胶州湾海底隧道断层带注浆方案探讨.doc

胶州湾海底隧道断层带注浆方案探讨 长距离、太直径隧道设计与施工技术胶州湾海底隧道断层带注浆方案探讨卓越“。王梦恕（北京交通大学北京；中隧集团科研所洛阳）摘要即将设计和修建的青岛胶州湾海底隧道要穿越朝连岛断裂等条断层带，断层带地下水丰富，并与海水有水力联系，如何确定断层带的注装堵水方案是保证施工安全、降低投资风险、促进施工进度、减少运营维修费用的关键。本文借鉴国内外海底厦岩溶高压富水隧道修建技术，探讨胶州湾海底隧道断层带注浆堵水方案：为以后的设计和施工提供技术支持。关键词海底隧道断层带；探讨，注泉堵水方案，。，；目前，正在施工的厦门翔安隧道，以及年计划开工的青岛胶州湾海底隧道，正在规划、勘探、设计中的大连湾海底隧道、杭州海底隧道、渤海湾海底隧道、海南岛海底隧道等都在进行紧张的前期技术准备和勘探、设计阶段。由于海底隧道具有一些特殊性：隧道涌水源广、涌水速度快、水压大、要求的注浆堵水技术含量高，如何安全、优质、快速修建，注浆堵水技术是重点研究的对象，也是海底隧道修建成败的技术关键。工程概况已经殳计的青岛胶州湾海底隧道北起团岛路，南至薛家岛于北庄村和后岔湾村之间出洞，隧道全长约，穿越海底地段约，隧道为双向六车道，间距，断面为椭圆形，宽，高，复合式衬砌，两隧道问设有服务隧道，拟采用钻爆法施工。隧道区域内基岩主要由下白垩纪青山群火山岩及燕山晚期崂山超单元侵入岩系组成。该项目注浆堵水课题由中隧集团科研所进行前期科研攻关。地形地貌隧址区地貌为湾口海床及两岸滨海低山丘陵区。隧道轴线处海面宽约，最大水一地下工程施工与风险防范技术深约；最深处靠近水域中央，在中部形成一宽阔的海底面，向两侧分别成两个较陡的斜坡，斜坡间发育宽窄不一的缓坡平台，潮问带多为礁石。团岛岸为滨海缓丘地貌，地形较平坦，地面高程多在间，地面建筑物众多。薛家岛岸为低山丘陵地貌，隧道通过处地面高程多在之问，地面起伏不平，并有较多采石陡坎，局部发育冲沟，段为村庄，地表民房密集。地质构造隧址区地质构造以中、新生代脆性断裂构造最主。区域地质图显示，区域性的朝连岛断裂从湾口通过，与隧道中线呈大角度相交，另外，隧址还夹于北东向仓口断裂和劈石口断裂之间，隧址处存在上述区域性断裂的组成部分或次级断裂。国家海洋局第一海洋研究所于年进行了多种方法的海域物探和资料收集、分析工作，认为湾口海域有，和等条向断裂及，和等条向断裂与隧道相交，主要断层破碎带为和，隧道通过宽度达数百米。水文地质条件（）水文地质单元划分根据地下水补给贮藏条件及水化学类型等特征，可将场区水文地质单元划分为低山丘陵基岩裂隙水分布区、低山丘陵松散岩类孑隙水分布区、滨海基岩裂隙水分布区、滨海松散岩类孔隙水分布区和海域基岩裂隙水分布区。（）地下水补排条件地下水运动主要受地形、地貌的控制。低山丘陵松散岩类孔隙水除接受大气降雨补给外，主要接受基岩裂隙水的侧向和顶托补给，各自向低处汇流，排泄于沟口；滨海松散岩类孑隙水主要接受海水侧向补给，流向随海水涨落往复改变；滨海基岩裂隙水既接受低山丘陵基岩裂隙水的侧向补给，也接受海水补给，地下水运动缓慢；海域基岩裂隙水接受海水垂直补给，地下水在自然状态下基本不运动。