【52监测网】第176期 大断面海底隧道施工风险分析
 52监测网专家报告分享-第176期 《大断面海底隧道施工风险分析》 林树枝 厦门市交通运输局 内容介绍 海底隧道施工工法 1）钻爆法用钻眼爆破方法开挖断面，将整个断面分部开挖至设计轮廓，随后修筑衬砌。采用钻爆法施工的海底隧道有厦门翔安、海沧海底隧道、青岛胶州湾海底隧道等。 2）沉管法是在水底建筑隧道。将若干个预制段分别浮运至海面现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内。香港多条海底隧道采用沉管法施工。 3）掘进机法简称TBM法，是用特制的大型切削设备，将岩石剪切挤压破碎，然后，通过配套的运输设备将碎石运出。英吉利海峡隧道采用掘进机法开挖。 4）盾构法利用盾构机械在地中推进，在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过盾构外壳和管片支承四周围岩，最终形成隧道结构。日本东京湾海底隧道采用盾构法施工。 厦门的工程地质状况 根据地质勘察报告，厦门地层主要有人工填土层、第四系冲洪积层、坡积层、残积层，以及燕山晚期中粗粒花岗岩。下伏岩层主要为凝灰熔岩及花岗岩；中风化凝灰熔岩饱和抗压强度31.6~34.1MPa，微风化凝灰熔岩饱和抗压强度54.0~123.3MPa；中风化花岗岩饱和抗压强度38.5~86.3MPa建议值为60Mpa，微风化花岗岩饱和抗压强度78.8~210MPa。花岗岩残积土及全、强风化层有遇水易软化、崩解的特性。 地下水主要赋存于粗砂层，以及下部残积土、全风化、强风化岩的孔隙、裂隙中。在粗砂层为承压水；在残积土和风化带基岩中为潜水~微承压水。地下水主要接受大气降水、相邻含水层的侧向补给和渗流。 海底隧道工程主要怕地下水、怕软弱土层、怕土体变形。厦门诱发这些不良地质条件的情况恰恰都存在，地下水位高，存在砂土液化、软弱土层，还有风化岩及残积土、花岗岩类球形风化体等情形。而且，在粗砂和残积土层中含有水量丰富。
孤石问题 软弱地层存在大量的形状各异、大小不一、强度不等的孤石和隆起基岩，这些孤石和突出岩石将给盾构施工造成极大的困扰。掘进效率低，刀盘刀具磨损严重，易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等，还会造成隧道轴线偏离。
若土质松软，固定不住孤石，不能产生足够的破碎反力，孤石就会随着土体的破坏而移动或被刀具弹开，或会在刀盘前面循环，增加对土体的扰动，造成地表沉降过大等安全隐患。 厦门跨海隧道的工程特点 ◇ 过海区间隧道，断面大、穿越海域长度长； ◇ 隧道埋深大，埋深最深约70m，隧道承受水压力大。穿越海域水深最大约25m； ◇ 隧址周边环境复杂，陆域地面管线密集复杂，部分陆域为填海造地形成；
◇ 区间下穿海域，地质条件复杂多变（砂层、粘土、全风化、强风化、风化深槽、高强度微风化），风险控制难度大； ◇ 钻爆法段长距离掘进，施工组织难度大；工期紧；海域不可预见因素多，工期控制难度大； ◇ 隧道为海洋氯化物腐蚀环境，耐久性要求高； ◇ 区间长度长，防灾疏散要求高； 海底隧道埋置较深，上方有巨量海水，且围岩环境复杂，地质勘察困难，很难在施工前详细掌握隧道工程地质与水文地质情况，施工中存在较多的难以预料的不确定性，施工风险随时可见。一旦发生事故，将带来巨大损失，小则延误工期、增加投资，大则可能出现灭顶之灾。分析海底隧道施工隐患，有效控制并消除施工安全风险，对隧道工程建设至关重要。
