許士成 中鐵二局第二工程有限公司高級工程師

海底隧道暗挖施工國內(nèi)不鮮見，但如何安全、快速施工仍是值得研究的課題。本文通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超期預(yù)加固、新微臺(tái)階法的綜合運(yùn)用，解決了安全快速施工的問題。

1 工程概況

青島地鐵8 號線大洋站—青島北站過海隧道區(qū)間按單洞雙線設(shè)計(jì)，全長7.9 km（海域段約5.5 km），東側(cè)4 km 采用盾構(gòu)法施工，西側(cè)3.9 km 采用礦山施工，在西側(cè)海域段采用TBM 施工一條平行導(dǎo)洞增加正洞作業(yè)面，加快施工進(jìn)度。

西側(cè)礦山法段隧道開挖斷面約70 m2，海域段主要穿越F5、F6 斷層，其中F5 斷層破碎影響帶寬度約500 m，巖體破碎，軟硬不均。隧道埋深約45 m，上覆海水深5 ～6 m，地下水以基巖裂隙水為主，受海水直接補(bǔ)給，預(yù)測隧道涌水類型以滲水、線狀涌水（線流）和簾幕式涌水為主，涌水量11.26 m3/d·m，隧道涌水壓力小于0.5 MPa。大青區(qū)間（大洋站—青島北站過海隧道區(qū)間）海域段線路具體情況如圖1 所示。

圖1 大青區(qū)間海域段線路平面示意圖

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

綜合采用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆孔、孔內(nèi)成像等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，掌握掌子面前方圍巖地質(zhì)、水文情況，尤其是圍巖突變、富含水層等特殊情況，便于有針對性地采取措施。同時(shí)，將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和TBM 平行導(dǎo)洞揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行對比驗(yàn)證，以確定其可靠性。

2.1 TSP 法（圖二）

對隧道全長進(jìn)行探測，探測隧道圍巖的完整程度、地下水發(fā)育情況等，根據(jù)地層情況每次預(yù)報(bào)長度100 ～150 m，前后兩次預(yù)報(bào)搭接長度不小于30 m。如：TSP 探測位置為YDK42+333（從大里程往小里程端施工），范圍為YDK42+282.5 ～YDK42+132.5，從波形圖上可以看出YDK42+230 附近向小里程方向波速變低、圍巖密度變小、泊松比降低等，說明圍巖有明顯突變，由此可初步判定該段圍巖開始變差，因此需注意該處圍巖地質(zhì)變化[1，2]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

采用地質(zhì)雷達(dá)短距離精確探測的方法，每次預(yù)報(bào)的長度為15 ～30 m，兩次搭接長度不少于5 m。比如，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)里程為YDK42+237.6 ～YDK42+207.6（長30 m），從該探測數(shù)據(jù)圖上可看出，在前方5 m 后，發(fā)射波強(qiáng)烈，波形相對雜亂，說明圍巖明顯變差，驗(yàn)證了TSP 的探測成果。

2.3 超前鉆探

在隧道斷面靠上部采用鑿巖臺(tái)車打設(shè)3個(gè)超前探孔，孔徑70 mm。直觀探測前方地層及地下水發(fā)育情況，掌握掌子面前方地質(zhì)情況，每次預(yù)報(bào)長度30 m，前后搭接長度不小于5 m。比如，YDK42+232 ～YDK42+202 探孔打設(shè)后，3 個(gè)探孔均有較大出水量，對最大出水探孔進(jìn)行實(shí)測，出水量達(dá)84 L/min，同時(shí)安裝壓力表，水壓測定壓力為0.26 MPa。

2.4 孔內(nèi)成像

對斷層破碎帶及地質(zhì)復(fù)雜地段，在超前地質(zhì)探孔內(nèi)采用孔內(nèi)成像設(shè)備直觀觀測探孔內(nèi)圍巖情況。比如，YDK42+232 ～YDK42+202對全孔進(jìn)行錄像觀察，通過孔內(nèi)成像可清晰看出，從前方7 m 深處開始出水較大，至22 m深處開始水量漸小，如圖3 所示，9 m 深處有大量的水，而鉆孔到33 m 深時(shí)無水，可以看到巖石孔壁，但探孔孔壁裂隙較多，局部塌孔，圍巖較破碎。

