青島膠州灣海底隧道突涌水風險控制措施

袁守剛，李京敏，王 路

青島國信置業有限公司，山東 青島 266500

0 引言

從20世紀開始，日本、挪威、丹麥等國家修建了許多跨越海峽的海底隧道。海底斷層、風化槽、裂隙等地質構造可能與海水聯通，隧道一旦開挖使其形成通道，海水就成為突水的水源，容易引發突涌水事故。假若海底隧道發生突水施工，其施救環境和施救難度大，一旦發生，可能就是災難性的后果。在海底隧道的施工工程中，對突水風險的預測以及防治顯得尤為重要。預防突水，規避風險，安全施工，使得隧道早日貫通，早日服務于青島人民。

1 工程概況

青島膠州灣海底隧道工程是連接青島主城與輔城的重要通道，是中國大陸在建的第二條海底隧道。隧道全長7800m，青島接線隧道長1630m，膠州灣隧道長6170m，其中海域段長3950m。

膠州灣海底隧道所處膠州灣灣口最大水深42m，據地質報告提供，海底大部分無覆蓋層，地形起伏較大，隧址無大斷裂構造，以壓扭性為主，其寬度在數米到數十米不等，部分斷裂具有張性，斷層兩側有數米寬的影響帶。膠州灣海底隧道采用鉆爆法進行施工。

2 膠州灣海底隧道突涌水分析

隧道突涌水是由于隧道的掘進破壞了含水層結構，使水動力條件和圍巖力學平衡狀態發生急劇改變，以致地下水體所儲存的能量以流體（有時有固體物質伴隨）高速運移形式瞬間釋放而產生的一種動力破壞現象。對于穿越風化深槽和破碎帶等不良地質地段的海底隧道而言，其上是高水壓和無限的海水。隧道在海域穿越軟弱破碎帶、斷層/斷裂帶地段、富水層等不良地質時，由于地下水具有一定的承壓性，開挖擾動后，極易發生突水、涌泥的現象，威脅施工的安全。突水涌泥事故的發生是由爆破震動、揭露地質構造、開挖方法不當、初期支護不及時等造成的。由于水壓力較高，水源補給無限，且施工中不具有自然坡排水的條件，一旦發生大的突水、涌泥，就可能引起嚴重的后果。

膠州灣海底隧道通過區的構造主要是高角度的斷層，斷層內多為壓碎石、角礫碎石，是地下水徑流的通道。此外，斷層附近因巖體破碎，風化也相對嚴重，部分地段弱風化巖層底面在海底20m以下，已進入隧道內部，巖體自穩能力差，極易產生大量突水涌泥。

3 海底隧道突涌水預防措施

3.1 超前探孔

海域段施工超前探孔是唯一的最直觀的了解前方圍巖和地下水情況的鉆探手段，應充分利用其得到有效信息。在海域段全程設置系統超前探孔，不良地質地段探孔數目相應增多，以便準確探明地下水量、范圍和圍巖情況。鉆孔應有一定的深度。鉆機過程中應記錄鉆孔的時間、速度、壓力、卡鉆、跳鉆和巖性、地下水情況，判斷前方圍巖的地質情況。同時根據物探預報成果并結合地質詳勘資料和掌子面附近的地質情況綜合分析，在斷層破碎帶等需要圍巖性質條件更多信息地段設置地質取芯鉆孔。海域地段主線隧道和服務隧道開挖前必須施作超前探孔，一般地段至少鉆3個孔，分別在左拱肩、拱頂及右拱肩上處，特殊地段依節理裂隙發育程度加密。探孔直徑φ90，孔深約30m，兩循環搭接長度不小于8m，服務隧道不小于6m。

Ⅲ標及Ⅳ標均采用Atlas 353E施作超前探孔，探孔一般在30m～40m之間，鉆桿直徑89mm，兩循環搭接不小于8m。部分地段采用地質鉆機取芯。

除了系統探孔，還應該在每炮之前利用炮眼作為短探孔，探孔長短結合，確保安全。通過這些措施，有效地對前方的圍巖情況進行判斷，從而決定后續的施工方案。

青島膠州灣海底隧道是三孔隧道，中間服務隧道超前開挖，也起到判明地質情況的作用。

3.2 超前地質預報

在隧道施工中，為了進一步查明前期沒有探明的、隱伏的重大地質問題，降低隧道施工地質災害發生的機率，提供隧道動態設計和信息化施工的基礎資料等目的，采用了超前地質預報的手段，進而指導隧道施工的順利進行。

