海底隧道施工工艺工法.docx
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海底隧道施工工艺工法
建筑
海底隧道施工工艺工法
QB/ZTYJGYGF-SD-0501-2011
第五工程有限公司
李阳刚
1前言
1.1工艺工法概况
海底隧道施工工法众多，常见的有钻爆法、沉管法、盾构法和
TBM法等，本工法
是采用钻爆暗挖法修建海底隧道的施工工法，是通过厦门东通道翔安海底隧道工程四
年施工实践和不断总结而形成的一套比较完善的施工工法。
在国外采用钻爆法修建的
海底隧道非常多，如日本长53.85km的青函隧道、关门铁路隧道、关门公路隧道、新
关门隧道、瑞典的Forsmark1
（2）隧道、英法海峡隧道等。
厦门东通道翔安海底隧道
是我国大陆第一条海底隧道，该工法的形成对我国海底隧道施工发展有一定的积极作
用。
该工法是普通山岭隧道、过江隧道的发展与延伸，海底隧道与普通的山岭隧道相
比，常会受探测手段的限制，对地质及其性质等情况掌握不全面，加之头顶无限量海
水，在高水压和潮汐的影响下，施工存在很高的风险，施工安全难以受控，施工时容
易发生突水涌砂等情况，甚至酿成重大安全事故、工程报废等灾难性的后果，产生不
良的社会、经济影响。
该工法对海底隧道施工降低施工风险，确保施工安全有着积极的意义。
1.2工艺原理
海底隧道施工按照“新奥法”原理，遵循“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”
原则，坚持动态设计、动态施工，重点突出“管超前、严注浆、勤量测”
，采用物探
（TSP-203预报系统、地质雷达、红外探水）和常规钻探相结合、区域地质重点分析
和地质素描相结合、长距离地质预报和短距离地质预报相结合的综合超前地质预报手
段，探明掘进工作面前方地质、水位情况，施工中加强地表和洞内的监控量测，据以
优化、调整施工方法，将海底隧道施工的风险降低在可控范围内。
2工艺工法特点
2.1在施工过程中进行全面风险管理，建立健全风险预警和应急管理机制，完善电
力、排水、通信、门禁、视频监控、报警、逃生救援系统，加强应急演练，强化防范
施工风险的能力，使施工安全始终处于受控状态。
建筑
2.2将综合超前地质预测预报和系统监控量测纳入工序管理，较为全面的掌握隧道
掘进面前方地质情况、支护系统的变形情况，定岗定责，建立信息反馈、沟通、处置
机制，以进行风险预警，避免盲目施工，降低施工风险。
2.3将信息化施工理念贯穿施工过程，坚持动态设计、动态施工原则，及时调整施
工工艺、方法。
2.4按照新奥法施工原理，尽可能减少对隧道周边围岩的扰动，严格执行新奥法“管
超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”施工方针。
2.5采用地表加固和洞内普通小导管、TSS注浆小导管、超前锚杆、大管棚、全半
断面超前帷幕注浆加固等措施的组合（同时采用一种或几种）利用，进行超前预加固，
改善前方工作面的施工性能，降低施工风险，确保施工安全。
2.6对于水的治理，坚持采用“防、排、堵、截”相结合的综合治水处理原则，“以
堵为主、限量排放”。
3适用范围
本施工工法适用于穿越海底、河底和水库、湖泊的公路、铁路、水工、电缆隧道
施工。
4主要引用标准
4.1《公路隧道施工技术规范》（JTGF60）、《公路隧道施工技术细则》（JTG/TF60）、
《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1）。
4.2设计图纸、合同文件。
5施工方法
以“新奥法”施工基本原理为依据，贯彻信息化施工理念，充分利用综合超前地
质预报和监控量测等手段，坚持动态设计、动态施工，加强超前预加固、预支护，综
合应用各种成熟施工工艺、方法，严格执行质量标准，认真落实设计意图，运用系统
风险管理的理念组织隧道施工。
采用CRD法、CD法、双侧壁导坑法、中导洞法、台
阶法相结合的方法进行隧道开挖、支护施工，坚持“管超前、严注浆、短进尺、弱爆
破、强支护、快封闭、勤量测”；防排水施工，坚持防、排、堵、截相结合，以堵为
主、限量排放。
6工艺流程及操作要点
6.1施工工艺流程
施工工艺流程图见图1
建筑
图1海底隧道施工工艺流程图
6.2操作要点
6.2.1综合超前地质预报
隧道工程地质条件具有较强多变性和不可确定性，而海底隧道施工更是一项高风
