水下隧道巖土工程勘察技術(shù)特點分析

韋秀燕

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

近十幾年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施投入巨大，公路、鐵路、城市軌道交通、市政道路、引水工程等的建設(shè)一直保持高速發(fā)展，當(dāng)這些線路工程需跨越江、河、湖、海時，應(yīng)對其生態(tài)環(huán)境、航道運輸條件、水文條件、工程地質(zhì)條件以及造價等因素進(jìn)行全面的比較論證，確定選擇隧道或橋梁方案[1]。20世紀(jì)90年代前，由于技術(shù)和造價等原因，大部分越江河工程主要為橋梁形式。隨著隧道設(shè)計施工技術(shù)及施工裝備的發(fā)展，跨越方式已經(jīng)不受技術(shù)制約。與橋梁相比，水下隧道具有多方面的優(yōu)勢，如全天候通行、受水文條件的制約較少、對環(huán)境生態(tài)影響較小、抗震性能較好、隱蔽性好(可作為人防工程)、不影響航運等[2]。水下隧道也有如下缺點，如隧道內(nèi)行車條件受限；長隧道的通風(fēng)和防災(zāi)問題；造價和運營、維護(hù)管理費用較高；施工的不確定風(fēng)險因素比較大等[2]。在隧道勘察設(shè)計方面，受隧道上覆水體的影響，水底勘探精度比較低[3]，有時難于實施[4]，如何做好水下隧道的勘察設(shè)計，仍存在較多挑戰(zhàn)[5]。水下隧道常用的施工方法有鉆爆法、盾構(gòu)法(TBM) 、沉管法和圍堰法。目前，我國已建成多座水下隧道，其中，水下鉆爆法隧道有：廈門翔安隧道、青島青黃隧道和營盤路湘江隧道等；沉管法隧道有：港珠澳沉管隧道、上海外環(huán)隧道、南昌紅谷灘隧道等；采用盾構(gòu)法施工的隧道最多，已經(jīng)運營及正在施工的水下盾構(gòu)隧道有幾十座，大直徑盾構(gòu)(TBM)代表性隧道有：上海崇明長江隧道、京緯七路長江隧道、南京緯三路長江隧道、獅子洋鐵路隧道、汕頭海灣隧道等。在水下隧道巖土工程勘察方面積累了一定經(jīng)驗，且已有大量專家進(jìn)行了相關(guān)研究。王輝[6]采用海底地形和磁力測量、物探(多道地震)、鉆探、綜合測試、原位測試、室內(nèi)試驗等手段，對青島膠州灣隧道進(jìn)行了綜合勘察。韋秀燕、趙正蓉等[7]結(jié)合侖頭-生物-大學(xué)城隧道，系統(tǒng)闡述了沉管隧道的勘察方法。陳韶章等[8]介紹了港珠澳大橋沉管隧道工程以靜力觸探為主、傳統(tǒng)鉆探為輔的勘察新技術(shù)。劉宏岳，林朝旭等[9]對地震反射波法、高密度電法、大地電磁測深法等在過江隧道綜合物探方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。曾智勇[10]對獅子洋盾構(gòu)隧道TBM工法的地質(zhì)勘察技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，特別強調(diào)了水文地質(zhì)勘察的重要性。以下將在前人水下隧道勘察經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者參與多座水下隧道的勘察經(jīng)驗，介紹水下隧道的勘察特點及技術(shù)要求。

2 水下隧道勘察特點

2.1 既有資料少

陸地隧道勘察一般可收集各種比例的區(qū)域地質(zhì)圖、礦產(chǎn)圖、水文地質(zhì)圖。而水域部分的地質(zhì)資料一般是空白的(如圖1)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)

2.2 遙感和地質(zhì)調(diào)繪難以發(fā)揮作用

陸地隧道可通過遙感手段判釋構(gòu)造發(fā)育和不良地質(zhì)；可通過地質(zhì)調(diào)繪手段在巖土層露頭處判斷巖性和表層巖性風(fēng)化程度，量測巖層產(chǎn)狀，了解構(gòu)造發(fā)育情況、不良地質(zhì)、特殊性巖土分布、覆蓋層厚度及泉眼出露等。由于水體覆蓋，水下隧道遙感工作和地質(zhì)調(diào)繪難以發(fā)揮作用。為了彌補這一缺點，通常在前期研究階段開展必要的物探工作和少量鉆探工作來了解工程所在江河床的基本地質(zhì)條件，為橋隧選擇、工法選擇提供基礎(chǔ)資料。

2.3 物探精度低

各種在陸地上采用的物探方法，大多在水上也可使用，但采用的傳感器差別較大。陸地物探采用的傳感器可直接插入巖土體內(nèi)，傳感器的耦合較好，信號接收質(zhì)量較好；水上物探一般采用帶傳感器的水底電纜或漂浮電纜，傳感器沒有直接插入巖土中，傳感器的耦合較差，信號接收質(zhì)量較弱，加上水流、波浪等影響，定位也不夠精確。因此，通常需要多種物探方法相互驗證或鉆探驗證。