圖3 探孔內(nèi)33 m 深處圖

2.5 超前導(dǎo)洞綜合印證

本工程中TBM 平導(dǎo)揭示的地質(zhì)情況可直接為正洞預(yù)報(bào)服務(wù)，但仍需與其他預(yù)報(bào)綜合判識。比如，物探和物探綜合表明YDK42+230附近圍巖變差，并在YDK42+225 附近開始出水量較大。查閱平導(dǎo)當(dāng)時(shí)的施工資料可發(fā)現(xiàn)，該段圍巖破碎，在對應(yīng)主線的YDK42+210 位置出水量較大，與預(yù)報(bào)揭露出水位置相差約15 m 距離。

圖2 TSP 二維反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖

3 超前注漿

3.1 超前注漿方法和適用條件

根據(jù)預(yù)報(bào)的圍巖破碎、水量、水壓情況，選擇對應(yīng)的超前注漿措施，3 個(gè)條件具備其一即可，比如，YDK42+232 超前鉆孔單孔最大出水量達(dá)到84 L/min，應(yīng)啟動(dòng)全斷面帷幕注漿，詳見表1[3]。

表1 超前帷幕注漿適用條件

3.2 主要注漿參數(shù)

注漿范圍為開挖輪廓線外放5 m，單次長度25 m，每次循環(huán)完成后預(yù)留5 m 作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤。采用鑿巖臺(tái)車打孔，注漿孔直徑76 mm，孔口用止?jié){塞加閥門。終壓注漿壓力不超過3.0 MPa。注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥液漿，水灰比1 ∶1，根據(jù)情況輔以超細(xì)水泥漿液補(bǔ)充注漿，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。注漿速率5 ～110 mL/min，可視具體情況進(jìn)行調(diào)整[4]。

3.3 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1 單孔注漿結(jié)束判定標(biāo)準(zhǔn)

單孔采用定量和定壓雙控。單孔注漿量超過設(shè)計(jì)注漿量1.5 倍后，壓力仍不上升可結(jié)束該孔注漿。單孔設(shè)計(jì)注漿量按下式計(jì)算：

式中：Q是注漿量，單位L；D是注漿范圍，單位m；L是注漿段長，單位m；n是巖層裂隙率；ɑ是漿液在巖石裂隙中的充填系數(shù)；η是漿液消耗率。定壓標(biāo)準(zhǔn)：滿足設(shè)計(jì)壓力值，穩(wěn)定注漿壓力10 min 且漿液注進(jìn)速度僅為開始進(jìn)漿速度的1/4 或進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)漿量的80%，可判定該孔注漿飽滿。

3.3.2 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

所有單個(gè)注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。按總注漿孔數(shù)量的5%～10%施做檢查孔，通過檢查孔檢查滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 效果檢測

隧道圍巖注漿后的檢查標(biāo)準(zhǔn)是：滲透系數(shù)小于1.5×10—5cm/s，單個(gè)檢查孔的涌水量小于0.15 L/min·m，初支表面局部滲水量要小于2 L/m2·d。檢測方法主要采取檢查孔及壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)法，必要時(shí)還可以進(jìn)行鉆孔取芯。

3.4.1 檢查孔視頻成像

通過打設(shè)檢查孔并采用孔內(nèi)成像，察看檢查孔成孔是否完整，是否存在涌水、涌砂、涌泥等，定性評定注漿效果。若單孔延米檢查孔涌水量大于0.15 L/min 或局部涌水量大于3 L/min 時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充鉆孔注漿，再次注漿直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

3.4.2 滲透系數(shù)法

通過壓水試驗(yàn)對注漿后巖層的滲透系數(shù)進(jìn)行檢測。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算注漿后地層的單位吸水量和滲透系數(shù)判斷注漿對圍巖的加固效果。

鉆設(shè)4 個(gè)孔，孔深22 m，直徑75 mm，壓力采用5 點(diǎn)法進(jìn)行，其水壓力設(shè)計(jì)值分別為0.1 MPa—0.2 MPa—0.3 MPa—0.2 MPa—0.1 Mpa 分級進(jìn)行，調(diào)節(jié)注漿回水閥使注漿壓力盡量接近各階段設(shè)計(jì)值，或使設(shè)計(jì)壓力居于壓力變化范圍，每5 min 或2 min 記錄一個(gè)流量，當(dāng)流量達(dá)到穩(wěn)定要求（5 次計(jì)數(shù)的相對流量差小于10%，或絕對差小于1 L/min），即可進(jìn)行下一級壓力的試驗(yàn)。滲透系數(shù)計(jì)算如下：

