海底隧道超前地质预报综合体系研究——以厦门翔安海底隧道为例

程正明 （厦门路桥建设集团有限公司，福建 厦门361026）

地质风险是海底隧道最大的风险源，工程地质条件对海底隧道设计和施工方案制定起决定性作用。由于勘察手段的局限性，特别是海底勘察的高技术难度与高代价，决定了勘察阶段的海底地质资料与实际地层状况必然会有所偏差。若无施工期超前地质预报，施工盲目性增大，危险性增强，甚至对掘进掌子面前方即将出现的坍方、涌泥涌水等地质灾害毫无察觉。对海底隧道而言，施工阶段超前地质预报更是至关重要［1-2］。厦门翔安海底隧道施工过程中，超前地质预报工作得到高度重视，取得不少有益的经验［3-6］。笔者结合翔安隧道施工风险最大的F1海底风化槽地质预报工程实践，系统地总结了海底隧道综合超前地质预报体系研究成果，为后续类似工程建设提供有益的参考。

1 工程概况及地质风险分析

厦门翔安海底隧道是我国第一座海底隧道，也是当今世界最大断面钻爆法公路海底隧道，连接厦门本岛和翔安大陆架，全长6．05km，设三孔隧道，左右线行车隧道共设双向6车道，中孔为服务隧道。翔安隧道地质条件十分复杂，在详勘阶段已查明两端陆域全强风化软弱地层、浅滩富水砂层和多处海底风化深槽等不良地质段。

由于海底隧道工程经验十分匮乏，地层复杂多变，风化岩面起伏不定，小型岩脉穿插时有发生，详勘钻孔数量有限，不可能完全准确地反映地层的微观地质环境。特别是，详勘探明不良地质体的确切边界和过渡地段还存在一定的不确定性，预料外的小型不良地质体也有可能存在，这些地段都是施工高风险地段。因此，必须针对海底隧道特点，建立可靠的超前地质预报体系，对地质风险进行控制。

2 海底隧道超前地质预报综合体系

2．1 预报目标和内容

海底隧道超前地质预报的目标就是要准确核实或预测掌子面周围及前方不良地质体的规模、形态、岩性和水文地质情况。具体而言，包含以下3个方面的预报内容：预报隧道掌子面前方一定范围内岩体岩性及水文地质情况，如是否存在断层破碎带及软弱夹层等；预报掌子面前方地质异常体位于隧道详细里程及规模，包括地质异常体与隧道立体相交的位置和规模；预报隧道开挖后周围未被揭露出的隐伏地质异常体分布情况，如顶板厚度等，排除潜在的隐患。

2．2 总体方案

基于翔安隧道大量的地质预报实践经验和研究成果，提出海底隧道超前地质预报的总体方案为：以小断面服务隧道先行施工兼作地质导洞，以掌子面水平超前钻孔为主，以TSP203、红外探水、地质雷达等物探为辅，结合掌子面地质素描，综合预报，如图1所示。海底隧道各种超前地质预报手段的预报范围采用指标如表1所示。

图1 超前地质总体方案示意图

表1 海底隧道超前地质预报有效范围

2．3 实施步骤

通过以下步骤探明海底隧道掌子面前方不良地质体的空间形态和地质特征：①采用TSP-202（203）初步判断掌子面前方200m的异常构造，为安全起见，取120m作为有效预报距离，并要求搭接20m。②在接近异常构造带50m时，采用50～80m左右的长距离水平取芯钻探，基本确定掌子面前方80m的地质情况及结构面和含水体的大致位置，从宏观上掌握掌子面前方的地质情况，主要是异常构造结构面、断层破碎带、岩性及结构、含水体、水量、水压情况等。③采用红外线探水、地质雷达等和中长距离 （30～50m）的取芯钻探比较准确地预报掌子面前方30m的地质情况，准确判断岩体结构和构造、结构面宽度、断层发育形态、规模及岩石破碎情况，并进行水压和涌水量测试，判断地下水的方向及涌水、突泥的危险程度，研究施工预案。④采用顶板厚度地质雷达扫描、掌子面地质素描、5m长风枪超前钻孔等技术进行每循环跟踪探测，主要判断涌水突出的危险，优化和确定处理方案，包括选择注浆、泄水降压、迂回导坑、开挖和支护方法。⑤充分利用服务隧道超前掘进提供的地质导洞信息，分析两侧行车隧道相应里程段地质情况。

