青島膠州灣隧道(薛家島端)施工階段地質(zhì)工作概要

青島膠州灣隧道(薛家島端)施工階段地質(zhì)工作概要【摘要】：膠州灣隧道工程地質(zhì)條件特殊、水文條件復雜，海底段穿越斷層破碎帶施工風險高，在施工中根據(jù)隧道的核心是地質(zhì)這一特點，發(fā)揮施工期地質(zhì)工作的先導作用，優(yōu)化超前地質(zhì)預報手段，使隧道的超前地質(zhì)預報與動態(tài)設計得到及時實施，有效的防止和消除了通過海域段斷層破碎帶及含水構(gòu)造帶，突涌海水帶來的施工風險與地質(zhì)災害，獲得了良好的安全及整體效益?！娟P(guān)鍵詞】：膠州灣隧道工程施工階段地質(zhì)工作1工程概況青島膠州灣隧道工程，長度目前在我國排名第一，世界排名第三。是我國在建中的第二條海底隧道。與國內(nèi)外同類工程相比具有以下特點：規(guī)模大，投資高，工期長，總投資32.98億元，建設工期47個月。它是連接青島市主城與輔城的重要通道，南接薛家島，北連團島，下穿膠州灣灣口海域。青島膠州灣隧道為城市快速道路隧道，設雙向雙洞六車道，設計車速80km/h，隧道全長約7.8km，其中跨越海域段約4.05km。主隧道斷面為橢圓形斷面，開挖斷面從120.4㎡～171.1㎡不等，二次襯砌厚度從400mm～700mm不等。地震烈度:按Ⅶ度設防；設計安全等級:A級；防水等級:一級；設計基準期100年。采用進口端與出口端對頭掘進的方式，用鉆爆法施工。2工程地質(zhì)條件(1)膠州灣是山東半島東南沿海的一個深入內(nèi)陸的半封閉海灣，平均水深7m左右，最大水深65m。隧址區(qū)地貌為灣口海床及兩岸濱海低山丘陵區(qū)。隧道軸線處海面寬約3.5km，最大水深約42m。最深處靠近水域中央，在中部形成寬闊的海底面，為主要通航區(qū)，向兩側(cè)分別成兩個較陡的斜坡，斜坡間發(fā)育寬窄不一的緩坡平臺，潮間帶多為礁石。團島岸為濱海緩丘地貌，經(jīng)人工改造，地形較平坦，地面高程多在5～10m間，地面建筑物眾多。(2)隧道通過區(qū)薛家島出口端的構(gòu)造斷裂破碎帶有f3-1、f3-2、f3-3、f4-1、f4-2、f4-3、f4-4、f4-5、f5、f6共三組10條斷裂，為高角度的斷層，走向為北東、北西。斷層帶內(nèi)多為壓碎巖、角礫碎石，是地下水徑流的通道。在斷層帶及兩側(cè)影響帶內(nèi)海水直接補給。斷層附近因巖體破碎，風化相對嚴重，部分地段弱風化巖層底面在海底20m以下，已進入隧道內(nèi)部，巖體自穩(wěn)能力差，極易產(chǎn)生塌方和大量涌水。(3)隧道陸域段主要為花崗巖，海域段主要為火山碎屑巖，巖質(zhì)堅硬、脆，屬硬質(zhì)巖石，完整性好，節(jié)理較發(fā)育。在構(gòu)造帶附近巖體破碎，節(jié)理密集，巖石呈碎石、角礫狀，部分斷裂帶內(nèi)呈角礫或土加石的散狀結(jié)構(gòu)。圍巖以Ⅱ、Ⅲ級為主，約占55.7%,Ⅳ級圍巖約占38.1%,Ⅴ級圍巖約占6.2%。3對膠州灣隧道工程地質(zhì)的認識3.1對工程地質(zhì)的基本認識對膠州灣隧道工程地質(zhì)的認識，從實質(zhì)上講只有二點，一是對勘察程序、膠州灣隧道詳勘工程地質(zhì)報告與施工圖設計文件的認識，二是對施工階段地質(zhì)超前預測預報工作的職責、預報項目、內(nèi)容、目的的認識。從勘察設計程序上講，重大工程的勘察設計或已完成的詳細勘察資料與施工圖設計文件中都明確的提出，均應開展施工階段工程地質(zhì)工作。施工階段工程地質(zhì)工作是對前期勘察地質(zhì)工作的檢驗，是詳細勘察階段工程地質(zhì)工作的延續(xù)、補充與完善。盡管各勘察階段資料做的比較細致，但是由于受自然條件復雜多變的影響，工程地質(zhì)資料不可能完全真實地反映工程地質(zhì)條件，準確地預見施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題。