海底隧道超前地質預報綜合體系研究
——以廈門翔安海底隧道為例

程正明 （廈門路橋建設集團有限公司，福建 廈門361026）

地質風險是海底隧道最大的風險源，工程地質條件對海底隧道設計和施工方案制定起決定性作用。由于勘察手段的局限性，特別是海底勘察的高技術難度與高代價，決定了勘察階段的海底地質資料與實際地層狀況必然會有所偏差。若無施工期超前地質預報，施工盲目性增大，危險性增強，甚至對掘進掌子面前方即將出現的坍方、涌泥涌水等地質災害毫無察覺。對海底隧道而言，施工階段超前地質預報更是至關重要［1-2］。廈門翔安海底隧道施工過程中，超前地質預報工作得到高度重視，取得不少有益的經驗［3-6］。筆者結合翔安隧道施工風險最大的F1海底風化槽地質預報工程實踐，系統地總結了海底隧道綜合超前地質預報體系研究成果，為后續類似工程建設提供有益的參考。

1 工程概況及地質風險分析

廈門翔安海底隧道是我國第一座海底隧道，也是當今世界最大斷面鉆爆法公路海底隧道，連接廈門本島和翔安大陸架，全長6．05km，設三孔隧道，左右線行車隧道共設雙向6車道，中孔為服務隧道。翔安隧道地質條件十分復雜，在詳勘階段已查明兩端陸域全強風化軟弱地層、淺灘富水砂層和多處海底風化深槽等不良地質段。

由于海底隧道工程經驗十分匱乏，地層復雜多變，風化巖面起伏不定，小型巖脈穿插時有發生，詳勘鉆孔數量有限，不可能完全準確地反映地層的微觀地質環境。特別是，詳勘探明不良地質體的確切邊界和過渡地段還存在一定的不確定性，預料外的小型不良地質體也有可能存在，這些地段都是施工高風險地段。因此，必須針對海底隧道特點，建立可靠的超前地質預報體系，對地質風險進行控制。

2 海底隧道超前地質預報綜合體系

2．1 預報目標和內容

海底隧道超前地質預報的目標就是要準確核實或預測掌子面周圍及前方不良地質體的規模、形態、巖性和水文地質情況。具體而言，包含以下3個方面的預報內容：預報隧道掌子面前方一定范圍內巖體巖性及水文地質情況，如是否存在斷層破碎帶及軟弱夾層等；預報掌子面前方地質異常體位于隧道詳細里程及規模，包括地質異常體與隧道立體相交的位置和規模；預報隧道開挖后周圍未被揭露出的隱伏地質異常體分布情況，如頂板厚度等，排除潛在的隱患。

2．2 總體方案

基于翔安隧道大量的地質預報實踐經驗和研究成果，提出海底隧道超前地質預報的總體方案為：以小斷面服務隧道先行施工兼作地質導洞，以掌子面水平超前鉆孔為主，以TSP203、紅外探水、地質雷達等物探為輔，結合掌子面地質素描，綜合預報，如圖1所示。海底隧道各種超前地質預報手段的預報范圍采用指標如表1所示。

圖1 超前地質總體方案示意圖

表1 海底隧道超前地質預報有效范圍

2．3 實施步驟

通過以下步驟探明海底隧道掌子面前方不良地質體的空間形態和地質特征：①采用TSP-202（203）初步判斷掌子面前方200m的異常構造，為安全起見，取120m作為有效預報距離，并要求搭接20m。②在接近異常構造帶50m時，采用50～80m左右的長距離水平取芯鉆探，基本確定掌子面前方80m的地質情況及結構面和含水體的大致位置，從宏觀上掌握掌子面前方的地質情況，主要是異常構造結構面、斷層破碎帶、巖性及結構、含水體、水量、水壓情況等。③采用紅外線探水、地質雷達等和中長距離 （30～50m）的取芯鉆探比較準確地預報掌子面前方30m的地質情況，準確判斷巖體結構和構造、結構面寬度、斷層發育形態、規模及巖石破碎情況，并進行水壓和涌水量測試，判斷地下水的方向及涌水、突泥的危險程度，研究施工預案。④采用頂板厚度地質雷達掃描、掌子面地質素描、5m長風槍超前鉆孔等技術進行每循環跟蹤探測，主要判斷涌水突出的危險，優化和確定處理方案，包括選擇注漿、泄水降壓、迂回導坑、開挖和支護方法。⑤充分利用服務隧道超前掘進提供的地質導洞信息，分析兩側行車隧道相應里程段地質情況。