国内外海底或高压富水隧道断层带注浆堵水方案日本青函海底隧道日本青函海底隧道穿过津轻海峡连接日本北海道的函馆和本州的青森，全长，为一条双线铁路隧道加一条辅助坑道。隧道的海底部分长，陆地部分长。隧道在海面下最大埋深，其中，水深，岩层平均埋深。隧道通过地层突然性涌水发生在条较大断层带，并与海水有水力联系。涌水压力值约为。在海面下最大埋深，海底长度达的青函隧道内，断层带施工采用排水工法无法保证施工安全，采用了在包含整个开挖区域的范围内进行全断面预注浆堵水注浆加固的方法，解决了断层带涌水与塌方的问题。日本关门公路海底隧道关门公路海底隧道，总长，海底部分为，陆地部分，以矿山法施工为主。为了防止海底断层带涌水采用了注浆技术，顶部导坑开挖后，衬砌厚混凝土，最厚的达，以此为隔墙，并在其上埋设直径注浆钢管，对断层带实施周边超前注浆堵水方案，解决了断层带涌水与塌方的难题。日本新关门海底隧道新关门隧道是穿越关门海峡连接日本本州和九州岛的山阳新干线上的铁路隧道，全长，海底段，海底最大埋深为，最小埋深为，采用矿山法施工。隧道通过长距离大直径隧道设计与施工技术的断层带，最大宽度为以上，涌水压力为。海底段正洞施工接近该断层时，采用了大管棚和周边超前导管注浆堵水方案，安全通过了断层带。斯多贝尔特越海工程斯多贝尔特越海工程是连接东、西丹麦的一条由桥梁和隧道组成的铁路隧道，全长，其中隧道长，隧道基本位于冰碛层和泥灰岩之问，冰碛层中含有料状融水土壤，及直径达的花岗岩和片麻岩，层渗漂砾。隧道埋深平均为。隧道由两条直径为，总长的主隧道和直径为的条横通道组成。主隧道采用盾构机开挖，引道以及横通道采用钻爆法施工。对横通道的断层带采用了三种处理法：第一种是降水处理；第二种是灌浆处理；第三种是冻结处理。在特别困难的断层带，常常足三管齐下。如横通道上方和上半部用盐水冻结法，中部局部（主要是两）用旋喷高压注浆法，底部用降水法。渝怀铁路圆梁山隧道圆粱山隧道是新建铁路渝怀线上最长的单线电化铁路隧道，全长，隧道穿越的主要地质构造为毛坝向斜、桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂构造，隧道最大埋深。全隧最小涌水量为，最大涌水量为，最高涌水水压达，其主要工程地质问题为高水压、富水、岩溶及断层。隧道开挖揭示，毛坝向斜为一封闭的可溶岩不透水的盆状构造，共三组大型、充填型溶洞和一组岩溶管道。在圆梁山隧道注浆堵水技术中，针对高压、富水、岩溶区不同的地质条件，应用了超前注浆、径向注浆、局部注浆等几种主要注浆方案，解决了高压、富水难题，保证了工程安全，攻克了被称为“地质博物馆”的溶洞及断层带的注浆堵水关键技术。城陵矶长江穿越隧道城陵矶长江穿越隧道位于湖南岳阳市城陵矶下游约处，越江隧道线路全长，工程包括南岸盾构始发竖井一座，北岸矿山法施工竖井一座，施工段隧道长度，隧道穿越断层破碎带条一旦发生涌水涌泥，将造成隧道淹没及人员伤亡事故，因此，在隧道断层破碎带及受地下水及长江水位的影响带，采用了全断面注浆方案对围岩进行加固堵水，保证了施工安全。注浆堵水方案在海底隧道中的应用在以往海底隧道的施工中，为了防止发生海底涌水，采取水平超前钻孔探水、注浆加固围岩等，但涌水仍是防不胜防。这些事故多发生在断层地带。