施工前的圍巖分級主要是根據(jù)勘測階段取得地質(zhì)參數(shù)進行的，由于受地質(zhì)勘察手段的限制，常常不能獲得充分可靠的判定圍巖分級的數(shù)據(jù)，，因此根據(jù)詳細勘察資料，進行的施工圖設計都是屬于預設計，其準確性與實際的符合程度，都有待于在施工中的開挖檢驗，這一點，在膠州灣隧道詳細勘察工程地質(zhì)報告與施工設計圖中都有明確表述。3.2地質(zhì)工作不到位帶來的不利影響由于施工前受某些條件的制約與限制，地質(zhì)工作不到位，缺乏有效的圍巖級別判定的方法，加之我們對施工中的地質(zhì)工作缺乏足夠的認識，缺乏有效的判釋方法和手段，以致在隧道的施工中產(chǎn)生大量的變更設計，延誤工期提高成本，給工程帶來一定的影響。3.3動態(tài)設計的必要性鑒于隧道施工的特殊性，有眼睛干得無眼睛的活，因此大家一致認為：只有開挖出來的地質(zhì)狀態(tài)，才能使我們比較客觀、明確、可靠地了解在施工中出現(xiàn)的問題，才能使我們采取最符合地質(zhì)狀態(tài)的施工支護措施。這樣就對隧道施工期地質(zhì)超前預報工作，提出了明確的任務和要求，提前看到?jīng)]有開挖出來的地質(zhì)狀態(tài),確認和修正圍巖級別,并迅速而合理的反映到施工中，反映到支護結(jié)構(gòu)中，同時這也是隧道施工中動態(tài)設計的基礎(chǔ)。3.4地質(zhì)勘察的類型需要指出的是工程地質(zhì)勘察，實質(zhì)上是廣義的地質(zhì)超前預報，從勘察手段上講，有工程地質(zhì)測繪和調(diào)查、鉆探、物探、原位測試、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場檢驗這六種，最終得出的是工程分析評價和成果報告。而地質(zhì)超前預報采用的手段，是有針對性的，可以是這六種，也可以是其中一兩種的組合與強化。廣義的地質(zhì)超前預報，貫穿于隧道工程勘察設計各階段，并反映在工程設計文件中。狹義的地質(zhì)超前預報工作是特指隧道施工期地質(zhì)超前預報，是施工階段地質(zhì)工作的主要內(nèi)容，在隧道掘進之前，預先了解掌子面前已存在的地質(zhì)相關(guān)信息，對巖體的完整性、軟硬程度，節(jié)理的發(fā)育程度，含水情況等，做出科學正確的判定。其預報的作用、距離、精度、手段、方法、內(nèi)容有多種，具有很強的綜合性，系統(tǒng)性、未知性、實用性、客觀性，需要不同專業(yè)人員的配合。3.5適合本隧道工程的預報方法(1)地質(zhì)法：主要根據(jù)掌子面及兩側(cè)邊墻，揭示的地質(zhì)情況，如巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、破碎程度，巖石的軟硬程度，結(jié)合詳勘資料與圖件，預報掌子面前方存在的斷層，不同巖性間的接觸面，巖體的穩(wěn)定情況及失穩(wěn)破壞形式。屬直接法預報法。(2)超前導洞法：通過先行的服務隧道來預報左、右線隧道。屬直接預報法。(3)超前水平鉆（探）孔法：通過鉆（探）孔鉆進速度和對采取的鉆孔巖芯的觀察與試驗獲得掌子面前方巖體的強度、巖性、完整程度及含水情況等方面的直接資料，是各種預報方法中最直接有效定量的預報方法。(4)波反射法：主要利用聲波、超聲波、電磁波、地震波在地層中的傳播與反射，通過信號采集系統(tǒng)接受反射信號，采用專門軟件進行分析，判釋掌子面前方反射界面（結(jié)構(gòu)面，接觸面）距隧道掌子面的距離，來進行預報。屬間接預報法，有多解性。需要強調(diào)的是，各種預報方法雖然各有長處與短處，只要有針對性的進行綜合應用，就可以收到事半功倍的效果。雖然采用超前水平鉆（探）孔，會影響到施工掘進速度，增加一定的費用，延誤一些時間。但是增加的費用、延誤的時間與處理突水事件所增加的費用與延誤的時間相比，是十分有限的，是主動與被動的關(guān)系。4地質(zhì)工作內(nèi)容根據(jù)膠州灣隧道詳勘工程地質(zhì)報告與施工圖設計文件，結(jié)合陸域段的開挖情況在海域段做好以下幾點工作:4.1施工前的要求(1)海域段過斷層破碎帶掘進前，通過強審的施工圖設計文件應到位、長距離與短距離精確地質(zhì)超前預報工作應完成、施工用鉆孔注漿堵水設備、材料應到位。