一、钻爆法 钻爆法，通过钻孔、装药、爆破开挖岩石。这一方法从早期由人工手把钎、锤击凿孔，用雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等爆破技术。施工前，要根据地质条件、断面大小、支护方式、工期要求以及施工设备、技术等条件，选定掘进方式。
钻爆法的优点 1.适用于各种地质条件和地下水条件。 2.具有适合各种断面形式(单线、双线及多线)和变化断面(过渡段、多断面等)的高度灵活性。 3.通过分部分段开挖等辅助工法，可有效控制地表下沉和坍塌。 4.与盾构法比较，更适合在较短的开挖地段中使用。 5.与掘进机法比较，对围岩匀质性无特别要求。 6.与明挖法比较，可以极大地减少对地面交通和商业活动。的影响。避免大量的拆迁。 7.综合对比，钻爆法是一种比较经济的施工工法。 主要质量安全风险 钻爆法施工主要质量安全风险有：坍塌、垮塌、渗漏、沉降、支护结构质量不合格、结构尺寸误差超标，此外还有洪涝水灾、机械伤害、火灾、高空坠落、触电、车辆伤害等。这些风险可以单独存在，也可能相互关联，极易酿成安全生产事故并造成重大人员伤亡。
质量安全控制措施 ◇ 隧道施工前要开展详细勘察，进行软弱围岩现场调查。 ◇ 根据不同地质情况编写施工方案，施工中严格遵守“重地质，管超前，严注浆，短进尺，弱爆破，强支护，勤量测，快封闭”的原则，严格执行隧道施工有关规定。 ◇ 进行隧道超前地质预测预报，对重点地质危险地段，利用超前水平钻探等手段，探明危险程度，并采用数值模拟，对潜在的施工安全隐患进行评估。 ◇ 施工方案：CRD法、双侧壁导坑法。超前小导管、大管棚注浆超前支护。Ⅲ级围岩地段采用全断面法施工，Ⅳ、Ⅴ级围岩地段采用台阶法开挖。锚、网、喷初期支护。 CRD工法 将大断面隧道分部分块开挖，先开挖隧道一侧的①和②部分，并施作封闭的初期支护和临时支撑，再开挖隧道另一侧的③和④部分，施作封闭的初期支护和临时支撑，最后分别开挖隧道左右两块底部，形成隧道初期支护和临时支撑的网状封闭稳定支护形式。
双侧壁导坑法 采用先开挖隧道两侧导坑，及时施作导坑四周初期支护及临时支护，然后再开挖中部剩余土体的隧道开挖施工方法。适用于双线及以上大断面V~Ⅵ级围岩，也可用于浅埋隧道施工。
1、重地质（超前地质预报） ◇ 对地质岩性（软弱夹层、破碎地层、特殊岩土等）、地质构造（断层、节理密集带、褶皱轴等）、不良地质（溶洞、暗河、人为坑洞、放射性及有害气体等）、地下水（岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴及富水地层）进行预测预报。 ◇ 预报方法有地质分析法、钻探法、物探法及超前导坑法等。 ◇ 预报要点：1）研究区域地质、工程地质资料，分析工程地质问题及主要地质灾害隐患，探明存在隐患的大致里程及分布范围；2）根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，对不同地段进行地质预报分级；3）施工前制定不良地质地段应急预案；4）及时对超前地质预报进行综合分析评判。 2、管超前 拱部土体自稳能力差，自立时间短，土体凌空后极易坍塌。在软弱围岩中，可通过超前支护，增强围岩自身的支护能力，确保隧道开挖过程中掌子面的安全和稳定，防止隧道开挖过程中出现坍塌、冒顶等现象。
