厦门东通道海底隧道暗挖施工中的主要技术

二、厦门东通道海底隧道暗挖施工关键技术（一）工程地质及水文地质1地形地貌厦门东通道海底隧道长度5900米，起点里程ZK6+600，终点里程ZK12+500。其中海面宽度2860m，最大水深29m。隧道轴线地表区域分布见表2-2。隧道区域分布表2-2五通岸陆地五通岸潮间带海域西滨潮间带西滨陆地K6+600K7+800K7+800K8+280K8+280 K11+140K11+140K12+200K12+200K12+5001200m480m2860m1060m300m该区地貌主要为以下三种类型：陆域地貌、岸滩带地貌和海域地貌。陆域地貌主 要由海蚀台地及海积平原组成，海蚀台地面波状起伏，多为基岩残丘，坡度平缓，略 向海倾斜。岸滩带地貌主要包括西南端五通岸和东北同安岸，西南端五通岸属于开敞 海湾淤泥质问夹基岩海岸，高潮带为狭窄砂滩，局部为岩滩，滩宽1020m，由粗中 砂组成，坡度46 ；中潮带为含泥质沙滩，滩宽200300m，滩面上常有风化壳红 土出露，坡度12 ；低潮带为粉砂质泥滩，滩宽600m，时有礁石出露，坡度2； 东北端同安岸属于淤泥质间夹台地土崖海岸，高潮带为沙滩，滩宽2030m，由含砂 砾的中粗砂组成，坡度46 ；中低潮带为砂质泥质和淤泥滩，一般有向低潮带变细 的趋势，潮滩涂泥明显，滩面上凸，浮泥层厚，大片潮滩已经辟为养殖场。海域地貌 中，海域内水深029m，海底为水下浅滩，浅滩总体上向东南港湾口方向和缓倾斜， 倾斜坡度15，海底常有高低不等的暗礁分布。海底浅滩表层主要分布砂-粉沙-粘 土、粉砂质泥和泥质粉砂。海底西南五通一侧，海底地形起伏较大，最深高程-29m， 最高处已经突出海面34m，局部形成相对较深的海底沟槽。2地质构造厦门地区所处大地构造单元为闽东中生带火山断拗带（二级构造单元）之闽东南 沿海变质带（三级构造单元）。本三级构造单元内，对测区地质构造具有控制意义的断 裂构造为长乐-诏安断裂带和九龙断裂带。长乐-诏安断裂带由一系列走向NE，近于 平行、长度不等的断裂组成，断裂带宽3858m，延伸长度450m左右。该断裂带上 地震活动较弱，历史上只发生过3级左右地震，该带多数断层最新活动年代为中更 新世，少数与NW向断裂相交，最新活动年代到晚更新世早期。九龙江断裂带，走 向NW-NWW，倾向SW或NE，由23条次级断裂组合而成，120m以上，沿断裂带， 地热异常，发生过多次56.5级地震。厦门岛及其临近海域地质构造以断裂为主，主 要包括厦门东侧水道断裂、厦门西港断裂、文灶断裂、虎尾山断裂和海沧南一钱屿断 裂。这四处断裂除海沧南一钱屿断裂近期仍有活动外，其他断裂自晚更新世以来，未 见活动痕迹。因受区域地质构造的影响，局部地段节理、裂隙比较发育，且有断层或 其影响带存在。3地层岩性数期地质调绘和钻探揭示，勘察场区隧道穿越地层主要为第四系覆盖层及燕山期 侵入岩两大类。（1）第四系地层第四系地层以侵入岩残积土为主，其次为上更新统冲洪积或冲坡积，以白色基调 为主的粘性土（俗称白土）和粘土质砂，少量全新世冲坡积或海积砂土、粘性土、淤 泥等。侵入岩残积土水平方向较为均一，垂直方向则显示出不甚明显的分带现象，本 区残积土一般可分为上、中、下三个带，即棕红色粘土带、棕红杂灰白花斑色亚粘土 带，灰白色砂质或砾质粘性土带，此类土在丘顶处薄，丘体边缘较厚，厚度一般5 15米。上更新统白土主要分布于丘间坳地，层厚变化大，最厚处可达20米左右。全 新统主要分布于海域及堆积潮滩地带，少量分布于丘间洼地表部。（2）基岩场区基岩以燕山早期第二次侵入的花岗闪长岩及中粗粒黑云母花岗岩为主，其内 穿插二长岩、闪长玢岩、辉绿岩（玢岩）等岩脉。基岩按风化程度可分为全、强、弱、 微四个风化带，各带特征如下： 全风化带（W4）：全风化花岗闪长岩及黑云母花岗岩一般呈棕黄灰黄色，含 灰白色及褐色斑点，岩体已呈砂质粘土或砂质亚粘土状；全风化辉绿岩为灰黄含黑褐 色细纹，呈硬塑半十硬粘土状；全风化闪长岩为灰黄浅黄色，岩体呈硬塑粘土状； 全风化闪长玢岩多为紫红含灰白斑点，呈硬塑半干硬呈粘土状。