青島膠州灣海底隧道建造關鍵技術研究*

郭永建

(青島國信建設投資有限公司，山東 青島 266520)

0 引言

海底隧道以其對自然環境影響較小、海底穿行占用地面面積少、全天候通行等優勢，已成為跨海峽、跨海灣通道的首選。中國有近2萬km的海岸線，沿海地區對跨海通道的需求與日俱增。但海底隧道建造存在海底水量補給無限，高水壓易發生坍塌、突涌水等問題，且海底地質條件復雜多變，地質識別難度大，施工期破壞性強，海水腐蝕性強，結構耐久性要求高。

王夢恕[1-2]總結了現有國內外水下隧道設計、施工中存在的重難點問題及關鍵技術；張頂立[3]揭示了海底隧道施工過程中的突水機理，并提出地層結構界面變形控制技術；曲立清等[4-5]結合海底隧道實際工程，有針對性地提出了適宜的注漿加固方案；童建軍等[6]采用模型試驗方法，分析了海底隧道二次襯砌受力長期增長下的安全性問題，可為海底隧道長期運營耐久性設計提供指導。已有學者雖對海底隧道建造技術進行了有益探索和實踐，但隨著海底隧道建造長度和規模的增大，深水海域鉆探、海中無豎井長距離通風、半包防水滲水量控制等難題，亟需加以解決。

本文在海底隧道研究成果的基礎上，依托膠州灣海底隧道建造經驗，分析并總結海底隧道工程建造過程中的關鍵技術，以期為類似工程建設提供參考。

1 工程概況

青島膠州灣海底隧道是目前我國隧道長度第一、世界長度第三的海底公路隧道，隧道連接青島市市南區與西海岸新區。隧道全長7 800m，其中海域段隧道長4 095m，縱斷面采用V形坡，最小埋深25m，最大坡度3.9%，為雙向6車道，最大斷面面積412m2。主隧道按左、右線分離設置，中間設置服務隧道。設置10個車行通道和17個人行通道，連接2條主隧道和服務隧道。

2 綜合地質勘探技術

由于海底隧道處于海床下方，無法實地踏勘，且海域流向多變、海床堅硬、流速和風浪較大，給海上地質鉆探造成了極大困難。為此，選擇尺寸適中、具有密封艙結構、自帶動力的鋼質平底駁船作為浮動鉆探平臺，同時配以不同類型錨體組合的連環錨具，解決海域惡劣環境條件下勘探船強適應性問題。針對作業區海床堅硬、潮汐和海域風浪影響大、勘探船起伏較大、外層保護套管不易固定的難題，開發了鋸齒狀管靴+多道保護繩+固定套管外設置的大直徑活動套管技術，不僅保護了船體，且避免了隨潮汐頻繁接、卸套管，提高了鉆探工作效率。

隧道所在海域海床為硬質巖體，由于缺少隔水層，受潮汐影響，海上抽壓水試驗難度大，套管與巖體之間止水成為技術難題。通過多次試驗，開發出適合該場地條件、以干黏土球和海帶絲混合物為隔水材料的止水工藝。在穩潮時間段開展壓水試驗，采用通過鉆機鉆桿施加壓力，使止水栓塞膨脹的試驗設備，操作簡便、試驗效果好。

通過磁力測量、多道地震探測、單道地震探測、多波束水深測量、側掃聲吶測量、淺剖測量和海上鉆探等綜合技術手段，查明工程場區斷裂構造等不良地質分布范圍、性質，可知隧址穿越地層陸域為花崗巖，海域為花崗斑巖、凝灰巖、輝綠巖等火山巖。地質構造主要為斷裂構造，共穿越18條斷層破碎帶，其中海域段14條，斷裂帶大部分為高角度、中新代脆性斷裂構造?？碧浇Y果為設計與施工提供了可靠的地質依據。

3 高效注漿加固技術

3.1 不良地質超前探測與定位

在隧道施工過程中，采用數字鉆進超前探測技術探測不良地質體，可準確識別含水構造和地層界面，并進行圍巖判別，進而得出不良地質體范圍、物理力學特征、水文特征及其與海水的連通性。青島膠州灣海底隧道施工過程中，采用數字鉆進超前探測技術對沿線斷層進行準確探測，共識別出水點28處，探孔最大出水量為496L/min，為施工提供了指導，有效降低了突涌水風險。

3.2 不良地質段注漿加固

為保障海底隧道長距離穿越不良地質體的施工安全[7]，需進行注漿加固。本研究改進了三臂鑿巖臺車鉆孔和排渣系統，并同步對鉆桿、供水供風系統進行改進，使其滿足鉆設深注漿孔的要求。首次將三臂鑿巖臺車應用于海底隧道超前預注漿深孔鉆孔施工中，同步配合使用多功能鉆機開展超前水平鉆探取芯，提高了鉆孔速度和效率，縮短了注漿工期。采用改進后的三臂鑿巖臺車，可快速施作30m注漿孔，一次性鉆孔注漿至設計深度，通過新型雙通道注漿器灌注超細水泥漿，形成止漿巖盤(見圖1)，繼續灌注超細水泥漿形成止水帷幕。