超前地質預報由有經驗的工程師進行。主要方式有地質素描法、TSP、地質雷達及紅外探水等。其中TSP作為主要的超前地質預報方式。膠州灣海底隧道由山東大學超前地質預報課題組采用TSP203 plus進行超前地質預報，預報結果和開挖揭示情況不斷對比修正，提高了超前地質預報的準確率。另外多種手段綜合運用，也降低了海底隧道的施工風險。

3.3 超前預注漿

隧道結構防水等級為一級，遵循“以堵為主，限量排放，剛柔結合，多道防線，因地制宜，綜合治理”的原則。海底隧道對防水要求很高，膠州灣海底隧道規定當超前探水孔單孔出水量大于5L/min，或每循環所有超前探孔總出水量大于10L/min時需要對圍巖進行超前預注漿。隧道圍巖注漿后的改良目標值為滲透系數小于1.5×10-5cm/s，檢查孔的涌水量在0.15L/min·m以下。

根據超前地質預報結果判定、圍巖級別超前探水孔單孔出水量、探水孔水壓等分別采用全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿和局部注漿三種方案。

注漿主要根據探孔以及前方圍巖條件來確定，分為全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿和局部注漿三種形式。截止目前，四個標段都完成了數次注漿，從注漿完成之后檢查孔的出水量以及開挖之后揭示的巖層以來看，注漿達到了設計的要求。

膠州灣海底隧道前期通過對超細水泥、普通水泥、硫鋁酸鹽水泥進行對比，最終選用超細水泥進行預注漿。Ⅳ標采用三臂鑿巖臺車阿特拉斯353E鉆設注漿孔，鉆桿直徑89mm，孔口采用孔口管，并安裝防突裝置。

帷幕注漿止水加固厚度應滿足注漿堵水和施工安全要求。過斷層破碎帶施工時，主隧道加固區范圍為5m，每循環注漿段長30m，開挖22m，預留8m為下一循環止漿巖盤；服務隧道加固區范圍為3m，每循環注漿段長度為20m，開挖14m，預留6m為下一循環止漿巖盤。注漿方案根據交固圈理論進行設計，孔底間距不大于3.5m。注漿終止壓力宜在3MPa～4MPa。注漿結束標準分為單孔注漿結束標準好全段結束標準。

1）單孔注漿結束標準

單孔注漿以定量定壓相結合。

定量標準：當注漿量達到單孔設計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可采取雙液注漿等措施縮短凝膠時間，使壓力達到設計終壓，結束該孔注漿；

定壓標準：各孔段達到設計終壓后，若進漿速度為開始進漿速度的1/4或注漿量達到設計注漿量的80%，或注漿泵吐出速度小于20L/min并持續5min～10min，即可結束注漿。

2）全段結束標準

（1）設計的所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象；

（2）按總注漿孔的5%～10%設計檢查孔，檢查孔滿足設計要求。

經過四個標段多次注漿后開挖揭示，效果均比較好，證明了注漿方案的有效性。2009.5.19召開的 “青島膠州灣隧道工程穿越不良地質注漿堵水加固技術研討會”，肯定了青島膠州灣隧道工程依據科研、試驗成果及設計文件，采用的不良地質注漿堵水加固方案，順利通過了八個注漿段，實踐證明所確定的方案、制定的控制標準和目標是安全可行、經濟合理的，堵水效果達到了設計要求。

3.4 加強監控量測

海底隧道工程對施工安全性的要求遠高于陸地隧道工程。必須進行監控量測與信息化施工，它是保證隧道安全的有效手段。

在海底隧道開挖過程中，通過監控量測和分析施工過程中的應力、應變狀態，對及時調整支護措施和施工方案有著極其重要的指導作用。對于已完成開挖支護的地段，通過監測水量變化、水壓變化、應力變化，必要時進行水力連通試驗，可了解安全狀態。對隧道進行永久性的水壓力和支護應力監測，可保證隧道的安全運營需求，防患事故發生，并且對類似工程的設計提供重要的參考依據。

為了保證數據的可靠性，本項目管理方式采用三級管理制；既現場測試復核、技術負責人校核、項目負責人審核三級管理制。投入了全站儀1臺、自動安平水準儀3臺、水位計1臺、收斂計1臺、頻率計2臺等。設備、組織管理和專業技術人員保證了監控量測的可靠性。