险的建筑工程。
因为不可能以地貌来预测海底断层等不良地质现象，海上钻探又十分
建筑
困难，要准确探明海底地质情况并预测隧道穿越段的地质情况并非易事。
为了保证海
底隧道施工的安全性和减少突发灾害事故的发生，必须在海底隧道施工的过程中，对
隧道开挖前方的地质条件进行经常性的综合探测，对数据的分析和应用必须达到信息
化和动态化。
日本青函海底隧洞（53.850Km）成功的经验之一就是以综合手段做了大量
的施工地质预报工作，确保了施工安全，确保了工期。
现行的地质预报手段均存在不同的局限性，要清楚的了解掌子面前方的地质情
况，实行综合地质超前预报很有必要，尤其是地质情况极其复杂隧道更是如此。
海底隧道施工中采用综合超前地质预测预报技术，采用物探和钻孔相结合，长距
离探测和短距离探测相结合、区域地质和细部地质相结合、构造探测和探水相结合、
服务隧道和主隧道地质预报相结合的综合超前地质预报措施，将地质预报纳入施工工
序管理，坚持有疑必探，将预报的结果互相参考，相互印证，提高地质预报精度，避
免盲目施工，以降低施工风险。
采用的地质预报方法有地面地质调查法、断层参数预
测法、TSP、HSP、深孔钻探法、掘进工作面地质素描法、地质雷达、红外线超前探水、
短距离钻探法等。
超前地质预报的重点是隧道工作面前方岩体岩性及水文地质情况，
工作面前方地质异常体位于隧道详细里程及规模，隧道开挖后周围未被揭露出隐伏地
质异常体的分布情况的等。
海底隧道施工地质预报，对隧道顶板厚度的预测显得尤为重要，在施工过程中必
须引起高度重视。
1TSP203超前地质预报法：
预测预报隧道工作面前方100～150m的地质特征，
计划全隧道采用，TSP203预测预报具有适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰
小、探测时间短、提交资料及时等特点。
TSP203有效预报距离视可达100～150米，
需要预报区段大于有效预报距离时应多次预报，两次预报重复长度不小于
10米
2长距离超前钻探法（50～100m）：
主要应用于海底不良地质地段，超前钻孔是
采用水平地质钻机完成的，这些钻孔对于进一步探明隧道区域内的地质状况，特别是
探测含水构造体或地质异常体，预防隧道突水突泥，对隧道开挖及后期运营都是极其
重要的。
3红外线超前探水法：
红外线超前地质预测预报系统是目前较为先进的地下水预
测预报方法之一。
红外探水的有效探测距离约为30m。
每两次横洞探测应重复3m，正
洞重复5m。
4地质雷达（GPR）探测法：
本工程采用SIR-10B型地质雷达探测。
可以预报隧
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道施工开挖面前方30m的地层的变化。
其目的一是印证和补充TSP203长距离预报所
得到的地质信息；二是结合掌子面地质素描，根据探测的地质剖面图，推断掌子面进
深10～30m围岩具体状况，绘制出地质解释图，提出围岩具体信息预报和施工预案。
5地质素描法：
在隧道掘进施工时，每个工作面在爆破碴清运完毕后由1名有经
验的地质工程师，利用罗盘仪、地质锤、放大镜、皮尺等简单工具对下一循环工作面
进行地质素描。
根据地质素描图的内容，绘制地质素描图，并做出开挖面前方较短距
离内的岩体稳定性分析。
必要时还可用数码摄相机摄像，根据岩体变化来推断前方地
质变化趋势。
6短距离超前探孔法（5～8m）
在地质不良地带，隧道开挖时，每循环还需要进行短距离超前地质钻探，此时一
般可利用人工手持风钻或台车液压钻机对工作面进行补充加密钻探，钻孔深度
5～
8m，探孔数量不少于6个，探孔分别位于拱顶、两拱腰、两边墙、拱底。
探孔探测若
无异常情况出现，可进行钻爆开挖。
在短距超前探孔预测预报过程中，若工作面局部
出水量较大，应增加探水孔数量，以便更加准确地进行预测预报。
建筑
收集各种比例尺的地质
图、构造体系图及其说
明书等区域地质资料
地表和洞内地质调查，获
取第一手的地质资料
收集详细勘查的地质
资料
综合预报理论的研究应用和主要不良地
质分析与宏观预报
宏观预报隧道的最主要不良地质类型、特征及
其走向。
宏观预报隧道可能发生的重大地质灾害类型、
特征，大致部位。
提出超前地质预报的方案、仪器选型及相互搭
配，可能遇到的问题及解决方法。
以TSP、地质雷达探测、
红外探水为主的各种超前
地质预报仪器的应用
连续、长期采用的地质
