厦门翔安海底隧道关键施工技术

厦门翔安海底隧道关键施工技术2010年09月17日中铁二十二局集团有限公司黄明琦一、翔安海底隧道工程项目介绍二、翔安海底隧道穿越软弱地层施工稳定性控制研究三、翔安海底隧道穿越透水砂砾层施工技术四、翔安海底隧道穿越海域风化深槽施工技术五、翔安海底隧道海底硬岩控制爆破施工技术六、主要技术成果七、结语报告内容一、翔安海底隧道工程项目介绍1.工程概况2.工程难点3.工程难点4.工程难点厦门翔安海底隧道是我国大陆第一条海底隧道，隧道最深在海平面下约70m，工程总投资约36亿元人民币。它是一座兼具公路和城市道路双重功能的隧道。翔安隧道不仅是我国内地第一条海底隧道，也是第一条由国内专家自行设计的海底隧道，隧道采用钻爆法施工，按双向6车道设计，行车速度为80km/h。1.工程概况厦门大桥海沧大桥厦门东通道（翔安隧道）翔安区厦门岛金门鼓浪屿漳州翔安隧道地理位置图该工程于2005年8月9日正式动工建设，2010年4月26日建成通车。建成后，翔安区到岛内将缩短50km的路程，厦门岛到翔安只需要15min。厦门海底隧道工程建成交付使用后，对于提升厦门的城市功能，拓展城市发展空间，促进区域社会经济协调发展，优化产业布局，改善厦门市的投资环境，加快厦门国际化港口建设步伐，都将有着非常重大的现实意义。而作为我国内地第一条海底隧道，对于探索出适合我国国情的海底隧道建造技术，为类似工程的动工兴建，缩小与世界先进水平的差距，都将起到里程碑式的作用。同时也为我国深海交通技术研究奠定了基础。2010年4月26日全线通车翔安隧道翔安端洞口实景厦门翔安海底隧道工程主要包括五通互通，跨海翔安隧道和西滨互通三部分工程。线路总长8.695km，翔安隧道全长6.05km，其中海域段长4.2km，为双向6车道双洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海域，两侧为行车主洞，中间一孔为服务隧道。隧道沿线设通风竖井两座，车行横洞5处，人行横洞12处，翔安西滨侧设收费、服务、管理区。52m22m翔安隧道横断面示意图1）V形纵剖面，下坡施工，施工排水量大海底隧道洞口高，中间低，纵剖面呈V形，下坡施工，水（围岩渗水和施工用水）不能自流排出，施工中必须制订完善的排水方案，采用足够的排水设备不间断地排水，施工供电也必须安全、可靠、不间断。2.工程特点2）国内第一，技术含量、标准要求高隧道穿越海底施工过程中遇到很多技术难题，其中有多项世界级的技术难题，因而在施工中必须进行必要的科研试验，以解决施工中的关键技术问题，这充分体现了海底隧道科研先导的施工理念。3）地质条件复杂，水量大，水压高，施工难度大该隧道经过陆域、浅滩带及海域三种地貌。在陆域和浅滩地带，基岩全~强风化带厚度较大；在海域，三条隧道共同穿越F1-278m、F2-220m、F3-255m、F4-212.5m、F5-153m、累计穿越风化槽总长度为1118.5m。此类全~强风化岩体强度低、自稳能力差。另外，隧道轴线上海水最深为30m，而且受岩石风化节理、裂缝、风化槽的影响，分段最大涌水量为6.2m3/（d·m），在0.7MPa高水头压力下，开挖扰动后，极易发生涌水和塌方，给隧道正常施工带来很大的安全隐患。4）断面大，工法多主隧道按3车道设计，最大开挖断面尺寸为17.04m×12.55m(170m2)；根据隧道区域地质条件，主要采用CRD工法、双侧壁导坑法、上下台阶法施工。IIIIIIIVCRD工法双侧壁导坑法5）隧道结构防腐、抗渗要求高本工程使用年限按照100年设计，采用复合式衬砌结构，陆域隧道二次衬砌为C30防腐蚀混凝土，抗渗等级为P8，海域隧道二次衬砌为C45高性能防腐混凝土，抗渗等级为P12，同时采用具有抗海水侵蚀的喷射混凝土，钢筋网为V级，风化槽采用钢拱架组成初期支护，取消系统锚杆，钢拱架接头处设锁脚钢管，在初期支护和二次衬砌之间，选择PVC防水板和系统盲管做排水系统，确保满足隧道设计使用年限的要求。6）施工风险大地下水是海底隧道施工中的最大风险。海底隧道与一般山岭隧道最明显的差异，就是其水源是无限的海水。