青岛胶州湾海底隧道突涌水风险控制措施

袁守刚，李京敏，王 路

青岛国信置业有限公司，山东 青岛 266500

0 引言

从20世纪开始，日本、挪威、丹麦等国家修建了许多跨越海峡的海底隧道。海底断层、风化槽、裂隙等地质构造可能与海水联通，隧道一旦开挖使其形成通道，海水就成为突水的水源，容易引发突涌水事故。假若海底隧道发生突水施工，其施救环境和施救难度大，一旦发生，可能就是灾难性的后果。在海底隧道的施工工程中，对突水风险的预测以及防治显得尤为重要。预防突水，规避风险，安全施工，使得隧道早日贯通，早日服务于青岛人民。

1 工程概况

青岛胶州湾海底隧道工程是连接青岛主城与辅城的重要通道，是中国大陆在建的第二条海底隧道。隧道全长7800m，青岛接线隧道长1630m，胶州湾隧道长6170m，其中海域段长3950m。

胶州湾海底隧道所处胶州湾湾口最大水深42m，据地质报告提供，海底大部分无覆盖层，地形起伏较大，隧址无大断裂构造，以压扭性为主，其宽度在数米到数十米不等，部分断裂具有张性，断层两侧有数米宽的影响带。胶州湾海底隧道采用钻爆法进行施工。

2 胶州湾海底隧道突涌水分析

隧道突涌水是由于隧道的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所储存的能量以流体（有时有固体物质伴随）高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏现象。对于穿越风化深槽和破碎带等不良地质地段的海底隧道而言，其上是高水压和无限的海水。隧道在海域穿越软弱破碎带、断层/断裂带地段、富水层等不良地质时，由于地下水具有一定的承压性，开挖扰动后，极易发生突水、涌泥的现象，威胁施工的安全。突水涌泥事故的发生是由爆破震动、揭露地质构造、开挖方法不当、初期支护不及时等造成的。由于水压力较高，水源补给无限，且施工中不具有自然坡排水的条件，一旦发生大的突水、涌泥，就可能引起严重的后果。

胶州湾海底隧道通过区的构造主要是高角度的断层，断层内多为压碎石、角砾碎石，是地下水径流的通道。此外，断层附近因岩体破碎，风化也相对严重，部分地段弱风化岩层底面在海底20m以下，已进入隧道内部，岩体自稳能力差，极易产生大量突水涌泥。

3 海底隧道突涌水预防措施

3.1 超前探孔

海域段施工超前探孔是唯一的最直观的了解前方围岩和地下水情况的钻探手段，应充分利用其得到有效信息。在海域段全程设置系统超前探孔，不良地质地段探孔数目相应增多，以便准确探明地下水量、范围和围岩情况。钻孔应有一定的深度。钻机过程中应记录钻孔的时间、速度、压力、卡钻、跳钻和岩性、地下水情况，判断前方围岩的地质情况。同时根据物探预报成果并结合地质详勘资料和掌子面附近的地质情况综合分析，在断层破碎带等需要围岩性质条件更多信息地段设置地质取芯钻孔。海域地段主线隧道和服务隧道开挖前必须施作超前探孔，一般地段至少钻3个孔，分别在左拱肩、拱顶及右拱肩上处，特殊地段依节理裂隙发育程度加密。探孔直径φ90，孔深约30m，两循环搭接长度不小于8m，服务隧道不小于6m。

Ⅲ标及Ⅳ标均采用Atlas 353E施作超前探孔，探孔一般在30m～40m之间，钻杆直径89mm，两循环搭接不小于8m。部分地段采用地质钻机取芯。

除了系统探孔，还应该在每炮之前利用炮眼作为短探孔，探孔长短结合，确保安全。通过这些措施，有效地对前方的围岩情况进行判断，从而决定后续的施工方案。

青岛胶州湾海底隧道是三孔隧道，中间服务隧道超前开挖，也起到判明地质情况的作用。

3.2 超前地质预报

在隧道施工中，为了进一步查明前期没有探明的、隐伏的重大地质问题，降低隧道施工地质灾害发生的机率，提供隧道动态设计和信息化施工的基础资料等目的，采用了超前地质预报的手段，进而指导隧道施工的顺利进行。