3 左线隧道F1风化槽超前地质预报实例

3．1 工程实例

海底风化槽是翔安隧道最大的施工难点和风险点，也是对超前地质预报要求最高的地段。左线隧道F1风化槽是施工中遇到的第1个风化槽。按笔者建立的海底隧道超前地质预报体系总体方案和实施步骤对左线隧道F1风化槽地段实施预报，实施过程如下：

1）服务隧道先导信息分析 服务隧道标高底，断面小，受F1影响较小，已先行穿越。根据服务隧道开挖情况分析，F1详勘资料基本可靠，但槽体内主要组成为全风化花岗岩 （W4），与详勘提示主要组成为强风化花岗岩 （W3）相比，总体要差一些。

2）TSP203长距离预报 在ZK8＋210实施TSP203超前地质预报，预报120m，至ZK8＋340，结果表明，风化槽起止桩号为ZK8＋270～8＋330，起点比详勘退后了25m，总长为60m，缩短10m，如图2所示。这一结果与详勘有较大差别，但综合服务隧道已开挖段信息和上一循环水平钻孔取芯情况分析，认为基本是可信的，因此决定在此基础上实施下一循环水平钻孔，进一步验证。

3）水平钻孔预报 水平钻孔分2个循环，第1循环设3个钻孔，从ZK8＋240～8＋290，长50m；第2循环设4个钻孔，从ZK8＋290～8＋340，长50m。采用进口C6钻机施工，钻孔直径90mm，除中心钻孔SZK6、SZK1终孔在开挖轮廓线内，其余终孔都在开挖轮廓线外2m附近，即需对隧道周边围岩在一定范围进行探明，水平钻孔布置如图2所示，水平钻孔地质柱状图如图3所示。从钻孔结果分析，风化槽起止桩号为ZK8＋270～8＋328，总长为58m，与TSP预报结果基本吻合。槽体以全风化花岗岩 （W4）为主。根据钻孔出水量分析，全风化地段渗水量大，为接近全水头海水。同时，钻孔分析还显示，F1风化深槽与洞身走向为斜交，其左侧先进入风化深槽，左右进入风化槽前后相差10m左右，而出风化槽的时候，左右差别不大，这是TSP和地质雷达预报所没有体现的。

4）地质雷达预报 采用GSSI SIR系列地质雷达，配属100MH屏蔽天线，探测掌子面为ZK8＋260，预报距离30m。预报结果如下：ZK8＋260～8＋274段，长14m，块状构造，属较硬岩，结构面变化不明显，岩体自稳能力一般，推测为IV级围岩；ZK8＋274～8＋290段，长16m，岩性变化大，岩体破碎，块状构造，节理、裂隙发育，可能出现斜向的结合程度较差的结构面，岩体自稳能力差，推测为V级较弱围岩，地下水发育，可能出现股状出水或涌水。据此分析，风化槽起点桩号为ZK8＋274，与TSP、水平钻孔预报结果 （ZK8＋270）比较接近。

图2 水平钻孔布置图

图3 水平钻孔地质柱状图

图4 岩石顶板厚度分析 （注：虚线部分为推测）

同时，还利用地质雷达对已开挖段进行岩石顶板厚度检测。ZK8＋210～8＋224段，岩石顶板厚度大于10m，属于安全区。ZK8＋226～8＋260段，岩石顶板厚度探测结果如图4所示，可推测出拱顶到达F1风化槽为ZK8＋272，这与地质雷达预报的ZK8＋274非常接近。

