复杂环境条件下海底隧道大断面钻爆法安全管控综合施工技术

孙 磊

(厦门路桥工程投资发展有限公司，福建 厦门 361000)

0 引言

厦门第二西通道(海沧海底隧道)是继翔安海底隧道之后厦门又一条更具难度的海底隧道，海域段穿越4处全强风化深槽，与海水连通，地质条件差，属岛屿型花岗岩地层，围岩裂隙较发育；陆域段长距离超浅埋下穿城市主干道近接既有建筑物，属原滩涂回填，海陆交界，与海水连通，地表管线众多，大断面隧道开挖过程中沉降控制难度大。海沧海底隧道不仅具有海底隧道的特点，又具有城市隧道的特点，水文地质条件复杂多变、技术难度大、安全风险高、邻近建筑物密集、交通导改、管线迁改难度大。本文根据海底隧道的特点，总结出了一套比较系统的海底隧道(海域段、陆域段)安全管控综合施工技术，重点强调了工程中全方位综合超前探测技术，先探后掘、重点布控，海域段硬岩到软岩如何保证工程安全，快速施工；陆域段超浅埋下穿城市主干道地表空洞探测，周边建筑物监测，建筑物的保护隔离措施，将施工对周边环境的影响降到最低。

1 工程概况

厦门第二西通道是穿越厦门西海域，连接海沧区和本岛湖里的重要跨海通道。项目起自海沧区马青路，以海底隧道形式穿越厦门西海域，在象屿码头附近进入本岛，以暗挖、明挖的组合形式下穿兴湖路、石鼓山立交主干道，上跨地铁I号线，最终在火炬北路与成功大道相交，并与在建的第二东通道相连。线路全长7.1km，其中隧道长6.3km，跨海域宽2.8km，全线设地下互通1处，风塔2座。采用双向6车道一级公路标准修建，设计车速80km/h。第二西通道结构横断面设计如图1所示。

图1 厦门第二西通道结构横断面设计

本工程具有地质条件复杂、技术难度大、安全风险高、近接既有建筑物等特点。

1)全隧道穿越海底4处全强风化深槽，隧道全断面下穿海底F1，F6风化深槽、1，2号风化严重区，地质条件差，与承压海水连通，安全风险高，施工工艺复杂，工序管控难度大。

2)隧道陆域段长距离超浅埋下穿城市主干道，重载车辆多，车流量大，且道路两旁建筑物密集，管线众多，设有160m世界最大断面(总开挖面积559.05m2)、变截面、不对称“非常规”双连拱隧道与明挖深基坑组成地下互通，施工难度极大。超大断面分部开挖设计如图2所示。

图2 超大断面分部开挖设计

3)考虑线形和平面位置因素，隧道近距离下穿疏港路高架桥、沿线两侧紧邻周边建筑物；超浅埋小净距隧道下穿兴湖路段滩涂回填区，建筑物与隧道开挖边界最小距离仅为6m，需有效控制爆破振动、开挖失水、卸荷对周边建筑物的影响。

4)厦门西海域属于国家白海豚自然保护区，对爆破施工要求高，同时陆域段紧邻周边建筑物控制爆破显得尤为突出。

2 施工总体方案

施工中，坚持“先探后掘、有疑必探”原则，以超前地质预报为手段，钻探、物探相结合，并利用孔内成像技术判断围岩地质情况，选择最佳的工法及支护参数，合理配置资源，合理组织施工。

1)针对海底风化深槽段，综合超前地质预报风化槽(囊)定位、施作喷射混凝土轻型止浆墙，采用全孔一次快速帷幕注浆技术实现了钻注分离、PVC注浆管全孔一次精准注浆的全断面注浆方式预加固围岩，钻孔判定注浆效果；中管棚与小导管联合超前支护，CRD法开挖，径向注浆补强；建立各项应急措施，如防水闸门，储备快速应急支撑模板，能够有效防止突泥涌水，保证施工安全。