圖1 不良地質段注漿效果

為檢驗注漿效果，結合工程實際，綜合提出以檢查孔出水量、吸水率、取芯率、滲透系數、膠結體強度為指標的注漿效果評價方法，并以堵水率95%、加固體強度15MPa、取芯率80%、致密性明顯提高作為控制標準。本工程嚴格按照注漿控制標準執行，保證了不良地質段安全、快速施工。

4 可維護式防排水技術

海底隧道設計基本采用V形縱坡，為避免高水壓，一般采用半包形式防水，將在隧道內匯集大量滲水，因此需加強隧道防排水系統設計，確定限排標準，減少排水量，保證排水系統暢通、可維護，降低施工期和運營期排水費用。

通過國內外隧道排水設計、施工調研，結合工程實際情況，進行經濟、技術分析，綜合提出了本工程“以堵為主，限量排放”的防排水設計原則，并制定了設計方案和排放標準，設計主隧道單洞排放標準≤0.4m3/(d·m)，服務隧道排放標準≤0.2m3/(d·m)。

采用超前注漿改良的巖體止水帷幕、初期支護和二次襯砌之間設置的防水板、防水混凝土二次襯砌結構構成防水體系，同時，建立完善的排水系統[8-11]，在隧道初期支護與二次襯砌之間拱墻范圍內設凹凸排水板帶和無紡布等滲水層，結構滲水通過可清洗的縱向排水管匯集，經橫向泄水管匯入路面兩側排水溝，最后通過9臺海水泵排出隧道外。隧道建成運營后，主隧道排水量為0.2m3/(d·m)，為設計值的50%，排水量控制水平居世界前列。

5 耐久性控制技術

海底隧道服役環境主要包括滲漏(海)水、富含高濃度氯離子的鹽霧、汽車尾氣碳化等，其中獨特的海洋腐蝕環境將導致隧道結構混凝土和鋼筋腐蝕，為保證結構耐久性需要，海底隧道耐久性設計、施工標準較高。

本工程施工過程中，采用結構斷面優化及定向控制爆破技術，嚴格控制圍巖損傷，形成集圍巖保護與加固、新型多重防腐錨桿(見圖2)防護、C35高性能濕噴混凝土初期支護、C50高性能混凝土二次襯砌、可重復防腐注漿加固等于一體的綜合耐久性控制技術。

圖2 多重防腐錨桿

本工程施工過程中，采用低爆速、不耦合裝藥控制爆破等技術[12]，將爆破振動控制在2cm/s以內，以保證對圍巖產生較小損傷，充分利用海底花崗斑巖等自身具有的良好耐久性。

隧道初期支護采用C35高性能濕噴混凝土，通過現場取樣檢測，確定性能指標滿足設計要求，其中抗滲等級達P12以上，滿足海底隧道使用壽命要求。

隧道二次襯砌采用C50高性能混凝土，現場取芯測試混凝土物理力學、抗滲、抗凍、抗碳化性能和氯離子擴散系數等，結果表明各項指標均滿足耐久性設計要求。

6 通風防災技術

長大隧道通風、防災、救援系統復雜，技術要求高[13]，應開展專項攻關，以確保運營通風、防災系統安全經濟，達到安全經濟運營的目的。為此，本工程建造過程中，采用通風防災模擬計算分析、模型試驗等方法，建立分岔式海底隧道1∶10大比例尺分段式通風物理模型系統(見圖3)，對隧道需風量(見表1)、隧道縱坡、洞內通風質量、隧道地形地質等進行分析，根據分析結果對擬定的通風方案進行定性、定量比較，對隧道運營多工況下的通風效果進行模擬，通過反復試驗與模擬分析，驗證通風系統理論計算和設計的合理性。通過試驗效果與數據分析，提出最優氣流組織和風機組合運營方案，全線共設置3座豎井，青島段隧道左線設置1號豎井(集中排風)，青島岸2號豎井左、右線合并設置，黃島岸右線設置3號豎井(兼左線排煙)。左線采取的通風方案為：2，3號豎井分3段送排縱向式+1號豎井集中排風；右線采取的通風方案為：2，3號豎井分3段送排縱向式通風。設計出滿足表1所示的設計風量最優風機組合方案，共設置18臺軸流風機、100臺射流風機，減少了專用排煙道設置和聯絡風道、豎井斷面規模，節約工程成本約1 000萬元。

圖3 隧道通風物理模型試驗

表1 通風區段設計風量 m3·s-1

7 結語

1)通過運用綜合地質勘探技術手段，探明了海底隧道穿越的18條斷層破碎帶位置。

2)青島膠州灣海底隧道采用數字鉆進超前探測技術對沿線斷層進行了準確探測，共探明出水點28處。

3)提出以檢查孔出水量、吸水率、取芯率、滲透系數、膠結體強度為指標的注漿效果評價方法。

4)研發了可維護式防排水系統，保障了海底隧道二次襯砌可作為安全儲備，實現了排水量僅為設計值50%的國際新低。

5)形成了集圍巖保護與加固、新型多重防腐錨桿防護、C35高性能濕噴混凝土初期支護、C50高性能混凝土二次襯砌、可重復防腐注漿加固等于一體的綜合耐久性控制技術。

6)通過建立隧道1∶10大比例尺通風物理模型，對隧道運營多工況下的通風效果進行模擬，確定了通風排煙方式，滿足長大隧道通風防災要求。