全风化带的厚度两 岸一般为1030m，海域变化很大，构造破碎带内仍可达30米左右。 强风化带（W3）:花岗闪长岩及黑云母花岗岩强风化带呈棕黄灰黄色，从上 至下一般由砾质粘性土 -泥质砂砾石土 -稣脆岩体过渡，中下部常有大小不等的 弱微风化球状残余体，辉绿岩、闪长岩、闪长玢岩等脉岩强风化带为棕黄色，呈坚 硬土极软岩状，风化差异不及前两者明显。强风化带分布于全风化带下，但海域缺 失全风化岩体处往往还有强风化岩体，故强风化带分布范围比全风化带广，该风化带 顶界高程一般低于-10米，厚度一般小于15米，构造破碎带内可达30米以上；在个 别风化深槽内，其底界可深至-70米以下。 弱风化带（W）：该风化带的主要特征是岩体被较多风化裂隙切割，风化裂隙2一般追踪构造裂隙或原生节理发育，部分追踪低倾角卸荷裂隙，裂隙两侧数毫米数 厘米范围内的矿物风化成黄色，部分裂隙内充填物或胶结物已风化为泥，岩块大部仍 保持原岩特征，仅边缘带变软。该风化带为强风化与微风化的过渡带，厚度一般不超 过5米，局部追踪构造破碎带可达很深部位。 微风化带（W1）:花岗闪长岩及中粗粒黑云母花岗岩为灰白色，后者常见暗色 包体；辉绿岩脉呈灰绿色，石英岩脉呈白色，二长岩脉呈淡黄色，闪长玢岩呈灰黑色， 钻孔未揭示其他脉岩新鲜岩体，上述微风化岩石均属硬质岩类，岩脉多沿高角度构造 裂隙侵入，两者界面多很规则，熔融现象不明显。微风化带顶界形态主要受构造控制， 岩体完整地带其顶界较平缓，构造破碎或裂隙发育带则顶界变化很大。场区基岩微风 化顶面多处于0-55米之间，少数风化深槽处低于-70米。 微风化破碎带（f）:颜色与原岩基本相同，岩体被三组以上构造裂隙切割， 裂隙间距小于20cm，岩体被割成碎石状，岩质仍较硬，少量数裂隙内存在碎屑物， 一般呈高角度带状产出。4水文地质条件（1）地下水类型根据地下水含水层所处的位置不同，场区地下水可分为陆域地下水和海域地下水 两大类。第一类为陆域地下水：陆域地下水主要指陆域范围内地层中的地下水，据其不同 的赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙、裂隙水、基岩裂隙水三种，其中松 散岩类孔隙水赋存于第四系残积层中，风化基岩孔隙、裂隙水赋存于基岩全、强风化 层中，基岩裂隙水赋存于基岩的风化裂隙及构造裂隙中；陆域地层中无明显的含水层 与隔水层（除可能存在的富水性好的基岩破碎带外），均为弱富水，渗透性较差，为 弱或微含水层。陆域地下水主要受大气降水的补给，就近向低洼地段排泄，总体上属 于潜水，局部洼地因上覆土层中含大量高岭土的粘土相对隔水层，地下水具承压性。第二类为海域地下水：海域地下水主要指海域范围内地层中的地下水，据其不同 的赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙、裂隙水、基岩裂隙水三种，其中松 散岩类孔隙水赋存于第四系全新统海积层中，风化基岩孔隙、裂隙水赋存于基岩全、 强风化层中，基岩裂隙水赋存于基岩的风化裂隙及构造裂隙中；海域地层中除海积的 砂层及可能存在的富水性好的基岩破碎带外，无明显的含水层与隔水层，总体上富水 性弱，渗透性较差，为弱或微含水层；海域地下水主要受海水的垂直入渗补给，受海 水压力的影响，地下水具承压性，根据埋深条件，隧道位置最高水压力可达0.7Mpa。（2）地下水动态及补、迳、排条件陆域地下水：大气降水是陆域地下水的主要补给源，低洼处孔隙水除受大气降水 的直接入渗补给外，还受侧向迳流的补给。局部受岩性影响略具承压性。松散岩类孔 隙水除蒸发、人工抽取外，多排向沟溪、河流、入海，少部分入渗补给下部弱含水岩 组。