2)采用三次衬砌类型(双初期支期、单二次衬砌)、复合式中隔墙设计有效消除了中隔墙接缝处渗漏水；中导洞+双侧壁开挖工法化大为小，分部开挖，双层工字钢初期支护紧跟施作，辅助复合地层局部精准全孔一次注浆加固地层，有效控制了沉降，降低了开挖风险。

3)采用控制爆破及光面爆破技术，使用数码电子雷管，将大断面化整为零、导洞超前、分块分步施工，减小炸药单次爆破量，以减少对海洋生态环境及陆域段周边建筑物的影响。同时对邻近周边建筑物段施工采取大直径灌注桩隔离、建筑物基础注浆加固、隔离桩与隧道间地表深层注浆，地表与洞内帷幕注浆相结合，分部开挖，确保洞内及周边建筑物的安全。

4)建立应急抢险预案和体系，实现安全、优质、高效施工，工艺流程如图3所示。

3 工程技术要点

3.1 综合超前地质预报

隧道开挖前严格按照“有疑必探，无疑也探，先探后掘”的预报原则，物探与钻探相结合，长、短距离相结合，地质雷达低高频相结合，多种超前探测手段，相互补充、印证。主要采用TSP、地质雷达(洞内、地表)、超前探孔与孔内成像技术、地面雷达扫描、地表钻探、原始区域地形地貌调查等方法和手段形成严密的超前地质预报体系，实现动态设计和信息化施工，尽可能避免隧道施工中坍塌、突泥涌水等。超前地质预报流程如图4所示。

3.1.1TSP超前地质预报

在隧道掌子面后方边墙上一定范围内布置1排爆破点，依次进行微弱爆破，利用产生的地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报掌子面前方及周围邻近区域的地质情况。具有适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、数据解译时间短的特点，能够较快掌握断层破碎带、软弱夹层等不良地质体相对于隧道的空间位置。

3.1.2超前探孔结合孔内成像

在已有地质预报的基础上，布设一定数量的超前探孔，一般≥3个，必要时可增加探孔数量，探孔施作时，拱部要有一定的仰角，进一步探明拱顶岩板厚度，两侧要有外插角，判定隧道轮廓线，探孔深度一般为30m，并进行孔内成像，直观清晰地掌握掌子面前方地层，并描绘地质纵断面，指导开挖施工；探孔有水时，测定出水量，并进行水质、水量监测。超前探孔预报纵断面如图5所示。

图5 超前探孔预报纵断面

3.1.3地表雷达探测

对洞内掌子面和隧道沿线地表及周边小区等进行定期雷达扫描，做到横向到边、纵向到底，同时辅助钻探手段，探明地下水囊、空洞等异常情况，提前处置，消除隐患。

3.1.4地表加密补勘

结合详勘、区域地形地貌，在隧道开挖范围内加密钻探，进一步摸清地层分布情况。

3.2 开挖施工

由于海沧海底隧道海域段处于高水压、裂隙发育、风化深槽等复杂地质环境，开挖爆破需对围岩振动破坏小，宜采用分部开挖工法、减振爆破技术，保持施工中围岩稳定安全。陆域段超浅埋下穿城市主干道，紧邻周边建筑物，围岩地层以全、强风化花岗岩为主，富水，开挖过程要防止失水、卸荷、爆破等引起建筑物的沉降变形，宜采用隔离桩进行建筑物保护，地表洞内注浆相结合，分层、分部开挖工法，步步成环，减少对周边建筑物及道路的影响。

3.2.1海域风化槽段施工

1)围岩判定、工法支护参数选择

根据先导洞超前施工揭示的区域围岩地质情况以及超前探孔孔内成像图谱结果，判定风化槽分布位置，先进行帷幕注浆，管棚超前支护，CRD分部开挖，辅助以控制爆破，减少对围岩的损伤。由I22b @50cm，φ8双层钢筋网@20cm×20cm，30cm厚C25喷射混凝土组成初期支护，复合式防水层，70cm厚C50高性能-环氧钢筋混凝土衬砌，如图6所示。超前支护采用L=10m，φ76mm×6mm@6m中管棚，环向间距30cm，配套加密小导管φ42mm×3.5mm@1m，环向间距30cm。