这些事例说明高压涌水的防治问题是海底隧道施工成败的关键技术。中隧集团科研所承担的城陵矾越江隧道、厦门翔安隧道常规的做法是，超前钻孔探水，全断面预注浆或帷幕注浆方案对地层进行加固止水。全断面预注浆法是在包含整个开挖区域的范围内进行注浆加固的方法帷幕注浆法与全断面预注浆法的区别只在于注浆范围不包含被开挖的部分或开挖的部分注浆量减少，强度不高，被加固的地层在隧道周围形成一个止水帷幕。全断面预注浆全断面预注浆一般注浆段长为，采用分段注浆，注浆步距根据地层状况和施工设备实际确定，注浆完成后开挖，预留作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。在该注浆设计中，针对钻孔注浆盲区，在深孔注浆完成后，每开挖，采取超前小导管进行补充注浆，以提高注浆质量，确保开挖施工安全。超前预注浆设计加固范围以开挖轮廓线外为宜。注浆结束标准以定压为主，注浆终压：，当注浆过程中长时间压力一地下工程施工与风险防范技术不上升时，应缩短浆液的凝胶时间，并采取间歇注浆措施，同时控制注浆量。（）注浆设计参数注浆圈加固厚度主要应满足开挖施工安全要求，开挖后抗水压要求。根据力学模拟计算，注浆加固圈厚度一般情况下应满足：一（）式中注浆加固圈厚度（）；开挖断面宽度或高度（）。浆液扩散半径应根据堵水要求、隧道地质特点及注浆材料的颗径尺寸，采取工程类比法来选取。在现场注浆施工过程中，可根据注浆施工中地层的吸浆能力，注浆效果的检查评定等状况，对浆液扩散半径进一步调整。根据注浆加固交圈理论，注浆后应能形成严密的注浆帷幕，在注浆终孔断面上，根据注浆扩散半径进行注浆设计时不应有注浆盲区存在，这样，在进行注浆设计时，注浆终孔间距口应满足：口鼎式中口注浆终孔间距（）；浆液扩散半径（）。注浆段长度一般应综合考虑选择钻机的最佳工作能力、预留止浆墙厚度、根据加固圈要求进行注浆设计时盲区最小时的最佳设计孔数等等内容。根据工程类比，在进行超前预注浆施工时，注浆段长度一般选择为。止浆岩墙主要是指在进行超前预注浆施工时，为满足抵抗注浆施工过程中注浆压力的要求而采取的止浆模式。在注浆工程施工中，除第一循环止浆岩墙采用模筑混凝土施工外，其他循环段止浆岩墙主要由喷射混凝土层（或模筑混凝土层）上一注浆循环余留注浆加固段共同组成。（）注浆施工参数通常，施工参数如表所示，但应用中需根据现场地质和水文条件，结合施工情况进行动态调整。表参数名称凝胶时间注浆速度（）注浆施工参数表径向注浆超前注浆大管棚单液浆，双液浆注浆终压分段长度注浆鼍全孔一次性孔砂层，其他口胁全孔一次性或后退式注浆浆液充填满管棚（）注浆效果检查评定注浆效果检查评定是决策开挖施工方案的依据。注浆效果检查评定主要有分析法、注水法、钻检查孔法和开挖后取样测试等种方法。帷幕注浆帷幕注浆所采用注浆方法是在开挖工作面周围及前方形成一道壳体，被开挖的部分围岩不注或少注浆，以阻止地下水的入侵。施工方法为：沿隧道周边进行钻孔、注入浆液、检查一长距离、大直径隧道设计与施工技术注浆效果直到满足注浆目的时方结束注浆的地层加固方法。钻孔的布设和浆液的性质均据注浆目的不同而有不同的设计，实施前均需进行注浆试验，以确定注浆参数与注浆孔布置间距、孔数等。