由于本工程大部分区域是在水下，地质条件具有较强的多变性和不可确定性，稍有不慎，很有可能在施工中发生涌水、突水、造成隧道持续坍塌或严重进水，如采取措施不当，将对施工人员和机械设备造成极大的威胁，甚至导致工程报废，造成无可挽回的损失。7）标段划分整个隧道分为四个标段，其中A1标和A2标位于隧道进口，A3标和A4标位于隧道出口，将两个竖井和服务隧道按工作量的大小和施工方便进行分配。A1：3.16Km（ZK6+540～ZK9+700）翔安A2：3.14Km（YK5+930.5～YK9+700）A3：2.885Km（ZK9+700～ZK12+585）A4：3.655Km（YK9+700～YK13+355）2785mA3标标ZK12+485标标标标标标标标标标标标标标标ZK9+700标标标标标标标标NK12+490标段划分示意图8）环保、水保、文明施工要求高厦门岛是国内著名的海滨旅游城市，风景优美，地域特色明显，翔安隧道设计施工理念新颖，隧道建设的社会意义重大，对环保、水保、文明施工要求高。1）超前预报预测厦门翔安海底隧道地质复杂，最关键的技术问题就是做好施工期的综合超前地质预测预报、信息化指导设计与施工。通过TSP、红外探水、地质雷达、超前水平钻孔等各种方法的运用，相互对照、相互补充，提高物探成果解译水平和地质预报精度。将此作为勘察地质资料的补充，在基本掌握前方施工地质的情况后，确定合理的施工方案和施工对策，确保工期，施工安全和质量。3.工程重点施工用到的RPD-180C多功能地质钻机2）隧道结构防水施工在陆域段，隧道二次衬砌混凝土抗渗等级为P8；在浅滩和海域段，隧道二次衬砌混凝土抗渗等级为P12。施工中，隧道上受海水威胁，下受地下水的影响，地下水以基岩裂隙水为主，大气降水和海水为补给源，地下水沿裂隙渗入隧道而出现滴水或溢流，甚至会出现涌水现象。如何保证本工程的防水质量及达到防水效果是海底隧道施工的一个重点工作，主要采取如下措施：1.采取“以堵为主”的施工原则，通过超前地质预报系统准确分析前方地质破碎带情况。2.采取超前帷幕注浆，超前小导管和中空锚杆注浆，后注浆等防水措施，将隧道开挖面周围的涌水或渗水封堵于结构之外；重视初期支护背后注浆防水，基本实现初期支护无渗漏。3.重视衬砌背面排水层的施作，保证隧道第二道防线。重视在初期支护背后充填注浆的施工，确保初期支护不渗不漏。4.加强结构的自防水能力，封闭渗漏水在初期支护之外，二次衬砌结构在无水条件下施工，确保二次衬砌施工质量。5.采取分区防水形式，充分保证防水板的防水效果3）耐久性混凝土施工海底隧道对混凝土结构耐久性提出更高的要求。由于海底隧道大部分处于水域之下，地下水水质与海水十分接近，均属于CL—Na·Mg型，为了防止钢筋和混凝土的腐蚀，采取措施如下：1.在隧道结构混凝土（包括喷射混凝土和二次衬砌混凝土）施工过程中，采用先进的施工工艺和检测手段。进行严格的过程控制，确保混凝土结构的耐久性。2.根据工程施工条件进行温控设计，防止温度裂缝出现。4）隧道监控量测海底隧道对施工安全性的要求远高于陆地隧道。施工中必须进行监控量测与信息化施工。它是保证隧道安全的有效手段。为掌握围岩开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态，采取措施如下：1.将监控量测作为一道重要工序：在施工的全过程中，实施全面、系统的监测工作，并将其作为一道重要工序纳入隧道施工中，留足时间，配齐人员。2.根据监测数据，动态设计，动态施工：根据隧道围岩条件、支护类型和参数、施工方法编制量测计划，按照设计要求的监测频率和方法进行监测，通过对量测数据的分析和判断，对围岩—支护体系的稳定状态进行预测，判断隧道和围岩是否稳定，从而指导施工，反馈设计，据此确定相应施工措施，确保围岩及结构稳定、安全。5）隧道施工安全风险管理由于海底隧道施工条件的复杂性，决定了其施工必须以安全为前提，施工中应遵循“预案在先、规避风险”的原则。海底隧道施工中的最大威胁是掘进中的突水、突泥及坍塌，一旦出现突水、涌泥事故，将对人员、设备及工程造成极大的损失。