5）红外探水预报 探测掌子面为ZK8＋260，探测距离30m。结果显示，前15m少水，后15m富水。必需采取可靠的注浆堵水措施。

6）开挖验证 风化槽及前后过渡段的详勘成果、各种预报结果以及实际开挖揭露对比如表2。由表2可以看出，实际开挖揭露的风化槽过渡段和起止里程与详勘报告有所偏差，里程退后27m，长度缩短14m，风化槽体地质状况比详勘报告要差；TSP203和水平钻孔预报都达到了较高精度，地质雷达和红外探水是对预报结果必要的补充和佐证。由此也说明，本次F1地质预报是成功的。

3．2 经验小结

①开挖显示，F1风化槽地质变化非常剧烈，但从微风化到全风化总体是连续的，表现为地层变化过渡带，不过这种过渡段很短暂，有时只有3～5m，这种情况大大增加了地质预报难度和施工风险，应引起足够重视。②由于海底隧道的高风险性，水平钻孔具有不可替代的功能，既使是详勘揭示的连续好围岩地段，也有可能出现小型岩脉穿插造成的局部破碎带，因此，海底段必需全程钻孔取芯，并通过钻孔出水量和水压探测岩体富水情况。③由于风化槽与洞身呈空间交叉关系，加上边界起伏变化，使得隧道断面上下左右并不是同时进入不良地质体，TSP、地质雷达难以全面反映这种空间关系，而利用多个水平钻孔成果可判断风化槽与洞身空间交叉位置。因此，至少应施作3个以上水平钻孔。在重要不良地质体地段，TSP应在隧道两侧边墙分别实施，即对隧道两侧均进行预报。在实际施工时，可综合各种预报成果，把过渡地段考虑足够，以策安全。④对已开挖段，及时利用地质雷达扫描，探测隧道顶板岩层厚度，确保已开挖段支护结构短期和长期安全，对海底隧道有特殊的重要意义。⑤在TSP203规范操作和准确解释的基础上，结合其他钻探、物探信息，进行综合分析，可取得较好的预报效果。

表2 预报结果与开挖验证对比 （ZK8＋）

4 工程管理措施

超前地质预报在隧道施工中得到越来越多的应用，但实际效果良莠不齐。除技术性原因，还有很大一部分是管理的因素。为切实提高翔安海底隧道超前地质水平，笔者采取了以下措施，成效良好：①高度重视。要求做到 “有疑必探，无疑也探，不留死角，综合预报”。②保障经费投入。在编制招标工程量清单时，把超前地质预报工程量和报价单列，严禁不平衡报价，保障专项经费。③加强工程管理。在施工组织方案审查时，把超前地质预报作为一道必经工序，进行专项审查，在施工现场加强监督和考核管理。④规范技术管理。开展海底隧道超前地质预报专题科研，认真比对预报成果和实际开挖揭露，不断总结经验，形成较为规范统一的预报体系、操作措施和地质解释方法等技术指南，尽可能减少人为因素干扰，达到提高预报精度的目的。

5 结 语

基于厦门翔安海底隧道工程实践经验，建立了海底隧道超前地质预报综合体系，即以小断面服务隧道先行施工兼作地质导洞，以掌子面水平超前钻孔为主，以TSP203、红外探水、地质雷达等物探为辅，结合掌子面地质素描，综合预报。该体系经海底风化槽超前地质预报工程实践检验，精度高，可靠性强，可推广应用到其他类似工程。

［1］王梦恕 ．厦门海底隧道设计、施工、运营安全风险分析 ［J］．施工技术，2005（S1）：1-4．

［2］王梦恕 皇甫明 ．海底隧道修建中的关键问题 ［J］．建筑科学与工程学报，2005，22（4）：1-4．

［3］易小明，张顶立 ．厦门海底隧道超前地质预报经验总结 ［J］．山西建筑，2007，4（1）：7-8．

［4］王锦山，王力，曹志刚，等 ．厦门海底隧道综合超前地质预报实践 ［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（11）：2309-2318．

［5］徐文杰．TSP超前地质预报在海底隧道施工中的应用 ［J］．工程地球物理学报，2007，4（1）：31-37．

［6］黄建勇 ．超前地质预报在海底隧道中的应用 ［J］．石家庄铁路职业技术学院学报，2008，7（B06）：145-148．