厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术

厦 门 海 底 隧 道 穿越富水砂层施工技术 报告人：孟维孝 二○○七年十一月 厦门

厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 目 录 引言 工程地质及水文地质 施工方案的确定 地下连续墙和深井降水关键技术 洞内砂层加固关键技术 结束语 一、引言 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 目前，全世界已经建成和正在建设的海底隧道有100多座， 主要分布在挪威、日本、美国、西欧和中国香港等国家和地区。中国的海岸线较长，岛屿、海湾星罗棋布，随着国民经济的发展，对跨海交通的需求将与日俱增，由于海底隧道不受台风、暴雨、浓雾等天气条件的影响而全天候使用并对海洋生态环境保护有着积极的意义，因此成为跨海交通的首选方式。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 厦门翔安隧道是中国大陆第一座海底隧道，对我国隧道建设技术的进步和发展，将起到里程碑式的作用。 隧道全长6051m，是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 该隧道采用三孔建设形式，两侧为行车主洞，中间为服务隧道，左右线行车隧道测设线间距为52m， 行车隧道开挖最大断面尺寸为17.04m×12.56m（宽×高）。行车隧道按照双向六车道高等级公路标准设计，兼具高速公路和城市道路双重功能，设计行车速度为80km/h。 52m 22m 服务隧道 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 翔安隧道出口端在海域浅滩段有约610m穿越富水砂层，是该工程施工的难点之一，由于砂层与海水直接连通，具有承压性，一旦发生突水涌砂将对整个工程产生灾难性的后果。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术二、工程地质及水文地质 2.1 砂层段工程地质 富水砂层段位于海域浅滩人工围堰内，原始地貌属于潮间带海滩，为含泥质的沙滩，向海域倾斜。地层由上而下依次为第四系人工填筑层、海相沉积层淤泥、冲洪积粘土、砂层、下伏燕山早期黑云母花岗岩。 竖井 砂层影响区段（610m） 粘土 砂层 W3 W2 W1 W4 淤泥 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术海域浅滩人工围堰示意 竖井 B段 A段 海堤 海堤 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术各岩土层主要物理力学指标 岩 土 名 称 填筑土 粘 土 状 态 松散-密实 硬塑 硬塑 密实 饱和 层 厚 标贯击数 渗透系数-5cm/s） （10(m) （击/30cm） 1.0～8.0 6.8～16.5 8.0～36.0 9.4 砾 砂 全风化 花岗岩 1.2～8.5 83.6 49.3 354.0 3.0 硬塑- 2.0～10.0 半干硬塑 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术砂层主要地质特征如下： （1）粗砂：黄色为主，饱和、中密，成份以石英、长石为主，粒较均，呈透镜体状分布于粘土中，厚度0.5～0.7m。 （2）粗砾砂：黄色为主，底部多为灰白色，饱和、密实，成份以石英、长石为主，局部含铁、锰质胶结物，往海域方向砂层底部逐渐含少量卵砾石，直径一般小于3cm，偶见4～8cm，砂层厚1.2～13.5m。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术砂层与全风化花岗岩接触部位 砂层首次出露 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术砂层段砂样 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术2.2 水文地质

根据地下水含水层所处位置及其不同的赋存形式，工程范围内地下水分为松散岩内孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水三种。 工程范围内砂层中的孔隙水可视为陆域地下水与海域地下水之间的过渡带，受潮汐影响，各含水岩层的地下水均具承压性。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术砂 层 承压水 砂层底部 渗流水 三、 施工方案的确定 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术3.1 设计方案 通过超前水平高压旋喷桩结合超前小导管注浆，形成闭合帷幕，阻止地下水和治理流沙，采用双侧壁导坑法开挖。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术3.2 施工方案的确定 通过现场反复试验，发现高压旋喷桩受潮汐影响，在动水环境下成桩效果较差，渗透系数和抗压强度均达不到设计要求。 成桩效果差 砂层高压旋喷桩试验取芯芯样 3.2 施工方案的确定 厦 由于双侧壁法中导坑断面呈蘑菇形，最大跨度达门12m，使拱部砂层在开挖施工时更易发生坍塌（根据地海勘资料，砂层主要集中在上半断面），且下部断面狭底隧窄，距离拱顶高，也不利于紧急情况下的抢险救援。 道12m 穿越富易坍塌， 水不利于抢险 砂层双侧壁法 施工技术 3.2 施工方案的确定 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 经过专家分析论证后一致认为，安全穿越该段砂层主要是减小砂层中承压水的影响和提高松散砂层的稳定性，最终确定采用以下施工方案： 3.2 施工方案的确定 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术洞外：地下连续墙+深井降水 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术3.2 施工方案的确定 洞内：采用CRD法开挖，小导管注浆超前支护。 