青岛胶州湾海底断层带注浆堵水加固方案断层常常是引起隧道塌方与突水涌泥的主要因素，处理不当常常会引起巨大的投资增加、工期延迟，危及人员与设备的安全，尤其在海下，这种危害性会更大，甚至造成灾难性的后果。因此，各国都给予了认真对待。海底隧道的断层带加固技术虽然与陆地相同条件的技术区别很小，但是当这种情况发生在有贯穿至海底水面或断裂构造痕迹时，情况则与陆地条件极为不同。是可能产生高围压问题，对支护结构能力造成威胁；二是通透性的突水涌泥问题。可以说，其中任何一种情况的发生都将预示着工程的失败和巨大的经济损失。应认真加以研究，做好充分准备。青岛胶州湾海底隧道在处理断层带时主要应该解决好三个问题：一是如何采用综合超前地质预报系统探测工作面前方断层带和隐伏含水构造体；二是如何加固围岩，使其具有足够的承载能力以保持隧道的稳定性；三是如何防止海水通过断层带进入隧道。对于断层带的施工，应利用调查导坑及地质预报系统进行详细探测，取得有关断层的力学性质、范围及水文条件等资料，制定出详细的加固方案及地下水的封堵措施后方可进行开挖。开挖时应坚持“严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针，且掌子面的开挖宜多采用分步开挖方法。根据青岛胶州湾海底隧道地勘资料以及国内外海底断层带注浆堵水成功经验，其断层带注浆堵水方法可采用超前预注浆法。超前预注浆法又根据水文地质条件、加固方式、材料性能、施工工艺和加固范围的不同可采用超前小导管注浆局部径向注浆、帷幕注浆局部径向注浆、全断面注浆局部径向注浆方案。超前小导管注浆局部径向注浆该方案适合断层破碎带超前探水孔出水量小于，超前探孔水压小于情况下的围岩注浆加固堵水。该方法是先实施超前小导管注浆，开挖后对集中出水处再实行局部径向注浆，注浆终压控制在。超前小导管管长为，管身带有溢浆孔，沿隧道拱部扇形区域呈梅花形布置，将导管顶入事先钻好的孔中，用注浆设备将浆液通过小导管压入岩层，使在隧道周围一定范围内的岩层形成止水圈，开挖工作在注浆加固保护下施作。但是，小导管注浆由于其压力低，扩散半径小，所形成的止水圈厚度较薄，局部开挖后存在漏水，必须对漏水处实行局部径向注浆堵水。帷幕注浆局部径向注浆帷幕注浆局部径向注浆适合断层破碎带超前探孔水压，超前探孔出水量在情况下的围岩注浆加固堵水。帷幕注浆法是在隧道开挖轮廓线以外范围内钻设注浆孔进行注浆，利用浆液的扩散对隧道开挖轮廓线以外岩层进行加固的方法。注浆孔通常在（开孔）（终孔）间，浆液的扩散半径与注浆孔直径、浆材的性能、注浆孔的布置相关，需通过注浆试验取得适合的参数，注浆段长一般为，注浆压力，注浆方式宜采用分段后退式，分段长度，注浆材料宜为水泥水玻璃浆液、水泥系列浆液等。开挖时对局部漏水也要进行局部径向注浆。这种方法能有效的在隧道开挖轮廓线以外形成止水帷幕，对防止突水涌泥均有地下工程施工与风险防范技术良好的效果。全断面注浆局部径向注浆该方案是在超前探孔出水量大于等于，探水孔水压太于等于且围岩比较破碎条件下，对断层带采用全断面预注浆加固堵水的一种方法。全断面预注浆是在隧道开挖面和开挖轮廓线以外范围内对围岩进行注浆加同堵水，注浆段长一般为，注浆方式采用分段后退式，分段长宜，注浆压力，注浆材料