◇ 超前小导管：在隧道开挖前，沿隧道开挖轮廓线外，按一定角度打入直径32~70mm，长度3~5m的带孔钢管，利用钢管注浆，并与钢架连成一体进行围岩加固。 ◇ 大管棚：在隧道开挖前，沿隧道开挖轮廓线外，利用钻机或夯管按一定角度打入大于70mm、长度大于20m的钢管，通过钢管注浆预加固隧道拱部地层，以减少地层沉降。
3、严注浆 在小导管、大管棚超前支护后，立即进行注浆填充砂层空隙，浆液凝固后，土体集结成具有一定强度的“结石体”，使周围地层形成一个壳体，增强器自稳能力。严注浆包含以下三个方面内容：（1）超前小导管、大管棚注浆；（2）拱脚及墙部开挖前按规定预埋管注浆；（3）初期支护背后注浆。
4、短进尺 一次注浆，一次开挖或多次开挖。为避免土体暴露时间过长，开挖时，进尺要短。要严格控制单次开挖掘进长度，进尺越大，土体坍塌的危险性就越大。
5、弱爆破 隧道开挖采用控制爆破技术，合理布置炮眼，控制炸药单耗，降低爆破振动强度，减轻对隧道围岩的扰动，防止隧道围岩的超、欠挖。同时，还可有效地避免地表沉降，减轻对周边建（构）筑物的影响。
6、强支护 在松散地层中施工，大量土体的重力会直接作用于初期支护结构上，初期支护必须十分牢固。按照喷射混凝土——开挖——架立钢架——挂钢筋网——喷混凝土的次序进行初期支护施工。采用加大拱脚办法以减小地基承载应力。 通过初期支护对开挖后的围岩及时进行封闭，可控制围岩的变形和松弛，防止围岩暴露时间过长。在二衬施做前，初期支护是确保隧道施工安全的关键。
7、勤量测 按照固定频率对规定部位进行监测，掌握施工动态，调整施工参数并设置各部位的变形警戒值。当出现变形加速、应力或应变急剧增大并接近控制基准值，以及通过观察发现结构开裂与渗漏水异常、钢架压屈等情况时，必须在确保安全的前提下迅速实施结构加固和补强措施，必要时可暂停施工。
8、快封闭 为有效控制围岩松弛，必须及时采用临时仰拱使支护体系成环，尽早使支护体系处于理想的受力状态。隧道施工其实就是利用了围岩的拱桥效应，封闭成环后对围岩起支撑作用。环形结构的受力，上部下压，下部上抬，两边只能向外凸，两侧的围岩。可阻止其外凸。尽快封闭成环，有利于确保围岩的稳定。
★ 海底段风化深槽处理方案（翔安隧道） ◇ 全断面（帷幕）超前预注浆堵水加固（注浆范围：轮廓线外5-6m；注浆循环长度：30-40m）； ◇ 上半断面注浆/周边注浆； ◇ 大管棚超前支护； ◇ 分部开挖（CRD法）； ◇ 回填注浆。
二、盾构法 盾构法施工 盾构法施工工艺具有掘进速度快、安全性好、施工作业劳动强度低一级自动化程度高、对周边环境影响小、且不影响海上交通等特点，在跨海隧道施工中已得到越来越广泛的应用。
地层岩性 • 上部土层：淤泥、粉质黏土、砂层，厚度5~15米； • 下伏基岩：全微风化花岗岩，基岩埋深浅，基岩地层起伏大。
不良地质与特殊岩土 • 球状风化：花岗岩风化带分布不均，球形风化常见。中风化岩石（孤石），残留在全强风化花岗岩岩层内。勘察中20%钻孔揭露花岗岩球状风化体，揭露厚度0.6~1.9m。 • 强风化槽：海域存在两处强风化深槽，其中中部深槽深度>90米，槽内岩体风化强烈，节理裂隙较发育，多呈碎块状。 • 沙土液化：地震基本烈度为VII度，砂土层液化等级为中等。
“盾构+爆破”技术 ◎ 孤石探测 ◇ 采用地址探测仪对孤石进行探测，发现孤石后对该地段进行加密补勘。补勘采用地质钻孔勘察。发现孤石，提前进行爆破处理。 ◇ 对于遗漏的孤石，掘进过程中注意观察盾构机掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化（例如速度突然变慢、推力、扭矩突然增大、刀盘振动、盾构机有异响声等），判断是否碰上孤石。