图6 CRD工法设计支护参数

2)开挖顺序、步序步距

首先要适时晒塘消灭有害生物。池塘鱼类起捕后，可把池塘的水放干，利用立冬至立春这段时间昼夜温差大，温度低的有利条件消除池塘的有害生物。因为大多数潜伏塘底的有害生物一般在冬日活动微弱，经不起冰雪严寒的侵袭而死亡。同时，经过冬天冰雪冷冻以及太阳曝晒，塘底泥沙土质会变得比较疏松，与空气接触后，有助于细菌活动，把池中的有害物质转化为以后养殖中的营养物质。

开挖顺序采用Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ。Ⅰ，Ⅲ部上台阶开挖整体超前，以主拱架为主、临时支撑为扁平支柱的受力对称，减少了结构受偏压的可能，整个上台阶同时受力，增加了基础承载面积，有效减小沉降；施工统筹规划管理，提高效率，加快施工进度。

监测数据显示，沉降和收敛主要发生在Ⅲ，Ⅱ，Ⅳ部开挖，为控制沉降变形，每部再分微台阶，台阶高3m左右，长3～5m，各部错开8～10m的步距，Ⅰ部与Ⅳ部步距控制在40m以内为宜，如图7所示。

图7 CRD工法各部步距控制

3)防水闸门

针对可能突发涌水的风化深槽及其他不良地质地段，开挖前在地质条件较好地段设置防水闸门。

3.2.2陆域软弱围岩紧邻建筑物段施工

3.2.2.1工程地质水文及周边环境

隧道陆域段下穿兴湖路主干道，紧邻周边建筑物，围岩地层主要为滩涂回填或严重风化岩，地下水丰富，与海水连通，覆盖层14～20.7m，与建筑物距离最小为6m，隧道穿越砂粒状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩。

3.2.2.2洞内施工措施

结合该区域围岩地层情况，拱顶覆盖层依次为杂填土、淤泥、粉质黏土，隧道开挖穿越砂粒状强风化花岗岩～碎块状强风化花岗岩，采用双侧壁开挖工法，洞内全程帷幕注浆。隧道支护参数如下。

1)双层初支 I22b@0.5m，双层钢筋网，30cm厚C25喷射混凝土；加强层：I16@0.5m，单层钢筋网，20cm厚C25喷射混凝土。

2)超前支护 双层φ42超前小导管，环向间距25cm，L=4m。

3)径向采用φ25防腐中空注浆锚杆，L=4，6m。

4)C50钢筋混凝土衬砌，厚度60cm。

3.2.2.3洞外建筑物保护措施

地表建筑物与隧道之间设置2排钢管桩、2排旋喷桩及1排大刚度钻孔灌注桩。对建筑物基础进行注浆加固，且对隧道周边进行地表深层注浆。隧道开挖过程中，根据监测情况动态调整施工，对建筑物基础进行跟踪注浆加固，确保建筑物稳定。

3.2.2.4洞内外注浆工艺

洞内双侧壁注浆主要以2个侧壁导坑为主；侧壁导坑上半断面侧壁全断面注浆,同时2个导洞注浆交叉覆盖中间导坑，中间导坑注浆根据开挖揭示需要，动态调整。

4 结语

1)由于海底隧道地质的复杂性，地质勘察无法做到详尽，准确，结合本项目所处的地理位置环境以及高风险、高敏感性、高复杂性等特点，必须依靠全方位的综合超前地质预报手段探明前方围岩地质，制定针对性的开挖支护方案，并采取一系列针对性的安全措施，使海底隧道工程施工始终处于受控状态。

2)超大断面浅埋暗挖隧道下穿城市主干道且紧邻周边建筑物施工，对建筑物采用隔离桩保护、地表深层注浆加固，数码电子雷管进行控爆开挖。建筑物的变形和爆速监测证明了本套技术的实用性，有效降低了开挖卸荷、失水、爆破振动对周边建(构)筑物的影响。

3)双侧壁开挖工法结合全孔一次快速注浆技术，各导坑注浆、开挖独立进行，较传统的各导坑掌子面开挖里程取齐后再进行注浆，提高了施工效率，降低了施工成本。