式中：K 是滲透系數(shù)，m/d；Q 是壓入流量，m3/d；H 是試驗(yàn)水頭，m；L 是試驗(yàn)段長度，m；r0是鉆孔半徑，m。

3.5 注漿工效

用DW2—100 型兩臂鑿巖臺(tái)車（150 kW）鉆孔，2TGZ—10 型號注漿泵（18.5 kW）注漿，采用全孔一次性注漿。過斷層破碎帶雙線一共進(jìn)行了12 循環(huán)注漿，其中局部斷面注漿6 次，周邊帷幕注漿4 次，全斷面2 次，局部斷面、周邊帷幕、全斷面帷幕注漿每循環(huán)設(shè)計(jì)鉆孔分別為45 個(gè)、74 個(gè)、81 個(gè)，詳見表2。

表2 F5 斷層破碎帶內(nèi)帷幕注漿統(tǒng)計(jì)表

4 微臺(tái)階開挖

4.1 臺(tái)階設(shè)置

臺(tái)階高度4.8 m（隧道開挖全斷面凈高為8.3 m），上臺(tái)階長度3.0 ～5.0 m。

4.2 精準(zhǔn)爆破

4.2.1 上臺(tái)階底板兩側(cè)部位炮孔精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

上臺(tái)階兩側(cè)底角炮孔總是存在圖4 的位置關(guān)系，故該位置鉆孔要適當(dāng)加密并減弱孔內(nèi)裝藥量，用微差技術(shù)控制底角孔的爆破質(zhì)量[5]。編號3 顧及到周邊光面爆破效果，同時(shí)滿足孔2、3、4 三孔構(gòu)成近似的等邊三角形，圖示起爆順序最佳?；诖耍? ～4、孔3 ～4 間距介于50 ～65 cm，計(jì)入外插值后孔底間距65 ～80 cm。根據(jù)本設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)作圖法計(jì)算后可知，底角孔4 承擔(dān)的爆破體積僅是中間底板孔的35%，而2 號孔僅是底板中間孔的50%。

圖4 底角邊孔正確起爆順序圖

4.2.2 下臺(tái)階特殊孔精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

要求邊墻的周邊孔首個(gè)孔離臺(tái)階第一排孔的高度控制在30 ～40 cm 的位置，如此在10 號孔爆破后，非常自然地保持拱腳不受到大的破壞。為形成穩(wěn)定的平臺(tái)，禁止同段逐排設(shè)計(jì)爆破網(wǎng)絡(luò)，尤其是低段同段網(wǎng)絡(luò)，如圖5。邊孔1 將加重破壞上臺(tái)階邊角部位的松馳范圍。因此，該新微臺(tái)階開挖方法成功使用的關(guān)鍵之一，是上臺(tái)階的底板精準(zhǔn)爆破，從布孔到裝藥結(jié)構(gòu)，確保爆破效果及臺(tái)階的穩(wěn)定性。

圖5 下臺(tái)階邊孔精準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖

4.3 開挖進(jìn)度及爆破效果

IV1級圍巖月進(jìn)度約70 m，IV2級和V 級圍巖月進(jìn)尺約45 m。通過優(yōu)化微臺(tái)階爆破參數(shù)，爆破效果明顯提升，尤其是拱架懸空及臺(tái)階完整性問題得到了解決。

5 結(jié)語

對過海隧道斷層破碎帶復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行研究，并通過綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前帷幕注漿、新微臺(tái)階的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)安全快速施工，得出了以下結(jié)論。

（1）采用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法探明前方圍巖地質(zhì)條件，尤其是水量情況，然后采取有針對性的加固措施，確保不出現(xiàn)不可預(yù)見的坍塌、涌水等大的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）采用超前帷幕注漿措施，對掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖止水，確保開挖時(shí)不因掌子面出水破壞圍巖的穩(wěn)定性。

（3）圍巖穩(wěn)定性較好條件下，超前帷幕注漿主要目的是止水，實(shí)際施工中可根據(jù)出水情況對設(shè)計(jì)注漿壓力、鉆孔布置和數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化，以提高工效，降低成本。

（4）通過新微臺(tái)階工法，實(shí)現(xiàn)臺(tái)階的完整性，解決了上臺(tái)階拱架懸空問題，保證了臺(tái)階的穩(wěn)定性，保障開挖支護(hù)期間的安全。