超前地质预报由有经验的工程师进行。主要方式有地质素描法、TSP、地质雷达及红外探水等。其中TSP作为主要的超前地质预报方式。胶州湾海底隧道由山东大学超前地质预报课题组采用TSP203 plus进行超前地质预报，预报结果和开挖揭示情况不断对比修正，提高了超前地质预报的准确率。另外多种手段综合运用，也降低了海底隧道的施工风险。

3.3 超前预注浆

隧道结构防水等级为一级，遵循“以堵为主，限量排放，刚柔结合，多道防线，因地制宜，综合治理”的原则。海底隧道对防水要求很高，胶州湾海底隧道规定当超前探水孔单孔出水量大于5L/min，或每循环所有超前探孔总出水量大于10L/min时需要对围岩进行超前预注浆。隧道围岩注浆后的改良目标值为渗透系数小于1.5×10-5cm/s，检查孔的涌水量在0.15L/min·m以下。

根据超前地质预报结果判定、围岩级别超前探水孔单孔出水量、探水孔水压等分别采用全断面帷幕注浆、周边帷幕注浆和局部注浆三种方案。

注浆主要根据探孔以及前方围岩条件来确定，分为全断面帷幕注浆、周边帷幕注浆和局部注浆三种形式。截止目前，四个标段都完成了数次注浆，从注浆完成之后检查孔的出水量以及开挖之后揭示的岩层以来看，注浆达到了设计的要求。

胶州湾海底隧道前期通过对超细水泥、普通水泥、硫铝酸盐水泥进行对比，最终选用超细水泥进行预注浆。Ⅳ标采用三臂凿岩台车阿特拉斯353E钻设注浆孔，钻杆直径89mm，孔口采用孔口管，并安装防突装置。

帷幕注浆止水加固厚度应满足注浆堵水和施工安全要求。过断层破碎带施工时，主隧道加固区范围为5m，每循环注浆段长30m，开挖22m，预留8m为下一循环止浆岩盘；服务隧道加固区范围为3m，每循环注浆段长度为20m，开挖14m，预留6m为下一循环止浆岩盘。注浆方案根据交固圈理论进行设计，孔底间距不大于3.5m。注浆终止压力宜在3MPa～4MPa。注浆结束标准分为单孔注浆结束标准好全段结束标准。

1）单孔注浆结束标准

单孔注浆以定量定压相结合。

定量标准：当注浆量达到单孔设计注浆量的1.5～2倍，压力仍然不上升，可采取双液注浆等措施缩短凝胶时间，使压力达到设计终压，结束该孔注浆；

定压标准：各孔段达到设计终压后，若进浆速度为开始进浆速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80%，或注浆泵吐出速度小于20L/min并持续5min～10min，即可结束注浆。

2）全段结束标准

（1）设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象；

（2）按总注浆孔的5%～10%设计检查孔，检查孔满足设计要求。

经过四个标段多次注浆后开挖揭示，效果均比较好，证明了注浆方案的有效性。2009.5.19召开的 “青岛胶州湾隧道工程穿越不良地质注浆堵水加固技术研讨会”，肯定了青岛胶州湾隧道工程依据科研、试验成果及设计文件，采用的不良地质注浆堵水加固方案，顺利通过了八个注浆段，实践证明所确定的方案、制定的控制标准和目标是安全可行、经济合理的，堵水效果达到了设计要求。

3.4 加强监控量测

海底隧道工程对施工安全性的要求远高于陆地隧道工程。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。

在海底隧道开挖过程中，通过监控量测和分析施工过程中的应力、应变状态，对及时调整支护措施和施工方案有着极其重要的指导作用。对于已完成开挖支护的地段，通过监测水量变化、水压变化、应力变化，必要时进行水力连通试验，可了解安全状态。对隧道进行永久性的水压力和支护应力监测，可保证隧道的安全运营需求，防患事故发生，并且对类似工程的设计提供重要的参考依据。

为了保证数据的可靠性，本项目管理方式采用三级管理制；既现场测试复核、技术负责人校核、项目负责人审核三级管理制。投入了全站仪1台、自动安平水准仪3台、水位计1台、收敛计1台、频率计2台等。设备、组织管理和专业技术人员保证了监控量测的可靠性。

