長(zhǎng)江河床新近沉積層的研究等問題的解決方法與措施，為類似工程的巖土工程勘察提供了很好的借鑒意義。

［1］ JGJ/T87—2012，建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］ GB/T50123—1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［3］ GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］．

［4］ 工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．第四版．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009．