3 左線隧道F1風化槽超前地質預報實例

3．1 工程實例

海底風化槽是翔安隧道最大的施工難點和風險點，也是對超前地質預報要求最高的地段。左線隧道F1風化槽是施工中遇到的第1個風化槽。按筆者建立的海底隧道超前地質預報體系總體方案和實施步驟對左線隧道F1風化槽地段實施預報，實施過程如下：

1）服務隧道先導信息分析 服務隧道標高底，斷面小，受F1影響較小，已先行穿越。根據服務隧道開挖情況分析，F1詳勘資料基本可靠，但槽體內主要組成為全風化花崗巖 （W4），與詳勘提示主要組成為強風化花崗巖 （W3）相比，總體要差一些。

2）TSP203長距離預報 在ZK8＋210實施TSP203超前地質預報，預報120m，至ZK8＋340，結果表明，風化槽起止樁號為ZK8＋270～8＋330，起點比詳勘退后了25m，總長為60m，縮短10m，如圖2所示。這一結果與詳勘有較大差別，但綜合服務隧道已開挖段信息和上一循環水平鉆孔取芯情況分析，認為基本是可信的，因此決定在此基礎上實施下一循環水平鉆孔，進一步驗證。

3）水平鉆孔預報 水平鉆孔分2個循環，第1循環設3個鉆孔，從ZK8＋240～8＋290，長50m；第2循環設4個鉆孔，從ZK8＋290～8＋340，長50m。采用進口C6鉆機施工，鉆孔直徑90mm，除中心鉆孔SZK6、SZK1終孔在開挖輪廓線內，其余終孔都在開挖輪廓線外2m附近，即需對隧道周邊圍巖在一定范圍進行探明，水平鉆孔布置如圖2所示，水平鉆孔地質柱狀圖如圖3所示。從鉆孔結果分析，風化槽起止樁號為ZK8＋270～8＋328，總長為58m，與TSP預報結果基本吻合。槽體以全風化花崗巖 （W4）為主。根據鉆孔出水量分析，全風化地段滲水量大，為接近全水頭海水。同時，鉆孔分析還顯示，F1風化深槽與洞身走向為斜交，其左側先進入風化深槽，左右進入風化槽前后相差10m左右，而出風化槽的時候，左右差別不大，這是TSP和地質雷達預報所沒有體現的。

4）地質雷達預報 采用GSSI SIR系列地質雷達，配屬100MH屏蔽天線，探測掌子面為ZK8＋260，預報距離30m。預報結果如下：ZK8＋260～8＋274段，長14m，塊狀構造，屬較硬巖，結構面變化不明顯，巖體自穩能力一般，推測為IV級圍巖；ZK8＋274～8＋290段，長16m，巖性變化大，巖體破碎，塊狀構造，節理、裂隙發育，可能出現斜向的結合程度較差的結構面，巖體自穩能力差，推測為V級較弱圍巖，地下水發育，可能出現股狀出水或涌水。據此分析，風化槽起點樁號為ZK8＋274，與TSP、水平鉆孔預報結果 （ZK8＋270）比較接近。

圖2 水平鉆孔布置圖

圖3 水平鉆孔地質柱狀圖

圖4 巖石頂板厚度分析 （注：虛線部分為推測）

同時，還利用地質雷達對已開挖段進行巖石頂板厚度檢測。ZK8＋210～8＋224段，巖石頂板厚度大于10m，屬于安全區。ZK8＋226～8＋260段，巖石頂板厚度探測結果如圖4所示，可推測出拱頂到達F1風化槽為ZK8＋272，這與地質雷達預報的ZK8＋274非常接近。

