钻爆法施工技术在水下隧道建设中的应用

闫路平

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

0 引言

当城市交通需要穿越江河湖海时，通常是在桥梁与隧道方案之间做出选择。从工程造价、耐久性、安全性、生态环境和社会效益等角度考虑，采用水下隧道方案穿越江河湖海相对桥梁具有较大综合优势。但隧道在穿越江河湖海或上部临近区域存在大量补给水源的富水区时，隧道的开挖必然形成新的地下水运移通道，容易发生涌水、涌沙、突水、突泥等重大地质灾害事故［1］。

1 钻爆法应用于水下隧道施工中的特点

1.1 采用钻爆施工法施工水下隧道的优点

1)适合各种地形条件。采用钻爆法施工水下隧道，一般要求隧道大部分地段应位于坚硬的岩石地层之中。但隧道进出口一般地质条件较差，甚至较长地段为土层，即使通过多方案比选确定的水底地段，也会或多或少地存在一些风化槽或断层破碎带等不利地层。对于钻爆法施工，由于设计施工经验均较为成熟，可适应不同的地质条件变化。

2)施工对环境影响小，施工时不影响通航。随着沿海及沿江经济的迅猛发展，沿江沿海均遭到越来越严重的污染，环境质量明显下降，生态环境日趋恶化，并对生物资源和人体健康产生影响。用钻爆法修建水下隧道不仅是对自然环境影响最小的建设方案，而且也是对周边居民及企事业单位生产生活影响最小的建设方案。

1.2 采用钻爆法修建海底隧道存在的缺点

1)由于水下隧道埋置较深，因此隧道较长，造价也相对较高。为了降低钻爆法修建水下隧道施工过程中的风险，一般要求隧道位于岩石地层中，且具有一定的岩石保护层厚度，该厚度与岩体强度、破碎程度及隧道开挖跨度等有关。这样隧道埋置深度将增大，从而隧道建设的费用增加，还会延长隧道建设工期以及增加运营管理等费用。

2)施工过程中风险较高。钻爆法对各种地质情况的适应性较好，但遇到围岩节理裂隙发育、断层破碎带较多时，各种辅助施工的费用会急剧增加，同时施工风险也较大。钻爆法修建的隧道的施工费用、工期及风险对地质的变化较为敏感。

3)水下隧道工程地质勘察准确性不够，实际施工时需进行超前地质预报。水下及海底勘测的技术难度与代价较高，决定了勘测阶段的地质资料不够精确，因此需要在施工阶段通过超前地质预报了解前方的地质情况。在水下隧道施工过程中，要求采用掌子面地质调查及各种超前探测手段综合判断隧道前方地质条件，力求准确判断开挖面前方的地质情况，最大限度地来保证施工安全［2］。

2 采用钻爆法修建水下隧道的关键技术分析

2.1 地质勘察及施工中的超前钻孔“探水”及地质预报

水下隧道地质条件经常会遇到断层、裂隙、溶洞等突水危险地段，仅留隔水岩柱“隔水”是不够的，为保证开挖面的稳定，必须在开挖面钻孔探水，钻孔所取岩芯可以判断开挖面前方岩石的破碎状况及节理裂隙发育等情况。

目前常用的超前地质探测方法有地震探测、地质雷达、超前钻孔、红外探水等。例如用CQTC-1地质预报探测系统可以探测150 m前方地质构造和含水带，采用KDL系列地质雷达、SIR系列高精度工程质量检测雷达可以探测30 m内各种地质小构造、破碎带、充水带。

2.2 隧道顶板最小岩石覆盖层厚度的确定

最小岩石覆盖厚度越小，水下隧道就越短，静水压力就越低，作用在衬砌上的水压力的势能荷载也越小;覆盖层越厚，在水底和隧道之间的渗流通道就越长，就会降低流向隧道的渗水量。最小岩石覆盖层厚度的确定都是建立在详细的地质勘测资料的基础上的，然而水下地质勘察工作的开展困难多，地质资料中的误差和不确定因素会造成许多意外。因此，事先很难确定一个绝对安全的最小岩石覆盖层厚度［3］。

参照国内相关经验和实践总结，隧道隔水岩柱可按式(1)来进行计算:

其中，hr为隔水岩柱;ht为隧道开挖高度，ht=2.6 m;n为基岩以上覆盖层厚度系数，n=15 ～20;q为水深系数，0.8 ～1.2。

2.3 水下隧道的防排水技术

在进行水下隧道设计过程中，应以降低隧道建造费用及后期运营费用为目标，根据地质条件分段分析预测隧道采用不同衬砌方案时的涌水量，通过对不同衬砌方案的组合来达到对整个隧道的衬砌结构布置方式的优化。