Ⅰ Ⅲ Ⅱ Ⅳ 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术四、 地下连续墙和深井降水施工关键技术 通过连续墙形成止水帷幕，切断海水对砂层的补给通道，并通过降水井疏干帷幕内砂层中的水，消除隧道施工过程中发生突水、涌砂和坍塌的安全隐患。 连续墙 降水井 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术4．1地下连续墙 根据地质资料，砂层影响段隧道长达610m，为不影响隧道施工，利用地下连续墙将整个砂层段分隔成仓，分期抽水。 纵向连续墙沿左、右线行车隧道外侧15米进行布置，横向连续墙根据实际情况进行布设，本段砂层共设置三道横墙。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术一期连续墙 二期连续墙 三期连续墙 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 地下连续墙横墙与隧道关系 地面标高标高-22.5m标高-23.5m 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 地下连续墙纵墙与隧道关系 导向槽施工参数 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术1000双向φ12@250拉筋φ12@3000木楔木支撑水泥砂浆填充M10Φ12@250200平整后地面1500木楔75x75木支撑垫层C15706501002001730导槽剖面120(240)砖墙，间隔设砖垛 地下连续墙导向槽采用C30钢筋混凝土，埋深１～２m，墙顶高出地面０.１～０.２m。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 成型导向槽 导 向 槽 施 工 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 地下连续墙施工参数 墙身采用C25素混凝土，厚60cm，墙顶与导向槽搭接20cm，墙底进入全强风化花岗岩4～6m，以防止海水绕流进入帷幕区内。 横向连续墙在洞内出露情况 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 地下连续墙施工参数 连续墙单元槽段长度为6.5m，拐角、T型槽段设长短边,短边最小为一个抓斗的长度，闭合槽尺寸进行适当调整。 普通槽段 第1抓 第槽段3抓1 第2抓 槽段2 冲击钻机成孔 T型槽段 成槽及混凝土浇注 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 连续墙成槽采用平行流水作业、三抓成槽工艺，也可采用两钻一抓工艺成槽，以提高施工功效。 BS650成槽施工 成槽及混凝土浇注 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术成槽机开挖，槽段开挖完成 冲击钻机成孔 槽段边线 两钻一抓流程示意图 “两钻一抓”成槽 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 4．2成槽及混凝土浇注 在抓槽施工过程中如遇到孤石或者其它胶结物时，换用冲击钻先冲后抓。施工中注意及时纠偏，槽深根据揭示的实际地质情况确定，抓槽过程中做好地质编录，绘制详细的砂层段地质纵断面图，以指导洞内开挖施工。 连续墙竣工图 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 混凝土采用2根导管同时浇注，导管底悬空0.4 ～ 0.5m；浇注过程中，导管埋深控制在2～6m。 地连墙混凝土浇注施工示意图 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术单元槽段接头处理 槽段接头采用锁口管接头构造，奇数段两端设锁口管，并在混凝土浇注完3～5h后拔出。偶数槽段浇注前，用接头刷将接缝面泥皮清除干净，确保相邻槽段连接良好。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 接头刷 刷槽施工 连续墙封端 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 为保证封端效果，连续墙封端选择在海水低潮时进行，封端槽段设在砂层相对较薄、深度较浅的纵向连续墙。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术4．3深井降水 适时安排降水井和观测井的施工，以确保在连续墙封闭时同步完成，止水帷幕一旦形成即可进行降水。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术降水井 降水井共设置4排，纵向间距15～20米，分深井和浅井两种，深井设置在主洞外侧，进入全强风化层6.0m左右；浅井设置在主洞与服务隧道之间，穿透砂层即可。井管采用无砂混凝土管，井径Φ600mm，井壁填充滤料采用5～10mm豆石。降水井具体位置及数量根据砂层情况和抽水状态进行调整。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 降水井、观测井平面布置图 水16.6111216.26161512水22115.68222水水.191617.56水水水16.水1315.9922115.950.362215.9917.51水水水水12226 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 止水帷幕封闭后开始抽水，采用智能高扬程潜水泵，为确保抽水连续，现场配置备用电源，并具有自动切换功能 。