海域地下水：主要受海水的直接垂直入渗补给，根据海域钻孔抽水试验之前的地 下水静止水位与潮水位同步观测结果，海域地下水静止水位略低于潮水位，但受不同 的海域范围内含水层渗透性差异的影响，海域地下水的水位变化与潮水位的涨落潮时 间并不完全一致，当含水层的渗透性很小时，地下水水位变化滞后于潮水位，而当含 水层的渗透性稍大时，地下水水位变化与潮水位基本同步。陆域地下水与海域地下水之间存在一条过渡带，受潮汐的涨落影响，当海水处于 高潮位时，海水向陆域渗透，补给陆域地下水，反之，陆域地下水向海域排泄。（3）岩土层渗透系数花岗岩全、强风化层渗透系数较接近，变化区间为0.028-0.095m/d，全、强风 化岩层岩性均质性较好，地下水动态变化相似。基岩裂隙水，弱、微风化含水岩组中 的渗透系数则变化较大，其变化区间在0.002-0.13m/d间，该含水岩组地下水活动严 格受裂隙的张开度、连通性的控制。因该层的裂隙多为陡倾角裂隙，且张开性、连通 性存在各地段不尽相同的情况。（二）关键性技术钻爆法施工对山岭隧道来说，是一项非常成熟的施工方法，在比较复杂的条件下， 有许多成功的先例。该技术扩展到城市地下工程，形成了我国特有的浅埋暗挖施工法。 同时，用于水底隧道工程，也成功地修建了多条越江（河）隧道，例如南水北调越江 隧道和湖底隧道。但是，像厦门东通道在广阔海域底部修建大断面海底隧道，在我国 还属首次。正如预可报告中所述，还有不少技术问题需要解决。厦门东通道海底隧道地质情况复杂，施工难度较大，需要在施工前广泛调查国内外海底（水底）施工状况 （见表2-1），并结合厦门东通道的工程特点，分析及研究在东通道施工中即将遇到的 一系列关键性技术问题。唯有如此，才能制定出正确的施工预案及研究出切合实际的 突涌水防治对策。厦门东通道海底隧道暗挖施工中存在着以下关键性技术问题。1、综合性超前地质预测预报技术隧道工程地质条件具有较强多变性和不可确定性，而海底隧道施工更是一项高风 险的建筑工程。因为不可能以地貌来预测海底断层等不良地质现象，海上钻探又十分 困难，因此，要准确探明海底地质情况并预测隧道穿越段的地质情况并非易事。为了 保证海底隧道施工的安全性和减少突发灾害事故的发生，必须在海底隧道施工的过程 中，对隧道开挖前方的地质条件进行经常性的综合探测，同时对数据的分析和应用必 须达到信息化和动态化。日本青函海底隧洞（53.850Km）成功的经验之一就是以综合于 段做了大量的施工地质预报工作，确保了施工安全，确保了工期。东海道隧道地质复 杂，工期紧（48个月），最键性的技术问题就是做好施工期的综合超前地质预报，信 息化指导设计与施工。厦门东通道为减少隧道长度，降低工程造价，预可阶段确定隧道从弱风化、微风 化岩下15m穿越，这是基于微风化岩体的完整性及覆盖层的均匀性，但如果在基岩 中出现裂隙及破碎带，或强、全风化带位置不准，隧道进入以上地带，海底约70m 高的水头压力，将造成大的涌水和坍方。在初步设计阶段，地质勘察进一步揭示出，在隧道周围存在着五大断裂构造，受 四周断裂构造及风化槽的影响，隧道开挖范围内可能发育有少量较小规模的断裂构造 和断层破碎带，同时还具有一定线性规律的风化深槽，海底存在3条强基岩风化浮槽 和4号风化囊，基岩覆盖层厚度为15m左右，其上水深约2530m，施工中由于海 水通过节理、裂隙渗透，沿着断层破碎带流动时，会对隧道安全产生较大的威胁，将 增加发生坍方及涌水、突泥的危险性。因此应加强施工过程中的综合性地质超前预测、 预报技术，作为勘察地质资料的补充，并在较为准确的掌握了前方的地质情况后，才 能合理的确定施工方案和制订施工对策。