2.3.1 注浆方案

根据施工方法与防排水形式，水下隧道衬砌结构的选择有如下三种方案:全封闭衬砌、限制排水衬砌和自由排水衬砌。全封闭衬砌主要是针对软弱围岩承载能力低，渗水量较大，二次衬砌自身承载能力较强的特点，尽可能将地下水阻挡在二次衬砌之外的一种水下隧道衬砌形式，在Ⅳ级～Ⅴ级围岩地段一般考虑采用全封闭复合衬砌;在Ⅱ级～Ⅲ级围岩地段中可以考虑采用限制排水衬砌，为了减少隧道内的排水量，拱部及边墙背后仅设置防水层，不设置排水系统，且路面下不设置仰拱，下部地下渗水通过排水系统排至两侧边沟;自由排水衬砌方案一般使用在岩体相对比较完整的地段或可采用排水方案的山岭隧道，不适应水下隧道的排水。

2.3.2 注浆“堵水”

当采用超前钻探、物探发现掌子面前方出现异常状况，围岩破碎，裂隙发育，钻孔水流量大，应立即停止开挖，采取预注浆措施“堵水”，以防止水涌入隧道内。为防止受压浆液和裂隙水从工作面涌出，并保证浆液在最大注浆压力作用下沿裂隙有效的扩散，同时为了节约投资，止浆墙采用预留止浆岩柱，止浆岩柱厚度按式(2)计算［4］:

其中，B为预留止浆岩柱，即开挖面与围岩破碎带之间的完整岩柱大小;p为注浆压力，MPa;S为开挖断面，m2;τ为岩石允许抗剪强度;l为隧道周边长度，m。

2.4 水下隧道辅助施工措施及施工安全的保障措施

其主要措施是在施工前应制定全面而可靠的施工安全措施、防淹对策、消防措施以及在施工过程中做好紧急情况下的撤离训练等，包括以下内容:

1)在水下隧道施工过程中，要严格按照施工步骤施工，同步监测。

2)隧道内要配备足够的积水坑和抽排水设备，所配备的设施必须大于隧道预计的涌水量，以满足抽排泥沙水的需要。

3)配备足够的防涌材料，目前快速堵漏防水材料大部分可在动水条件下快速凝固，其主要作用是封堵超前钻孔和爆破孔突发涌水，应根据钻孔大小预制成柱状，以便发生涌水时及时封堵。

4)施工时分段设置可移动式防水闸门，一旦工作面出现涌水涌沙时，可迅速将人员撤离到安全地段，然后关闭防水闸门，将涌水和泥沙堵在预计的区段内，防水闸门可根据隧道掘进进度向前移动。

5)制定好逃生路线，并装配防水闸门，一旦发生险情，施工人员可及时进入安全通道，保证他们的安全［5］。

3 结语

钻爆法施工水下隧道具有施工设备少，施工工艺简单可靠，并具有对施工条件要求低，经济实用的优点，国内多条采用钻爆法施工的过江隧道及厦门翔安海底隧道均获得了成功，但其中也有几条在施工中遇到了很大的困难，归结起来问题基本上都是出在防治水的措施不当上。水下隧道工程条件千变万化，水下隧道的建设是一项高风险的项目，不仅各类风险贯穿于方案比选、勘察设计、施工以及运营管理，一旦出现其损失影响非常巨大。风险的出现是由于人们对自然规律的认知不足而产生的，只要加强对相关关键技术的研究，根据隧道穿越断面的具体地质情况和及时掌握施工中反馈的信息，进行动态设计，不断地总结经验，认真分析处理建设过程中的每一个问题，制定出具体措施并落到实处，方能确保施工安全和工程的成功［6］。

［1］王梦恕，谭忠盛.中国隧道及地下工程修建技术［J］.中国工程科学，2010(12):4-10.

［2］陈学远.钻爆法施工过江隧道防治水综合措施［J］.矿业安全与环保，2004(6):112-113.

［3］梁海青.复杂地质条件下海底隧道大断面钻爆法安全掘进施工技术［J］.隧道建设，2010，30(5):600-606.

［4］宋 建，陈百玲，范 鹤.水下隧道穿越江河海湾的综合优势［J］.隧道建设，2006，26(3):45-46.

［5］段怀志.水下隧道施工的三个关键环节［J］.徐州职业技术学院学报，2009，9(3):9-10.

［6］郭小红，王梦恕，张 伟.钻爆法修建海底隧道的关键技术分析［A］.第十届全国岩石力学与工程学术大会论文集［C］.2010:3-10.