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 观测井 观测井设在连续墙外侧，井径Φ130mm，纵向间距70m ，与临近的连续墙同深，横墙处外侧设置2口；内侧可利用部分降水井作为观测井。 安排专人定时观测记录并及时进行分析，据此决定是否加密降水井，以确保降水效果。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术五、洞内砂层加固关键技术 在正式穿越砂层施工前，首先进行了普通小导管和TSS小导管后退式注浆的试验。 普通小导管 TSS小导管 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术普通小导管注单液浆 TSS小导管注单液浆 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术TSS小导管注固砂剂 TSS小导管注双液浆 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术注 浆 试 验 对 比 表 普通小导管 TSS小导管后退式分段注浆 水泥-水玻璃 双液浆 W/C=1：1 W/S=3：1 W/C=（1：1）：0.2 8h 6h 16min 浆液种类 水泥单液浆 水泥单液浆 固砂剂 配合比 W/C=1：1 固结时间 优点 8h 成本低 成本低 颗粒细， 可注性较好，固可注性好 可注性好 结时间短，有利于加快施工进度 施工时小导管 成本高， 进砂，注浆效 固结时间长，固结时间较对现场操作 缺点 果差，固结时 不利于施工长，不利于 要求较高 间长，不利于进度 施工进度 施工进度 最佳方案 采用TSS管注水泥-水玻璃双液浆（1：1）：0.2 5．1超前小导管及掌子面临时封闭措施 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 超前小导管根据连续墙内外（隧道两侧）降水井内的水位情况、超前水平探孔的出水量情况和掌子面土体的稳定性进行布置： ⑴如果超前水平探孔出水量较小、掌子面土体比较稳定，则采用的施工参数如下： ①超前支护采用长度为3.5m的TSS管注双液浆，搭接长度为1.5m，环向间距为20cm。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术 ② 掌子面弧形开挖面范围内的砂层采用挂设塑料网喷砼进行封闭，厚度为8cm，同时打设3.5 m长的TSS注浆小导管( 42 mm×3.5 mm)，每2m一个循环，小导管按照1.0 m×1.0 m梅花型布置 。 中隔墙超前小导管示意图 塑料网 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术(2) 如果水平探孔出水量相对较大(有股状水)，掌子面出现含砂渗水呈流塑状，表明砂层下的全风化层透水能力较强或砂层起伏较大，则： ①超前支护采用长短结合的TSS注浆小导管，即2排3.5m长+1排8m长，每排间距2m，环向间距为30cm。 ②掌子面弧形范围内的砂层采用挂设塑料网喷砼进行封闭，厚度为10cm，同时打设6m长的TSS注浆小导管，每3m一个循环，按照1.0 m×1.0 m梅花型布置。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术5．2小导管注浆设备 采用两台ZYB70/80D型单缸双液注浆泵同时进行注浆，可以加快注浆速度。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术5．3小导管注浆参数 TSS超前小导管采用水泥-水玻璃双浆液，注浆参数：配合比：（1：1）：0.2 注浆压力 ：0.5~1.0 MPa 当掌子面出现粉砂及含较多胶结物的砂层时，可采用超细水泥或固砂剂代替普通水泥。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术六、 结 论 实践证明，在洞外采取地下连续墙和降水井对地下水进行控制，在洞内采用超前小导管注浆加固的技术方案穿越富水砂层是可行的。在实际施工过程中，掌子面所开挖揭露的围岩除局部因砂层处于V型低洼谷底有少量渗水外，大部分都比较干燥，通过注浆可以达到固结的目的，自稳性大大增强，每天平均的开挖进尺可以保持在1.5m以上。 通过对富水砂层的成功治理，为今后类似地下工程的施工积累了一定的经验，主要有以下几点： 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术加强前期地质勘察工作，由于深水海洋地质勘察的难度高、投入大，而漏勘与情况失真的风险程度增大。因此规划设计阶段要采取各种可能的方法进行尽可能详细的地质勘探。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术施工过程中要坚持进行综合超前地质预报，长短结合，物探与钻探结合。 TSP203预报 地质雷达预报 水平钻探 突水涌泥涌砂是海底隧道施工的最大威胁，厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术施工过程中要准确掌握掌子面前方的地质情况，严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针进行施工，是降低施工风险的有效手段。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术由于砂粒的粗细程度和胶结物含量不一，应充分利用各种浆液的优点，相互弥补其不足，综合采用多种注浆材料组成配套体系进行施工。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术充分做好各项应急救援准备工作，加强应急预案的演练，提升应急救援能力。 应急救援预案 应急预案学习 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术做好初期支护的补偿注浆工作。由于砂层段在停止抽水以后水位恢复较快，海水对初期支护钢拱架容易造成腐蚀，因此在喷射混凝土施工过程中要预埋注浆管，并尽早进行补偿注浆。 厦门海底隧道穿越富水砂层施工技术