◎ 盾构区间孤石处理 （1）炸药紧贴炮孔壁、药包轴心无炸药的装药结构:利用炸药爆炸形成的应力波动，在岩石中形成“霍普金森效应”，使孤石和突出岩石发生破碎、裂纹、层裂等破坏效应； （2）聚能药包(如射孔弹)的装药结构:利用炸药爆炸形成的高温、高密度、高速度射流的动能及热能，射流直接侵入孤石和突出岩石中，形成切割、胀裂作用而破碎岩石。
◎ 孤石爆破试验 孤石爆破试验场地位于厦门北动车运用所。该场地花岗岩地层在地面5米以下，岩石强度大，这与盾构掘进中长遭遇的孤石物理力学特征相似，具有代表性。本次试验设置三组试验。
◎ 爆破效果分析
◎ 孤石处理数值模拟
◎ 可复制推广的技术 中国工程院汪旭光院士认为，厦门总结出一套“盾构+爆破”的施工方法，从全国范围内来说，也是极具创造性且影响深远，其整体解决方案包括大断面的爆破处理，理论上有把握，技术上可行，他同时认为，厦门摸索出的这套方法，为国内盾构隧道施工，创造出了很好的、可复制推广的经验。
★ 厦门东通道隧道（比选方案） 盾构井隧道埋深按0.6D、海域段隧道最小埋深按1D控制。全隧入岩、50~130Mpa硬岩占比约60%、孤石发育，盾构推。进慢、风险较大，不能发挥盾构工法快速、高效的特点。
主要施工安全风险 1、盾构掘进时遇到海底障碍物（基岩突起，孤石、漂石等）； 2、盾构上、下行双线近距离掘进，存在土体相互扰动； 3、盾构在深度较大的海底掘进； 4、盾构在覆盖层很薄的浅滩掘进； 5、盾构始发井和接收井深大基坑施工； 6、海床水文、地质不确定性造成施工条件随时发生变化； 7、盾构穿越海岸障碍物； 8、盾构法与钻爆法在海底对接； 9、盾构作业面存在软弱土层，有土体稳定问题； 10、施工期间隧道渗漏水； 11、盾构机本身的技术难题等； 以上各环节，均可能出现难以预测的风险，需要预先做好评判，并在施工中，对工程险情进行预警和管控。
主要施工安全控制措施 ◎ 海域硬岩段处理 • 海域K25+300~K26+860、K27+470~K28+480段，盾构在中微风化花岗岩中穿越，长度约2570米。 • 盾构在硬岩中掘进，施工风险大。易出现刀具、刀盘磨损，频繁更换刀具，延误工期等问题。
方案一：水下爆破预处理 对海域段硬岩，从海面向硬岩中钻孔，采用“爆破+盾构”技术进行水下爆破预处理，将岩石爆破炸碎，确保盾构在硬岩段能顺利掘进。
方案二：钻爆开挖+盾构空推 对盾构全断面处于硬岩的段落，采用钻爆法，盾构空推拼装管片后通过，其他硬岩段采用“爆破+盾构”技术进行海域钻孔爆破预处理，确保盾构顺利通过硬岩段。
◎ 海域孤石处理 处理方案：（1）加强孤石超前探测；（2）小直径孤石采用盾构机内置破碎机破碎；（3）大直径孤石采用“爆破+盾构”技术进行水下爆破预处理。
结束语：事故是可以避免的。事故有预兆，可以反映在监测数据中。事故萌芽到险情的发生，一般有2-3天的时间。大断面海底隧道，施工风险极大，必须建立施工风险监控系统，实施分级控制，并制定相应的技术和管控措施，及时消除施工安全风险。
《大断面海底隧道施工风险分析》 林树枝 厦门市交通运输局 注：本内容仅供个人研学交流，版权归原作者所有 |
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