3.5 隧道開挖方法

膠州灣海底隧道雙向六車道，隧道開挖斷面跨度達到16m，開挖面積170m2左右，隧道除團島端服務隧道洞口和黃島端洞口采用明挖法外，其余均采用鉆爆法施工。

破碎帶的施工要嚴格按照“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測”的方針進行。

開挖將直接影響到含水圍巖的穩定性，造成突涌水。一般情況下，在微弱風化層覆蓋較厚，巖體較完整，且所處地質條件較好的地質地段，宜采用全斷面或者上下臺階法開挖。當破碎帶與隧道呈下側交叉位時，宜采取CDR法開挖。當破碎帶與隧道呈上側交叉位，并且埋設相對較深的地段時，宜選擇最為安全的雙側壁導坑法開挖。同時在斷層、風化深槽等不良地質地段，開挖前采用超前小管棚預注漿支護拱部圍巖。采用雙側壁導坑法開挖，縮短循環進尺，以人工開挖為主、機械為輔，需爆破時，采用弱爆破，減少對圍巖的擾動。開挖后及時施做初期支護，初期支護采用中空注漿錨桿、鋼架及網噴硅，加強圍巖周邊支護，同時盡快按要求施做仰拱及二次襯砌。

根據地質條件及時的改變施工方法，對預防突涌水非常重要。合適的施工方法能降低施工風險。

4 突涌水事故處理

海底隧道施工過程要以安全為第一要務，所以建立防災救援系統非常重要，要準備好各種應急措施。青島國信置業有限公司于7月份組織了青島膠州灣隧道土建工程施工安全生產事故綜合應急演練，市應急辦等各單位參與了此次應急演練，如出現突水涌泥征兆，現場施工員應立刻停止施工并報告項目經理部，項目部在項目建設指揮部和有關單位進行報告的同時積極組織進行搶險。

4.1 人員救護組織

出現以外突水涌泥一定要按照一定的程序處理和人員疏散，隧道施工掌子面要和洞口、辦公室有較好的聯絡，目前，四個標段均已經將移動手機通信信號引入隧道。安全技術人員隧道掌握好掌子面的工作狀態和安全情況，救護車隨時待命，以保證人員安全為第一要務。

4.2 孔口防突

施工時要通過變形監測來預測變形規律，通過超前探孔探明前方地質與含水情況。在斷層破碎帶如發生鉆孔涌水，應盡快采用快速堵漏技術，防止大量水涌出帶動破碎土體流出引發突水涌泥現象。探孔探明前方遇到含水不良地質地帶時應采取一定的地層加固方法。探孔施工時應特別謹慎小心，采用全斷面注漿時，首先按照探孔設計圖進行分區分片探測，進一步確定不良地質地層含水狀況，為防止突涌水情況發生，在遇到可能出現地下水的地帶，若止漿巖盤情況不好，應設立止漿墻，安裝空口管，準備好堵水、防災材料，必須準備好各種救護材料并防止高壓水沖出鉆桿。

當超前預注漿遇到大量涌水時，應立即停止鉆進，在鉆孔部位安裝孔口管，當水量很大噴射而出時，首先固定好排水的孔口管，施作止漿墻的方式封閉掌子面，然后用閘閥逐步關閉出水孔，通過注漿的方式填充堵塞出水通道，隨后進行全斷面注漿加固地層。

5 結論

1）介紹了突涌水發生機理，對海底隧道的突涌水發生可能性及防治的重要性進行了闡述；

2）海底隧道突涌水的控制措施包含超前探孔、超前地質預報、超前預注漿、監控量測、隧道開挖方法5個方面，海底隧道施工應該通過完整可靠嚴謹的措施來盡可能的避免突涌水，減少突涌水造成損失；

3）突涌水施工假若發生，就應當按照預先應急演練的過程進行人員疏散和救助以及掌子面的處理。

加強超前地質預報，監控量測，及時進行隧道預注漿等措施對于保障隧道的安全非常重要。在施工工程中通過盡可能完備的措施來避免規避突涌水的風險。

[1]劉招偉.圓梁山隧道巖溶突水機理及其防治對策[D].中國礦業大學，2004.

[2]青島膠州灣隧道風險研究報告[R].同濟大學，中鐵隧道勘察設計院有限公司，2009，2.

[3]青島膠州灣隧道土建工程施工安全生產事故綜合應急演練[R].中鐵隧道勘察設計院有限公司，2009，7.