因此，除应采用各种有效的工程措施以保证施工安全和结构安全外，还应对可能出现的意外制订应急措施，尽可能将损失降到最小。主要应急措施包括报警装置、排水设备和逃生路线规划等。同时配置洞内安全监控体系，通过高度自动化的连续、跟踪、系统检测，以及时发现安全隐患，制订应急对策并快速组织实施，从而确保施工安全。1）隧道穿越浅滩全风化层段施工浅滩段处于全风化地段，岩体强度低，围岩自稳能力差，同时又处于地下水位以下，在浅滩区施工，其不良地质问题之一就是渗水。如果施工措施不当，可能因发生围岩过度松弛变形，导致隧道淹没和坍塌。施工中采取措施如下：（1）按照“先探水，再注浆，后开挖”施工程序，遵循“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”的施工原则。（2）采用超前小管棚支护，CRD或双侧壁导坑法开挖，喷射混凝土、钢筋网片、钢拱架联合支护。4.工程难点2）隧道通过海底风化槽（囊）施工隧道通过海底风化槽（囊）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（0.7MPa）容易将隧道覆盖层击穿，从而发生坍塌、突水、突泥。主要采取如下措施：（1）施工中按照“先探水，再注浆，后开挖”的施工程序，以探水、周边浅孔预注浆为主的全断面注浆与开挖交替进行，即探水注浆一段，开挖一段，稳扎稳打。遵循“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”的原则。（2）采用综合超前地质预报基数，采取全新的帷幕注浆，注浆的加固范围应为开挖断面直径的2.0~3.0倍，注浆后采用双层超前小管棚支护，CRD法开挖，减弱震动，控制爆破，喷射混凝土、钢筋网片、钢拱架联合支护。。3）隧道砂砾层段施工浅滩YK11+930~YK12+580段650m隧道拱顶覆盖砂层，砂层影响段450m，砂层侵入隧道长达249m。由于砂层透水性很强，与海水联通的富水砂层对隧道施工安全极为不利。采用地面垂直注浆和洞内超前小导管注浆，形成闭合的帷幕，阻止地下水和治理流沙。王梦恕院士和张楚汉院士指导砂层施工宋振骐院士和卢耀如院士在砂层掌子面二、翔安海底隧道穿越软弱地层施工稳定性控制研究1.绪论2.陆域浅滩段CRD工法和CD工法施工沉降控制研究3.陆域浅滩段CRD工法步距和工序沉降控制作用研究4.变形分配控制原理及其在翔安隧道中的应用研究5.锁脚锚杆作用机理数值模拟分析6.软弱地层充填注浆沉降控制研究7.结论研究内容从国外海底隧道施工现状和发展趋势看，在海底隧道施工方面都积累了一定的经验，但在富水、软弱地层中修建大断面隧道并无先例，因此，本课题结合厦门海底隧道的地质条件复杂、开挖断面大、无成熟的经验可借鉴等特点，对软弱地层施工方法、沉降控制、辅助工法等进行深入研究，总结出一套适合软弱地层、大断面、海底隧道施工的技术和方法，利用研究成果指导施工，优化设计，非常具有实际意义。1.绪论1.1研究目的本课题紧密结合厦门翔安海底隧道施工，通过现场监测、数值计算和理论分析进行研究。（1）利用数值方法，模拟现场土层和施工条件，对CD和CRD工法分别建模计算、进行数值模拟分析和比较，综合考虑，确定合理的施工方法；（2）设计六种不同的工况和两种不同工序，对各种工况开挖过程中的地层三维变形状态进行数值模拟，分析和总结变形、失稳规律，在此基础上优化CRD工法各部之间的步距和工序；1.2研究内容（3）将变形分配控制原理应用于翔安隧道施工，确定控制目标值，通过监测反馈，分步控制，将变形控制在安全范围之内；（4）研究锁脚锚杆的作用机理，对锁脚锚杆的施工效果进行数值模拟，系统地研究其受力和变形规律，优化锁脚锚杆的设计和施工方法；（5）建立初支和围岩相互作用的突变模型，利用初支刚度和围岩的弱化刚度研究围岩的突变失稳。从理论上解释了壁后注浆加固机理，结合现场监测，验证充填注浆对控制沉降的作用。2.1浅埋大跨软岩隧道施工方法2.2工程及地质概况2.3隧道入口端CD法与CRD法开挖引起的沉降量比较2.4本章小结2.陆域浅滩段