注漿記錄應采用三參數(shù)記錄儀完成；(2)施工地質(zhì)工作應作為一道施工工序，納入施工組織設計，隨有關(guān)工序一并報驗；(3)地質(zhì)超前預報應連續(xù)進行，需提前3～7天上報下一階段地質(zhì)超前預報方案（包括起止里程、采用何種方法、工作內(nèi)容、要達到的目的、所占用的時間、對進度的影響、是否會產(chǎn)生突發(fā)事件、需要協(xié)調(diào)解決的問題等）；(4)明確劃分施工單位、第三方預報單位在地質(zhì)工作中的職責，并全面履行各自合同的內(nèi)容與投標承諾，嚴格按已批準的實施性施工組織設計、實施方案、施工圖設計文件的地質(zhì)工作內(nèi)容進行地質(zhì)超前預報工作，其結(jié)果應符合相關(guān)規(guī)范的要求；(5)業(yè)主以書面形式明確施工單位，施做地質(zhì)超前預報工作的內(nèi)容與費用,制定剛性規(guī)定進行約束；明確參建各方對隧道施工與地質(zhì)超前預報工作的協(xié)調(diào)配合要求；(6)參建各方的地質(zhì)超前預報工作采用的各種設備的數(shù)量、型號應與投標承諾相一致，設備應完好，配、備件齊全的到場,操作人員應熟練。4.2施工過程的工作內(nèi)容(1)為確保地質(zhì)工作的質(zhì)量，施工單位必須提供符合照明、通風、安全要求的工作場地與地質(zhì)工序的工作時間；(2)在服務隧道的一側(cè),連續(xù)進行TSP預報。在服務隧道全段布置超前水平探孔，探孔長度與TSP預報的長度基本一致,結(jié)合膠州灣隧道詳勘工程地質(zhì)縱斷面圖，建立連續(xù)的TSP曲線、巖性、強度、完整性、含水性、圍巖級別之間的對比關(guān)系；(3)水平取芯鉆孔，取芯應按RQD標準鉆取巖芯、定名、做點荷載強度試驗，巖石波速試驗、孔內(nèi)攝影，以定量指標劃分圍巖級別，對原圍巖級別進行修正，同時進行開挖后的圍巖地質(zhì)編錄與影像工作；(4)在左線隧道的左側(cè)，右線隧道的右側(cè)，連續(xù)進行TSP預報，利用服務隧道建立的對比關(guān)系資料，在較準確定量預報的基礎(chǔ)上,劃分需進一步查明的重點范圍，布置超前水平取芯鉆孔，采用多種手段進行預報；(5)對洞內(nèi)的里程標注要準確及時，復噴混凝土后應及時恢復標注。4.3判釋與應用(1)明確對地質(zhì)超前預報工作內(nèi)容按排、判釋結(jié)果的選取,制定剛性規(guī)定進行約束；(2)在正常掘進時，連續(xù)進行超前探孔探水，探孔長38m（搭接8m），防止突水發(fā)生。遇超前探孔出水，立即加密探孔并進行堵水注漿；(3)根據(jù)地質(zhì)超前預報的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，對地質(zhì)超前預報結(jié)果的準確性進行驗證，并將驗證結(jié)果及時上報，以便指導今后的地質(zhì)超前預報工作；(4)對預報結(jié)果驗證的內(nèi)容應包括：斷層破碎帶與斷層破碎帶兩側(cè)巖體破碎帶和破裂帶的準確里程、產(chǎn)狀、巖性、圍巖等級、充填物、透水性等；(5)地質(zhì)素描編錄圖應與地質(zhì)照片相配套，需注明里程、節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀要素及地層、巖性描述。地質(zhì)素描編錄圖、記錄必須在現(xiàn)場進行，地質(zhì)素描編錄一律“寫實”，不做任何換算。地質(zhì)素描編錄圖式、圖例、比例、用語應統(tǒng)一，須當天完成整理繪制；(6)地質(zhì)素描編錄需在掌子面出渣完畢，清邦找頂完成后進行，同時還需對掌子面進行攝影（布照明燈二組，每組3×1000W，用帶廣角的相機，高清模式下拍攝），拍正面、左側(cè)、拱部、右側(cè)各一張，開挖臺車到位后，量測節(jié)理、產(chǎn)狀要素，取巖石樣定名，進行整理、編錄、存檔；(7)需對不同圍巖分級段內(nèi)的巖石取代表性巖樣2～3組留樣并做鏡下巖石定名、巖石抗壓試驗、編錄成冊并及時整理標本；(8)地質(zhì)素描編錄與地質(zhì)照片應在下列里程（點）進行：①施工圖中的圍巖等級分界里程。