馬若飛

(甘肅鐵一院工程監(jiān)理有限責(zé)任公司, 蘭州　730000)

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青島膠州灣海底隧道TSP203+超前預(yù)報應(yīng)用探討

馬若飛

(甘肅鐵一院工程監(jiān)理有限責(zé)任公司, 蘭州730000)

摘要：青島膠州灣海底隧道工程,地質(zhì)條件復(fù)雜,構(gòu)造發(fā)育,洞身共穿越18條斷層,巖體較為破碎,為避免工程措施不當(dāng)引發(fā)的塌方和海水倒灌災(zāi)害,施工期間開展超前地質(zhì)預(yù)報工作尤為必要。本隧道海底全程應(yīng)用TSP203+技術(shù),并利用專門的TSPwin物探分析軟件對TSP203+成果進行解譯、分析,對前端地質(zhì)做出超前預(yù)報,經(jīng)施工驗證比較,預(yù)報結(jié)果符合現(xiàn)場實際情況。地下工程合理利用TSP203+技術(shù),可以針對圍巖的完整、風(fēng)化、破碎情況和斷層破碎帶分布等做出超前預(yù)報。它是地勘工作在施工階段的重要補充和延續(xù),也是設(shè)計變更的重要依據(jù)。可靠的預(yù)報結(jié)果,可以為快速、及時、有效地規(guī)避隧道施工風(fēng)險提供可靠的保障。

關(guān)鍵詞：海底隧道；公路隧道； TSP203+；超前預(yù)報；應(yīng)用

1工程概況

青島膠州灣海底隧道是一項規(guī)模宏大的海底穿越工程，是目前世界長度第三，我國長度第一的第二座大斷面海底隧道，隧道起自青島市西南端的團島，下穿膠州灣海域，連接黃島區(qū)東北端的薛家島，具備以城市道路功能為主兼具公路分流作用的雙向功能，是連接青島主城與輔城(黃島)的重要通道。隧道設(shè)計為雙向雙洞6車道，設(shè)計車速80 km/h，洞身總長約7.8 km，其中跨越海域段約4.05 km，隧道采用3孔隧道形式穿越海域，兩側(cè)為主隧道，中間為服務(wù)隧道。隧道沿線設(shè)通風(fēng)豎井兩道，車行橫洞8處，人行橫洞16處，以及各項運營管理設(shè)施，并預(yù)留市政管線敷設(shè)通道。隧道海域通行段海床覆蓋層厚度25.4～35.1 m，最大海水深度約42 m，最大開挖斷面170 m2，隧道圍巖施工分級Ⅱ～Ⅴ級，共穿越斷層破碎帶18條，全隧道采用鉆爆法施工。

2隧道洞身地質(zhì)概況

膠州灣海底巖性以巖漿巖為主，巖面風(fēng)化程度不均，弱風(fēng)化巖面起伏較大，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，場區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，隧道洞身通過斷層計有18條，由于位于海底，受勘探條件所限，洞身個別地段的斷層在勘察階段其性質(zhì)、產(chǎn)狀無法完全查明，隧道中斷層可能出露的位置僅是推斷。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和勘察報告反映，當(dāng)?shù)財鄬有再|(zhì)以壓扭性和張性斷裂為主，斷裂帶內(nèi)巖體多呈碎裂-鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，破碎帶、影響帶發(fā)育；受構(gòu)造影響，場區(qū)內(nèi)破碎巖和碎裂巖發(fā)育，破碎巖、碎裂巖強度低，呈帶狀產(chǎn)出，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖變化頻繁，在隧道內(nèi)具體出露位置難以確定，上述不利地質(zhì)條件在海域透水性較好的地段，隱伏了施工突發(fā)涌水的可能。同時，隧道位于半無限含水層中，基巖裂隙水直接接受海水的定水頭入滲補給，易引起塌方和涌水突泥等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重危及施工安全，為隧道施工留下了較大的隱患。

受海底勘探難度大和現(xiàn)有勘察技術(shù)水平的限制，膠州灣海底隧道開挖前不可能完全探明洞身斷層及各級圍巖的工程特征，這給施工帶來了相當(dāng)大的不確定因素，亦帶來了一定的風(fēng)險，為規(guī)避此類風(fēng)險，提前掌控海域段施工的難點、重點尤顯重要。