5）紅外探水預報 探測掌子面為ZK8＋260，探測距離30m。結果顯示，前15m少水，后15m富水。必需采取可靠的注漿堵水措施。

6）開挖驗證 風化槽及前后過渡段的詳勘成果、各種預報結果以及實際開挖揭露對比如表2。由表2可以看出，實際開挖揭露的風化槽過渡段和起止里程與詳勘報告有所偏差，里程退后27m，長度縮短14m，風化槽體地質狀況比詳勘報告要差；TSP203和水平鉆孔預報都達到了較高精度，地質雷達和紅外探水是對預報結果必要的補充和佐證。由此也說明，本次F1地質預報是成功的。

3．2 經驗小結

①開挖顯示，F1風化槽地質變化非常劇烈，但從微風化到全風化總體是連續的，表現為地層變化過渡帶，不過這種過渡段很短暫，有時只有3～5m，這種情況大大增加了地質預報難度和施工風險，應引起足夠重視。②由于海底隧道的高風險性，水平鉆孔具有不可替代的功能，既使是詳勘揭示的連續好圍巖地段，也有可能出現小型巖脈穿插造成的局部破碎帶，因此，海底段必需全程鉆孔取芯，并通過鉆孔出水量和水壓探測巖體富水情況。③由于風化槽與洞身呈空間交叉關系，加上邊界起伏變化，使得隧道斷面上下左右并不是同時進入不良地質體，TSP、地質雷達難以全面反映這種空間關系，而利用多個水平鉆孔成果可判斷風化槽與洞身空間交叉位置。因此，至少應施作3個以上水平鉆孔。在重要不良地質體地段，TSP應在隧道兩側邊墻分別實施，即對隧道兩側均進行預報。在實際施工時，可綜合各種預報成果，把過渡地段考慮足夠，以策安全。④對已開挖段，及時利用地質雷達掃描，探測隧道頂板巖層厚度，確保已開挖段支護結構短期和長期安全，對海底隧道有特殊的重要意義。⑤在TSP203規范操作和準確解釋的基礎上，結合其他鉆探、物探信息，進行綜合分析，可取得較好的預報效果。

表2 預報結果與開挖驗證對比 （ZK8＋）

4 工程管理措施

超前地質預報在隧道施工中得到越來越多的應用，但實際效果良莠不齊。除技術性原因，還有很大一部分是管理的因素。為切實提高翔安海底隧道超前地質水平，筆者采取了以下措施，成效良好：①高度重視。要求做到 “有疑必探，無疑也探，不留死角，綜合預報”。②保障經費投入。在編制招標工程量清單時，把超前地質預報工程量和報價單列，嚴禁不平衡報價，保障專項經費。③加強工程管理。在施工組織方案審查時，把超前地質預報作為一道必經工序，進行專項審查，在施工現場加強監督和考核管理。④規范技術管理。開展海底隧道超前地質預報專題科研，認真比對預報成果和實際開挖揭露，不斷總結經驗，形成較為規范統一的預報體系、操作措施和地質解釋方法等技術指南，盡可能減少人為因素干擾，達到提高預報精度的目的。

5 結 語

基于廈門翔安海底隧道工程實踐經驗，建立了海底隧道超前地質預報綜合體系，即以小斷面服務隧道先行施工兼作地質導洞，以掌子面水平超前鉆孔為主，以TSP203、紅外探水、地質雷達等物探為輔，結合掌子面地質素描，綜合預報。該體系經海底風化槽超前地質預報工程實踐檢驗，精度高，可靠性強，可推廣應用到其他類似工程。

［1］王夢恕 ．廈門海底隧道設計、施工、運營安全風險分析 ［J］．施工技術，2005（S1）：1-4．

［2］王夢恕 皇甫明 ．海底隧道修建中的關鍵問題 ［J］．建筑科學與工程學報，2005，22（4）：1-4．

［3］易小明，張頂立 ．廈門海底隧道超前地質預報經驗總結 ［J］．山西建筑，2007，4（1）：7-8．

［4］王錦山，王力，曹志剛，等 ．廈門海底隧道綜合超前地質預報實踐 ［J］．巖石力學與工程學報，2007，26（11）：2309-2318．

［5］徐文杰．TSP超前地質預報在海底隧道施工中的應用 ［J］．工程地球物理學報，2007，4（1）：31-37．

［6］黃建勇 ．超前地質預報在海底隧道中的應用 ［J］．石家莊鐵路職業技術學院學報，2008，7（B06）：145-148．