3.5 隧道开挖方法

胶州湾海底隧道双向六车道，隧道开挖断面跨度达到16m，开挖面积170m2左右，隧道除团岛端服务隧道洞口和黄岛端洞口采用明挖法外，其余均采用钻爆法施工。

破碎带的施工要严格按照“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的方针进行。

开挖将直接影响到含水围岩的稳定性，造成突涌水。一般情况下，在微弱风化层覆盖较厚，岩体较完整，且所处地质条件较好的地质地段，宜采用全断面或者上下台阶法开挖。当破碎带与隧道呈下侧交叉位时，宜采取CDR法开挖。当破碎带与隧道呈上侧交叉位，并且埋设相对较深的地段时，宜选择最为安全的双侧壁导坑法开挖。同时在断层、风化深槽等不良地质地段，开挖前采用超前小管棚预注浆支护拱部围岩。采用双侧壁导坑法开挖，缩短循环进尺，以人工开挖为主、机械为辅，需爆破时，采用弱爆破，减少对围岩的扰动。开挖后及时施做初期支护，初期支护采用中空注浆锚杆、钢架及网喷硅，加强围岩周边支护，同时尽快按要求施做仰拱及二次衬砌。

根据地质条件及时的改变施工方法，对预防突涌水非常重要。合适的施工方法能降低施工风险。

4 突涌水事故处理

海底隧道施工过程要以安全为第一要务，所以建立防灾救援系统非常重要，要准备好各种应急措施。青岛国信置业有限公司于7月份组织了青岛胶州湾隧道土建工程施工安全生产事故综合应急演练，市应急办等各单位参与了此次应急演练，如出现突水涌泥征兆，现场施工员应立刻停止施工并报告项目经理部，项目部在项目建设指挥部和有关单位进行报告的同时积极组织进行抢险。

4.1 人员救护组织

出现以外突水涌泥一定要按照一定的程序处理和人员疏散，隧道施工掌子面要和洞口、办公室有较好的联络，目前，四个标段均已经将移动手机通信信号引入隧道。安全技术人员隧道掌握好掌子面的工作状态和安全情况，救护车随时待命，以保证人员安全为第一要务。

4.2 孔口防突

施工时要通过变形监测来预测变形规律，通过超前探孔探明前方地质与含水情况。在断层破碎带如发生钻孔涌水，应尽快采用快速堵漏技术，防止大量水涌出带动破碎土体流出引发突水涌泥现象。探孔探明前方遇到含水不良地质地带时应采取一定的地层加固方法。探孔施工时应特别谨慎小心，采用全断面注浆时，首先按照探孔设计图进行分区分片探测，进一步确定不良地质地层含水状况，为防止突涌水情况发生，在遇到可能出现地下水的地带，若止浆岩盘情况不好，应设立止浆墙，安装空口管，准备好堵水、防灾材料，必须准备好各种救护材料并防止高压水冲出钻杆。

当超前预注浆遇到大量涌水时，应立即停止钻进，在钻孔部位安装孔口管，当水量很大喷射而出时，首先固定好排水的孔口管，施作止浆墙的方式封闭掌子面，然后用闸阀逐步关闭出水孔，通过注浆的方式填充堵塞出水通道，随后进行全断面注浆加固地层。

5 结论

1）介绍了突涌水发生机理，对海底隧道的突涌水发生可能性及防治的重要性进行了阐述；

2）海底隧道突涌水的控制措施包含超前探孔、超前地质预报、超前预注浆、监控量测、隧道开挖方法5个方面，海底隧道施工应该通过完整可靠严谨的措施来尽可能的避免突涌水，减少突涌水造成损失；

3）突涌水施工假若发生，就应当按照预先应急演练的过程进行人员疏散和救助以及掌子面的处理。

加强超前地质预报，监控量测，及时进行隧道预注浆等措施对于保障隧道的安全非常重要。在施工工程中通过尽可能完备的措施来避免规避突涌水的风险。

[1]刘招伟.圆梁山隧道岩溶突水机理及其防治对策[D].中国矿业大学，2004.

[2]青岛胶州湾隧道风险研究报告[R].同济大学，中铁隧道勘察设计院有限公司，2009，2.

[3]青岛胶州湾隧道土建工程施工安全生产事故综合应急演练[R].中铁隧道勘察设计院有限公司，2009，7.