針對膠州灣海底隧道洞身跨度大，構(gòu)造、巖性復(fù)雜的施工重點、難點，洞身施工過程中為彌補前期地勘資料的不足，采取了超前地質(zhì)預(yù)報的措施。超前地質(zhì)預(yù)報工作主要是在兩側(cè)主洞之間的服務(wù)隧道進行，其特點是：服務(wù)隧道洞徑小，施工進度快，發(fā)現(xiàn)問題及時，有利于提前制定施工工藝和采取防護措施，帶動兩側(cè)主洞的施工。超前地質(zhì)預(yù)報工作是整個施工的龍頭，尤其是進入海域段施工后，是制訂各種風(fēng)險防范措施、安全措施、施工措施的基礎(chǔ)與依據(jù)，直接關(guān)系到總工期目標(biāo)能否安全如期實現(xiàn)，是膠州灣隧道建設(shè)成敗的基礎(chǔ)。

3超前地質(zhì)預(yù)報工作方法[1-4]

本隧道采用TSP203+(地震反射儀)進行超前地質(zhì)預(yù)報工作，并及時加強現(xiàn)場資料核對，補充完善勘察資料，及時指導(dǎo)主洞施工工藝、進度和防護。TSP203+的工作原理與工作方法如下。

3.1工作原理

TSP203+地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進行地質(zhì)預(yù)報。預(yù)報時，通過人工激發(fā)爆破產(chǎn)生的地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到不同地質(zhì)界面時，如斷層破碎帶、巖性分界線、大的節(jié)理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經(jīng)過短暫時間到達傳感器后被接收并被記錄主機記錄下來，然后經(jīng)專門的TSPwin物探分析軟件根據(jù)發(fā)射與反射之間的時間差、相位差、反射信號強弱程度、縱波與橫波的比率等進行分析處理。應(yīng)用處理結(jié)果，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和既有地質(zhì)資料，跟蹤觀測洞身地質(zhì)現(xiàn)況，就可以確定隧道前方及周圍地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如:不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶。TSP203+作為一種長距離的預(yù)報方法，可以在鉆爆開挖方式的隧道中使用，而且不必接近掌子面，預(yù)報距離可達掌子面前方100～200 m甚至更遠(yuǎn)。

3.2工作方法

TSP203+具體工作方法是在隧道一側(cè)邊墻沿一字線布置24個炮點，在隧道兩側(cè)壁鉆制兩傳感器孔(φ43 mm)，把環(huán)氧樹脂放置其中，之后將套管推進，并使之與圍巖緊密耦合。傳感器置入套管中，依次激發(fā)各炮，地震波在巖石中以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分信號反射回來，一部分信號折射進入前方介質(zhì)。反射的信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比，故能提供一種直接的測量。從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射回來的信號及直達波信號被高靈敏的三軸傳感器接受并記錄下來。工作時在隧道中進行數(shù)據(jù)采集的時間約為60 min。TSP203+超前預(yù)報原理和測點布設(shè)示意見圖1。

圖1　TSP203+超前預(yù)報原理和測點布設(shè)示意

4TSP203+預(yù)報結(jié)果的判釋[5-6]

4.1判釋方法4.1.1TSP203+預(yù)報結(jié)果的巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)TSP203+的現(xiàn)場工作成果，采用TSPwin軟件記錄出了巖體不同質(zhì)量級別的壓縮波(P波)和剪切波(S波)的全部波場，并計算出預(yù)報區(qū)域內(nèi)的巖石力學(xué)參數(shù)；波速、泊松比、彈性模量、抗壓強度等，見表1。

表1中泊松比、彈性模量、縱波波速是影響巖石基本質(zhì)量分級劃分的定量力學(xué)參數(shù)。泊松比為橫向應(yīng)變與豎向應(yīng)變之比，該數(shù)值的大小反映著巖石軟硬程度，其數(shù)值越大巖石越軟;彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變之比，反映著巖石變形的大小，其值越大變形越小;縱波波速反映著巖石的硬度與完整性，其值越大巖石越堅硬和巖石越完整。