②施工圖中的支護類型分界里程。③地質(zhì)超前預報結(jié)果判定的圍巖等級分界里程（點）。④開挖中遇到的圍巖、巖性突變點。⑤Ⅱ～Ⅲ級圍巖每20m做一個（3～5個開挖循環(huán)）；Ⅳ～Ⅴ級圍巖10m做一個（3～5個開挖循環(huán)）。施工一定長度后，地質(zhì)素描編錄圖，應分段完善、總結(jié)，并作出相應的左線、右線、服務洞的展示圖與隧道縱斷面圖。4.4地質(zhì)預報與動態(tài)設計的結(jié)合(1)開挖到施工圖上圍巖等級（圍巖等級由好變壞或由壞變好）及支護類型的分界里程，需經(jīng)地質(zhì)判別后（超前地質(zhì)預報、地質(zhì)照片、地質(zhì)素描及地質(zhì)描述），方可按施工圖中的圍巖等級及支護類型進行開挖與支護；(2)圍巖等級變更必須遵守先提請后變更，批準后再施工的原則；(3)當施工圖中的圍巖等級與圍巖分界里程和實際開挖圍巖等級不相吻合時（圍巖等級由好變壞或由壞變好），施工單位應以書面形式向駐地監(jiān)理提出變更申請，提出時需附里程、超前預報、地質(zhì)照片、地質(zhì)素描編錄等資料，由駐地監(jiān)理召集相關(guān)人員參加，共同商討后判定暫定變更長度（起始與終止里程），以變更會議紀要的方式下發(fā)施工單位執(zhí)行；(4)若暫定變更長度開挖完成后，實際開挖圍巖仍然與施工圖不吻合，應繼續(xù)按（3）條重新辦理。5工作原則工程地質(zhì)工作的工作原則如下：(1)圍繞建設人文隧道、科技隧道、環(huán)保的目標，業(yè)主國信集團以嚴謹、科學、務實的理念，進行精心的施工籌備組織，施工中駐地監(jiān)理堅持科技為本，提供一流服務，建設一流工程，爭創(chuàng)一流企業(yè)，誠信至上，安全第一，質(zhì)量至優(yōu)，用戶至尊，服務至善的理念，確保工程的安全順利實施；(2)針對本隧道存在的斷層構(gòu)造發(fā)育、巖體種類繁多、巖性界面形態(tài)復雜的特點，結(jié)合本隧道水下施工的特點，超前地質(zhì)預報作為一道施工工序納入設計，按照“安全第一、預防為主”的原則制定，即超前地質(zhì)預報采用以地質(zhì)分析為主，長距離宏觀預報與短距離精確預報相結(jié)合、超前探孔與物探相結(jié)合、多種物探方法相互補充驗證、定性與定量相結(jié)合的綜合超前預報方案；(3)海底隧道的最大風險來自隧道頂部的海水，要將“水”的治理貫穿在施工的全過程，遵循“以堵為主，限量排放，剛?cè)峤Y(jié)合，多道防線，因地制宜，綜合治理”的原則。始終堅持先探后挖的施工原則，做到先探水、堵水，再開挖。根椐探明的地質(zhì)圍巖條件、滲漏水量的大小，合理選擇注漿堵水方案（如全斷面注漿、周邊帷幕注漿、局部斷面超前注漿、周邊短孔超前注漿）。使隧道注漿堵水后的出水量滿足，主隧道不大于0.4m3/d·m，服務隧道不大于0.2m3/d·m的設計要求。6工作成果表（薛家島端）見附表7結(jié)束語在青島膠州灣隧道施工期地質(zhì)工作中，統(tǒng)一了對隧道的核心是地質(zhì)的認識，認識決定態(tài)度，態(tài)度決定行動，行動決定成敗。根據(jù)隧道的核心是地質(zhì)這一特點，發(fā)揮施工期地質(zhì)工作的先導作用，采用長與短，虛與實，定性與定量相結(jié)合的方法，將7種地質(zhì)超前預報手段優(yōu)化組合為3種（TSP+探孔+影像與地質(zhì)素描編錄），在陸域段摸索磨合海域段推廣應用的工作方法，進行超前地質(zhì)預報工作，有效的減少了地質(zhì)預報工序占用施工作業(yè)的時間和協(xié)調(diào)難度，以利施工單位與預報單位的及時施作，同時又使隧道的動態(tài)設計（及時變更）得到有效落實，有效的防止隧道施工中突涌水的發(fā)生。特別值的一提的是在地質(zhì)超前探孔工作中，首次采用三臂鑿巖臺車的專用鉆桿與鉆頭，施做38m長的超前探孔，在海域段連續(xù)使用，有效的防止和消除了由于突涌海水帶來的