国内外部分钻爆法修建（拟建）海底隧道_览表表隧道类型建成 时间长度最深点埋深（m）相邻隧道间距修建国横断面积1关门（铁路）隧道铁路隧道19423.6km-40m最小9.5m日本76.92关门（公路）隧道双线公路19583.4km-50.1m最小20.7m日本95m23新关门隧道铁路隧道197418.71km-50m68.5 m日本74m24青函隧道铁路隧道199853.85km-140m最大240m, 平均100m日本37m2 (服务109.48m25Forsmark1输水隧道19852.3km-75m瑞典80m26Forsmark2输水隧道19852.3km-75m瑞典80m27(AlesundEllingsoy)二车道公路 隧道19873.49km-140m最小40m挪威68m28(EllingsoyValderoy)二车道公路 隧道19874.17km挪威68m29Ellingsoy公路19873.5km-140m挪威68m210Valderoy公路19874.2km-137m挪威68m211Kvalsund公路19881.5km-56m挪威43m212Godoy公路19893.8km-153m挪威48m213Flekkeroy公路19892.3km-101m挪威46m214Hvaler公路19893.8km-120m挪威45m215Nappstraumen公路19901.8km-60m挪威55m216Maursundet公路19902.3km-93m挪威43m2国内外部分钻爆法修建（拟建）海底隧道一览表续表2-1手号隧道类型建成 时间长度最深点埋深（m）相邻隧道间距修建国横断G17Fannefjord公路19902.7km-100m挪威43m18Byfjord公路19925.8 km_223m挪威70m19Mastrafjord公路19924.4km-133m挪威70m20Freifiord公路19925.2km-130m挪威70/521英法海峡隧道服务通道199349km-100m 2：170m，平均40m15m英国、法国36.122英法海峡铁路199349km-100m2170m平均40m15m英国、法国95.523Tromsoysund公路19943.4 km-101m挪威2x5r24Htira公路19945.3km-267m挪威70m25Troll输水19953.8km-260m挪威66m26斯多尔贝特大海峡隧道铁路拟建18 km-75 m平均20m丹麦56.727渤海海峡海底隧道六车道公路 隧道拟建118 km-86 m30m中国150 :28黄河隧道试验洞输水隧洞1988499.5m7.8注：国内钻爆法施工穿越黄河及其它河流的军用隧道多条，无法收集到资料。2出入口、浅埋段软弱围岩坍塌及大变形防治技术依据本隧道水文地质和工程的特点，主要工程风险在于施工期间坍塌发生在进出 口段、浅埋段（即弱风化围岩厚度忍一倍洞径段）。厦门东通道出入口段埋深仅 2030m，属浅埋隧道，且处于第四纪残、坡积和全风化岩层中，为围岩软弱。在软 弱围岩地带，隧道开挖前的地层是处在相对静止状态，原始应力保持平衡，隧道开挖 后，原来受力的岩体被部分取走，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，将会出现围岩 的变形和围岩中的应力重分布，并且力图达到新的平衡。但由于岩体强度很小，不能 承受急剧增大的周边应力而产生塑性变形，松动区逐渐向外扩散，深埋地层扩大到一 定的距离则会形成稳定的坍落拱，浅埋隧道则由于埋深有限，难以形成承载拱，并受 表层软弱堆积物、风化带等对隧道开挖的影响，将会出现地表下沉急剧增大，地表开 裂等变异，也会出现因工作面不稳造成隧道结构整体位移而发生坍塌的现象。故应及 时采取支护和地层加固措施，控制浅埋段软弱围岩坍塌及大变形，确保施工安全。 3潮间带、断层破碎带及海底风化槽突水涌泥防治技术厦门东通道海底隧道是我国第一条海底隧道，双向六车道设计，计算行车速度 80km/h，工程地质条件较好，海域部分基本位于微风化花岗岩地段，不良地质段所占 比例较少，但穿越几处风化深槽，在施工中有发生坍塌和突涌水的可能。依据本隧道 水文地质和工程的特点，主要工程风险在于施工期间坍塌、高压突涌水发生在海域段 深槽（特别是工作面和深槽与弱风化围岩成N90。交角结合面地段）和F4断裂带处 风化囊。隧道通过潮间带和、断层破碎带及海底风化槽时，上覆土层较浅，岩层软弱 破碎，一旦施工扰动过大，隧道顶部高水压容易将隧道覆盖层击穿，从而发生坍塌， 突水、涌泥。