表1　不同質(zhì)量級別的巖體物理力學(xué)參數(shù)

4.1.2巖體力學(xué)參數(shù)、方波曲線解譯圖與巖性的對應(yīng)關(guān)系

通過對隧道左、右線及服務(wù)隧道共計25次，累計3 200 m的TSP203+預(yù)報結(jié)果分析，根據(jù)與測量點距有對應(yīng)關(guān)系的縱波波速、泊松比、彈性模量等巖石參數(shù)數(shù)據(jù)處理生成方波曲線解譯圖。

隧道內(nèi)斷裂(節(jié)理)發(fā)育帶、巖體碎裂帶、侵入擠壓帶、完整圍巖段的巖體物理力學(xué)參數(shù)與方波曲線的組合經(jīng)開挖對比驗證，有如下對應(yīng)關(guān)系。

(1)波速下降、泊松比上升、彈性模量下降、密度下降，為斷層破碎帶(其中方波圖呈小段連續(xù)變化形態(tài)，表明該段巖體中斷裂或節(jié)理發(fā)育)。

(2)波速下降、泊松比下降、彈性模量下降、密度下降，為巖體碎裂帶。

(3)波速上升、泊松比上升、彈性模量下降、密度上升，為巖體侵入擠壓帶。

(4)波速均勻段、泊松比均勻段、彈性模量均勻段、密度均勻段，為完整圍巖段。

4.2預(yù)報結(jié)果判釋4.2.1初步判釋

在TSP203+判釋成果的“里程距離巖石參數(shù)方波曲線圖”上，同一里程下標(biāo)有對應(yīng)的縱波波速、泊松比、彈性模量曲線(方波)，從定性的角度可以看出預(yù)測段巖體縱波波速快慢的變化，泊松比大小的變化，彈性模量大小的變化，可依據(jù)方波曲線解譯圖，參考巖體物理力學(xué)參數(shù)，對前方巖體的好壞做出大致的判斷。

4.2.2精確判釋

精確判釋主要建立在對“里程距離巖石參數(shù)方波曲線圖”進一步分析的基礎(chǔ)上，通過對曲線的線性對比定性，參數(shù)取值定量進行如下比較。

(1)通過對4條方波線上下起伏變化段落的長短比較，判斷該起伏段落的巖體特征。

(2)通過對相鄰方波段的數(shù)值比較，可給出不同段落巖體強度差異的結(jié)論。

(3)通過對起伏段相對應(yīng)方波數(shù)值的定量分析，可得出該起伏段的巖體特征。

(4)通過與TSP203+判釋成果的反射面巖性參數(shù)表進行對比，可以較為準(zhǔn)確的劃分出每一方波長度內(nèi)的巖體基本質(zhì)量級別。

(5)分析結(jié)果經(jīng)過地下水、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響的修正后，可給出較為符合現(xiàn)場實際的隧道施工圍巖分級。

5利用巖石參數(shù)、方波曲線組合成果與開挖結(jié)果的驗證實例

5.1TSP203+地質(zhì)預(yù)報結(jié)果[7-11]

按照上述初判和精判的兩個步驟，對青島膠州灣海底隧道FK4+304～FK4+160施工段利用方波曲線解譯圖和探測段反射面巖性參數(shù)表判釋步驟如下。

5.1.1初步判釋

初步判釋主要根據(jù)方波曲線解譯圖進行，參見圖2。從圖2可看出：自FK4+304～FK4+160段的144 m范圍內(nèi)，曲線中各項指標(biāo)波動幅度較大，反映出巖性軟硬相間，巖體破碎整體性差的特征。

圖2　方波曲線解譯圖

(1)在曲線范圍內(nèi)的FK4+282、FK4+248、FK4+217，3處分別發(fā)育有明顯的結(jié)構(gòu)面，巖體較破碎，強風(fēng)化，強度低，含有泥質(zhì)充填的結(jié)構(gòu)面，整體性差，局部含裂隙水。

(2)FK4+182～FK4+160段內(nèi)圍巖整體性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，強度低，且局部含裂隙水，推斷此處為f4-4斷層破碎帶。