2.4 勘探難度相對較大

水上勘探需采用專用勘探平臺，除了在1～2 m水深可用簡易的勘探平臺外，一般需采用專用的勘探船只作為平臺(如圖2)。受到水流、波浪、潮汐(海上或近海)、臺風(fēng)、來往船只等影響，鉆探的操作難、效率低、風(fēng)險比較大。有些陸地上很容易實施的勘探手段，在一般勘探船平臺上很難實施[8]。

圖2 水上船只鉆探平臺

2.5 專項水文勘察

水下隧道一般位于河床以下，其設(shè)計高程、安全運營參數(shù)及工程使用年限等與河床沖淤演變相關(guān)，查明河床沖淤規(guī)律及演變趨勢，是工程勘察設(shè)計的基礎(chǔ)工作。查明工程所在地段江河的水位變化、波浪大小、流速情況、流向、水溫變化、水質(zhì)等條件是隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中理論計算和隧道洞口防洪高程設(shè)計的依據(jù)，這些參數(shù)還是沉管法隧道管節(jié)存放與浮運、沉放施工組織設(shè)計的依據(jù)。

因此，水下隧道一般要做專項的水文研究。主要工作如下：

(1)收集研究區(qū)域范圍內(nèi)歷年來觀測積累的河道徑流、潮汐規(guī)律、泥沙含量等特征，以及河床多年高程、河寬變化資料，分析歷史演變規(guī)律；實測當(dāng)年洪水期、枯水期的水文資料，預(yù)測未來的變化規(guī)律，為隧道設(shè)計、施工及運營提供相關(guān)參數(shù)。

(2)研究河勢及河床演變。總結(jié)工程附近河道的歷史演變情況，采用多年河道實測圖，對河床進(jìn)行推演分析和計算，提出相應(yīng)的建議，保證過江隧道使用期內(nèi)的正常運行。

3 水下隧道各工法勘察技術(shù)要求

目前，水下隧道常用的施工方法有鉆爆法、盾構(gòu)法(TBM)、沉管法。由于水下隧道的特殊性，一般都采用多種勘探手段相結(jié)合的綜合勘察方法，但不同的工法對勘察要求差別較大。下面分別對各水下隧道工法的勘察要求進(jìn)行簡要總結(jié)。

3.1 鉆爆法

一般適用于巖石隧道，如已經(jīng)運營的青黃海底隧道、廈門翔安隧道都是巖石隧道。陸地隧道鉆爆法設(shè)計和施工的關(guān)注點主要是隧道圍巖的穩(wěn)定性、斷裂隙構(gòu)造的穩(wěn)定性(特殊地段也關(guān)注突水、涌水等)，除陸地隧道關(guān)注的內(nèi)容外，由于擔(dān)心水體滲漏，水下隧道建設(shè)還關(guān)注裂隙水滲透性、斷裂隙構(gòu)造導(dǎo)水性等。

(1)地質(zhì)調(diào)繪

需調(diào)查隧道洞口巖石類型、強度、產(chǎn)狀，風(fēng)化程度等。鉆爆法隧道一般埋深較大，巖石抗沖刷能力較強，水文方面一般可只做常規(guī)項目的調(diào)查。

(2)物探

主要查明巖體完整程度或構(gòu)造的發(fā)育程度。地震法：根據(jù)縱、橫波速計算巖體完整性系數(shù)來確定巖體完整性，根據(jù)波速變化探查構(gòu)造的發(fā)育程度。電法與磁法：根據(jù)相對電阻率判斷巖體完整程度或構(gòu)造的發(fā)育程度。測線布置：首先對隧道所在位置進(jìn)行物探普查，普查的范圍根據(jù)設(shè)計需要(設(shè)計有可能根據(jù)地質(zhì)條件對線路進(jìn)行微調(diào))，一般可按200 m寬度進(jìn)行探測。如果是江、河等淡水水下隧道，可采用地震反射法、水域高密度電法探測與大地電磁測深法；如果是近海咸水水下隧道，電法一般不適用，可采用地震反射法和大地電磁測深法，主要查明巖土體完整程度、土石分界面、斷裂走向與寬度。再根據(jù)解譯的結(jié)果對重點關(guān)注部位(如隧道頂部巖層厚度低于一倍隧道洞徑處、斷裂發(fā)育段)進(jìn)行加密探測，進(jìn)一步提高解譯精度。

(3)鉆探

一般沿隧道線路布置(距隧道邊線外側(cè)6～10 m)[11]，鉆孔間距一般為30～50 m，重點關(guān)注部分可進(jìn)行加密，一般為10～30 m?？咨畈簧儆谒淼赖装? m，如遇不良地質(zhì)可加深至8～10 m。

(4)孔內(nèi)測試

在鉆孔內(nèi)開展各種測試，一般有波速測試、電阻率測試，必要時進(jìn)行孔內(nèi)電視測試。

(5)物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)試驗

采取巖樣，進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)試驗。

(6)水文地質(zhì)試驗

應(yīng)選擇不同巖性地段、不同的巖體完整程度地段、不同的構(gòu)造發(fā)育地段進(jìn)行試驗，獲取巖體的滲透性、構(gòu)造的阻性水或?qū)缘榷ㄐ曰蚨康闹笜?biāo)。