而海底隧道与一般山岭隧道最显著的差异就是涌水源是无限的海水，必 须止水。因此应对软弱地层进行预加固等防治技术研究。从类似条件隧道的施工经验 看，应重点研究全断面注浆、帷幕注浆、径向注浆等注浆方案的实施条件、材料、参 数、工艺、机具设备及效果检验和评价标准，此外还应研究控制爆破技术、爆破震动 控制标准，结构受力和变形规律、安全基准及控制措施。4海底隧道基岩裂隙水防治技术据地质资料，厦门东通道弱、微风化含水岩组中的渗透系数变化较大，其变化区 间在0.002-0.13m/d间，充分说明该含水岩组中地下水活动严格受裂隙的张开度、连 通性的控制。因该层的裂隙多为陡倾角裂隙，且张开性、连通性存在各地段不尽相同 的情况，有些裂隙虽然较发育，但若为闭合裂隙时，岩层的渗透性极差，有的裂隙虽 然发育段不长，但裂隙多为张开性，岩层的渗透性相对较好，涌水量亦较大。并且由 于海底隧道设计为中间低的纵坡，坡度为3.5%，较大的基岩裂隙水对施工期间和运 营的排水均极为不利。施工期间底层渗漏水和施工用水需要通过抽排出动外，施工期 间渗水两过大，将会影响到施工进度和工作干扰。如果工作面积水或抽排不及时将会 直接影响人员和机械操作。围岩渗水也影响到机械运转，供电照明等因素。同时，仅 靠抽排系统运转，将会加大抽水能力的负荷，影响涌水带的应急应变能力。在隧道修 建后，运营排水则主要考虑机械排水费用，若裂隙水较多，机械排水将是一笔不小的 费用。因此为了保证隧道施工安全，降低运营时排水费用，应对基岩裂隙水进行封堵， 应深入研究海底隧道施工过程中的基岩裂隙水的封堵方法、封堵材料及施工工艺。5海底长大隧道快速掘进技术厦门东通道隧道全长5900米，其中海域部分3000余米，如果仅从海底隧道出入 口两端向中间施工，将会作业时间长，总体进度慢；有条件的话则可在两岸陆域和海 域结合部增设工作竖井或斜井，以增加施工工作面，从而缩短整个工程施工时间。钻爆法修建海底隧道的一个重大的缺点就是施工速度难以大幅度提高。海底隧道 限于不能用增设竖井或斜井的方式增加工作面，因此，施工速度成为钻爆法施工与其 它施工方法相比较时的一个弱点，目前单线铁路隧道在围岩条件较好时钻爆法施工速 度能达到单工作面150m250m/月，围岩地质条件较差时，每月只能掘进到几十米。 因此在海底复杂地质情况下长大隧道施工时应考虑快速施工。常规的隧道快速掘进施工方法是：一般利用平行导坑小断面快速掘进，在超前正 洞一定距离后，以横通道的方式拐入正洞开创新的工作面，新的工作面亦可以全断面 的方式进行正洞掘进、亦可以小断面的下导坑快速掘进，然后进行全断面扩挖。由于 扩挖与下导坑属于平行作业，小导坑掘进不占用循环时间，扩挖时钻眼量少，使得循 环时间短；另外，更重要的是小导坑为扩挖部分创造了良好临空面，不需要掏槽，可 以说眼有多深，爆破进尺则有多大。故使用扩挖法时隧道掘进速度比全断面法掘进要 快。快速掘进还需要在施工中运用光面爆破技术控制超挖量、配备大型凿岩机械、高 效率的装运机械、大容量喷射机及装、运、衬设备，同时应加强围岩与支护结构变形 受力变形监测，并建立反馈体系，实现信息化快速施工。6海底隧道安全施工技术由于海底修建隧道的特殊性，且东通道在深海和潮间带暗挖长度达到3520m，隧 道跨度达16m，高度约为11m，如此大跨度的两孔长隧道修建在我国隧道建设史上还 不多见。隧道施工过程中，海底隧道施工中主要的安全隐患主要有：突水、涌泥、坍 塌、通风、排水、照明、火灾等，这就需要深入研究安全施工及防灾、救护技术，主 要包括：防坍、防突技术、快速堵技术、通风、排水应急方案、电力供应及照明、通 信系统配置、快速控制火源的消防技术、安全防护门设置、逃生路线、不同灾变条件 的应急对策和救护方案，此外应研究洞内安全监控体系，通过高度自动化的连续、跟 踪、系统监测，以及时发现安全隐患，制订应急对策并快速组织实施，以确保施工安 全。