經(jīng)施工檢驗，采用TSP203+預(yù)報的本段巖石特性與掌子面開挖的巖石特性基本一致，為褐紅色凝灰?guī)r，圍巖總體完整性相對較差，強度相對較低，本段巖體波速參數(shù)變化相對明顯，反映出巖體完整性的變化，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，有泥質(zhì)充填夾層、有斷裂破碎帶，初判本段以Ⅳ級圍巖為主，較為符合現(xiàn)實。

5.1.2精確判釋

(1)方波曲線成果詳判

精確判釋是在初步判釋的基礎(chǔ)上，對FK4+282、FK4+248、FK4+217附近和FK4+186～FK4+160區(qū)間的方波曲線進一步研判，劃分出巖體特征區(qū)域和構(gòu)造區(qū)域，并根據(jù)反射面巖性參數(shù)表，逐一核實，通過合理解譯曲線，提出判釋成果，完成超前預(yù)報。

(2)圍巖力學(xué)參數(shù)

精確判釋階段，需要對預(yù)報段內(nèi)的圍巖力學(xué)參數(shù)依據(jù)“反射面巖性力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)”和相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)進行歸納整理，制訂出“反射面巖性力學(xué)參數(shù)表”(表2)，并結(jié)合初判對方波曲線的劃分，分析判斷洞身巖性、構(gòu)造情況，綜合提出預(yù)報成果。

表2　反射面巖性力學(xué)參數(shù)

(3)TSP203+超前預(yù)報成果解譯

通過圖1并借鑒表2的參數(shù)，可將預(yù)報段落分為5個區(qū)段并得出各段的地質(zhì)情況。

①FK4+304～FK4+248(56 m)段圍巖整體性差，巖體較破碎，強度低，含裂隙水；巖體物理參數(shù)平均值：波速3 783 m/s，泊松比0.27，密度2.24 g/cm3，彈性模量9.8 GPa，圍巖等級為Ⅳ級。異常點為FK4+282、FK4+248。

②FK4+248～FK4+226(22 m)段圍巖整體性與強度略有提高，局部巖體破碎，強度低，局部含裂隙水；巖體物理參數(shù)平均值：波速3787 m/s，泊松比0.28，密度2.24 g/cm3，彈性模量9.5 GPa，圍巖等級Ⅲ級。異常點為FK4+248。

③FK4+226～FK4+198(28 m)段圍巖整體性差，巖體較破碎，強度低，含裂隙水；巖體物理參數(shù)平均值：波速3788 m/s，泊松比0.28，密度2.24 g/cm3，彈性模量9.5 GPa，圍巖等級為Ⅳ級。異常點為FK4+217。

④FK4+198～FK4+186(12 m)段巖體整體性及強度較上段略提高，局部含裂隙水；巖體物理參數(shù)平均值：波速3 787 m/s，泊松比0.26，密度2.26 g/cm3，彈性模量10.7 GPa，圍巖等級為Ⅲ級。

⑤FK4+186～FK4+160(26 m)段圍巖整體性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，強度低，含裂隙水，推測該段位于斷層帶，為斷層f4-4，巖體物理參數(shù)平均值：波速3 715 m/s，泊松比0.25，密度2.24 g/cm3，彈性模量10.3 GPa，圍巖等級為Ⅳ級。

5.2隧道施工對TSP203+成果的驗證

膠州灣海底隧道FK4+304～FK4+160段洞身經(jīng)施工開挖驗證結(jié)果如下：

該段圍巖為褐紅色凝灰?guī)r，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，三組節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分別為190°∠65°、35°∠65°、55°∠53°，節(jié)理形態(tài)呈閉合貫通狀。從施工過程看：本段巖體大部分地段較破碎，完整性較差，自穩(wěn)能力較差，需要及時支護。考慮到支護結(jié)構(gòu)施工的連續(xù)性與工藝要求，對于在Ⅳ級圍巖中出現(xiàn)的個別Ⅲ級圍巖段落，長度在20 m左右的，采用偏于安全的Ⅳ級加強圍巖支護結(jié)構(gòu)。