3.2 盾構(gòu)法(TBM)

盾構(gòu)法適用于土層隧道(TBM適用于巖石隧道)。盾構(gòu)法主要關(guān)注盾構(gòu)機(jī)對巖土體的切割性能、上覆土體的穩(wěn)定性及土體對泥漿性能的影響等。如果隧道位于河流中上游，土層一般由沖積層組成，巖性一般為卵石、中粗砂、黏性土等；如果在河流下流或濱海，一般由粉細(xì)砂、黏性土、淤泥等組成。目前，穿江河的水下隧道以泥水平衡盾構(gòu)為主，陸地盾構(gòu)隧道一般采用土壓平衡盾構(gòu)(特殊要求除外)，這點與水下隧道不同。巖土工程勘察要點如下。

(1)地質(zhì)調(diào)繪

由于與鉆爆法關(guān)注點不同，調(diào)查的內(nèi)容與鉆爆法有一定差別，一方面需調(diào)查盾構(gòu)井周邊地層及環(huán)境；另一方面需收集河道及當(dāng)?shù)氐臍v史資料，調(diào)查隧址歷史上有沒有沉船，近代是否發(fā)生過戰(zhàn)爭(可能存在炮彈遺留)。這些內(nèi)容對盾構(gòu)掘進(jìn)影響很大。

(2)物探

物探探測的關(guān)注與鉆爆法完全不同，主要探查盾構(gòu)范圍內(nèi)沒有與圍巖不同的異物，如河道內(nèi)遺留物(沉船、炮彈)；全風(fēng)花崗巖層中的球狀風(fēng)化體；可溶巖的溶洞等。對河道內(nèi)遺留物可采用淺剖法或電磁法；球狀風(fēng)化、溶洞等可采用地震法、電法及電磁法，測線布置可按鉆爆法物探方案開展，先從面上進(jìn)行普查，再到局部重點進(jìn)行精查。

(3)鉆探

鉆探及測試可按鉆爆法方式布置。

(4)取樣與試驗

除常規(guī)試驗參數(shù)外，主要關(guān)注粗顆粒土的成分、粗顆粒的強度等；細(xì)粒土應(yīng)關(guān)注黏粒的含量等；這些參數(shù)對盾構(gòu)機(jī)排土及泥漿性能影響較大。

3.3 沉管法

沉管法隧道一般埋深較淺，這是沉管法隧道的最大優(yōu)勢，它可減少河兩岸的引線長度，減少大量的拆遷工程量，節(jié)省工程投資。沉管法隧道應(yīng)主要關(guān)注隧址土體在水下的可挖性。盡管沉管隧道較輕，對基底承載力要求不高，但沉管剛度大，接頭少，對基底土體變形較敏感。其巖土工程勘察要點如下。

(1)地質(zhì)調(diào)繪

由于管段埋深淺，對河道沖淤較敏感。因此，河道沖淤歷史資料是主要調(diào)查內(nèi)容；沉管隧道還需要有制作管段的干塢，干塢地層與周邊環(huán)境也是重要調(diào)查內(nèi)容。

(2)物探

可根據(jù)工程需要開展，如果開挖深度范圍內(nèi)都是土層，可不開展水上物探工作；如果基底有基巖侵入，可布置物探探測土石分界面，為水下爆破開挖提供資料(一般選擇地震法)。

(3)鉆探

和鉆爆法、盾構(gòu)法不同，沉管法隧道不存在鉆孔漏水進(jìn)入隧道的問題，鉆孔可直接布置在隧道中軸線上；鉆孔間距一般為30～50 m，重點關(guān)注的部位(巖面凸起，需要爆破開挖)可進(jìn)行加密，一般為10～30 m。

(4)鉆探

鉆探及測試可按鉆爆法方式布置。

(5)取樣與試驗

目前，大部分工程仍按傳統(tǒng)取樣的試驗方法來開展，其實沉管隧道的隧道部分(沉管隧道不只隧道部分，還包括護(hù)岸工程、引線工程等)并不需要勘察報告中的大部分物理力學(xué)參數(shù)，更關(guān)注的是基槽開挖后是否回淤，但一般實驗并不具備這種能力。

4 結(jié)論和建議

對各類水下隧道的巖土工程勘察特點、關(guān)注點進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)水下巖土工程隧道勘察是水下隧道建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，它是跨江河湖海橋隧選擇、隧道工法選擇的重要依據(jù)。

(2)水下隧道應(yīng)該根據(jù)隧道工法，編制適合的巖土工程勘察方案，提供隧道各工法需要的巖土物理力學(xué)參數(shù)。

(3)水下隧道應(yīng)根據(jù)隧址工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，選擇適合的勘察手段，做到有的放矢。

(4)將來水下隧道會越來越多，建議加大勘察研發(fā)投入，一來可提高鉆探效率和質(zhì)量，二來可進(jìn)行靜力觸探等過去很難實施的原位測試工作，提高水下隧道整體勘察水平。