(1)FK4+304～FK4+248(56 m)段圍巖整體性差，巖體較破碎，強度低，裂隙含水；圍巖等級為Ⅳ級，按原設(shè)計Ⅳ級圍巖支護。異常點FK4+282、FK4+248為結(jié)構(gòu)面。

(2)FK4+248～FK4+226(22 m)段圍巖整體性與強度略有提高，局部巖體破碎，強度低，局部裂隙含水，圍巖等級Ⅲ級，未變更，按原設(shè)計Ⅳ級圍巖支護。異常點FK4+248為結(jié)構(gòu)面。

(3)FK4+226～FK4+198(28 m)段圍巖整體性差，巖體較破碎，強度低，裂隙含水，圍巖等級為Ⅳ級，按原設(shè)計Ⅳ級圍巖支護。異常點FK4+217為結(jié)構(gòu)面。

(4)FK4+198～FK4+186(12 m)段巖體整體性及強度較上段略提高，局部裂隙含水，圍巖等級為Ⅲ級，未變更，按原設(shè)計Ⅳ級圍巖支護。

(5)FK4+186～FK4+160(26 m)段圍巖整體性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，強度低，含水，掌子面右上角出水量20～10 L/h，為斷層f4-4的破碎帶，圍巖等級為Ⅳ級，支護等級變更為Ⅳ級圍巖加強支護結(jié)構(gòu)。

從上述結(jié)果可看出：本段隧道洞身施工利用TSP203+超前預(yù)報成果，經(jīng)開挖后驗證，現(xiàn)場圍巖實際情況與判釋結(jié)論高度吻合，預(yù)報結(jié)果較準(zhǔn)確，起到了指導(dǎo)施工，防患事故，提前設(shè)防，安全保障的積極作用。

6結(jié)語

通過對TSP203+預(yù)報結(jié)果初判、精判與開挖現(xiàn)場的對比驗證，可以看出：地下工程合理利用TSP203+開展超前預(yù)報工作，可以較準(zhǔn)確進行完整圍巖、破碎圍巖和斷層破碎帶、巖體基本質(zhì)量級別的劃分。海底隧道使用TSP203+開展超前預(yù)報的意義在于：它是前期地勘工作在施工階段的重要補充和延續(xù)，也是設(shè)計變更的重要依據(jù)，能夠滿足前方較長段落在施工開挖前對前方圍巖特性的判斷，具有一定的借鑒和參考意義。以TSP203+預(yù)報為基礎(chǔ)，結(jié)合其他地質(zhì)預(yù)報手段，加強綜合分析和判斷，就能得到更為可靠的預(yù)報結(jié)果，從而為快速、及時、有效地規(guī)避隧道施工風(fēng)險提供可靠的指導(dǎo)。

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Qingdao Jiaozhou Bay Subsea Tunnel TSP203+Advance Prediction ApplicationMA Ruo-fei

(Gansu Railway Engineering Supervision Co., Ltd., Lanzou 730000, China)

Abstract：Qingdao Jiaozhou bay subsea tunnel engineering presents complicated geological conditions and structures, the hole body of the tunnel passes through 18 faults with broken rock bodies. To avoid improper engineering measures from triggering landslides and see water back flooding during the construction, advance geological forecast is of great importance. The undersea tunneling with the application of TSP203+technology, and the use of the special TSPwin geophysical analysis software to interpret and analyze the results of TSP203+to front-end geological advanced prediction, it has been verified by construction comparison that the prediction results conform to the actual situations. Underground engineering is reasonable to use TSP203+technology to predict in advance the completion, weathering, crushing and breaking of the surrounding rocks. I serves as supplementary and extension of geological exploration in the construction phase and as the important basis for design modifications. Reliable prediction results can rapidly, timely and effectively circumvent the risk of tunneling.

Key words：Subsea tunnel; Highway tunnel; TSP203+; Advance prediction; Application

中圖分類號：U459.5； U456.3+3

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.023

文章編號：1004-2954(2015)01-0091-05

作者簡介：馬若飛(1956—)，男，工程師，E-mail：294714373@qq.com。

收稿日期：2014-04-20； 修回日期：2014-05-06