素描预测等方法的应用
适度的长距离超前钻
探手段的应用
施工地质灾害发生可能性的判断
图2综合超前地质预报流程图
地质雷
图3综合超前地质预报剪影
红外探
超前水平钻
TSP20
地质补钻
6.2.2超前预加固
根据超前地质预报结果，认真分析工作面前方岩体岩性及水文地质情况，地质
异常体位于隧道详细里程及规模情况，实施动态设计，及时制订各类施工技术预案，
制定相应的超前预加固方案，海底隧道常用的预加固方案大致可以分为两种情况：
一
种是在隧道地表进行的加固方案，如高压旋喷桩、地下连续墙等。
地表加固方案一般
只适用于陆域段和浅滩筑岛段。
因为陆域段和浅滩筑岛段可以为地表加固提供施工条
件，也不担心海水通过加固体缺陷发生倒灌，且地表加固可以提前实施，加快施工进
度，缩短施工工期，海域段原则上不提倡地表加固；另一种就是在隧道洞内进行工作
建筑
面前方的围岩加固，提前对不良地质体进行处理。
常采用的加固方法有普通小导管、
TSS注浆小导管、超前锚杆、大管棚、全（半）断面超前帷幕注浆等，对于上述加固方
法，一般采用一种或几种加固方案相结合的系统加固方案进行超前预加固。
根据综合
超前地质预报成果，根据不同的围岩情况，采取有针对性的加固措施。
对于普通地质
地段采用普通小导管、锚杆、TSS小导管注浆加固，而对于长度较长的不良地质体应
该采用大管棚、全（半）断面帷幕注浆进行超前预加固，以确保施工安全。
原则上能不
用大管棚、全（半）断面帷幕注浆的就尽可能的不采用，因为隧道施工工作面狭小，且
大管棚、全（半）断面帷幕注浆施工周期较长而不提倡使用。
采用普通小导管和超前锚
杆、TSS小导管进行注浆加固，导管长度控制在3～4m范围内，搭接长度不得低于1.5m，
以确保施工安全。
超前预加固必须注意超前预加固的效果检测，特别是注浆完成后的
出水量控制是海底隧道超前预加固的重要指标，在施工过程中应引起高度重视，预加
固效果检测常用且有效的办法就是进行探孔观测。
陆域浅埋段在洞口采用40m超前大管棚配合普通小导管进行超前预加固，洞身
地段采用普通小导管和TSS注浆小导管进行超前加固，在地表采用高压旋喷桩进行预
加固。
浅滩砂层段在地表采用地下连续墙进行封闭海水与砂层的联系，并采用深井降
水，在洞内采用TSS小导管进行超前注浆加固。
海域风化槽地段采用大管棚配合全断面或半断面帷幕注浆进行超前预加固。
6.2.3开挖
严格按照新奥法施工原则，尽可能减少对隧道周边围岩的扰动，坚持先治水后开
挖的原则，严格执行新奥法“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、
勤量测”施工原则。
根据超前地质预报结果制定相应的开挖方案，海底隧道常用的开挖方法有
CRD
法、双侧壁导坑法、台阶法和中导洞法。
全断面开挖爆破振动大、对围岩的扰动大，
且因开挖断面大而不利于抢险救援，一旦发生事故易造成灾难性后果等原因，海底隧
道开挖施工原则上不提倡采用。
CRD法、双侧壁导坑法施工适用于V级围岩地段，CRD法施工对围岩的收敛控制
更为有利，而双侧壁导坑法对控制围岩下沉则更胜一筹。
CRD法和双侧壁导坑法均可
以预留核心土的办法来确保施工工作面的稳定和安全。
但CRD法与双侧壁导坑法又存
在着施工工序繁多，工序衔接难度大，岀碴和进料比较困难，施工组织难度大，施工
建筑
进度缓慢等缺点。
台阶法则适用于IV、III级围岩，台阶法根据隧道施工断面的大小，可以分为
上下台阶和三台阶法等，台阶法施工时各台阶长度不宜留得过长，一般控制在
以内，有利于支护结构的及时封闭，有利于结构的稳定。
若有必要，可采用三台阶七
步法施工，进行平行推进。
台阶的预留高度要以方便出碴、施工支护结构为原则。
中导洞法则适用于II、I级围岩，中导洞法与全断面法相比，不仅存在施工断
面小，炸药用量小，爆破振动小，利于光面爆破控制等优点，而且具有在出现突水情
10m
况下便于处置等优点。
建议海底隧道开挖采用中导洞施工代替全断面进行施工。
中导
2
洞施工中先行导洞面积控制在40～50m，导洞施工超前扩挖控制在10m内，以方便岀
碴和施工风水管线的布置。
各种施工方法，施工原则就是把大断面划分成若干个小断面，最大限度的利用围
岩的自稳能力，有利于围岩的稳定。
在施工过程中经常会遇到各种施工方法的相互转
换，在转换中应该遵循差围岩向好围岩延伸的原则，延伸长度一般不小于
再进行施工方法的转换。
10m，然后
陆域浅埋段、浅滩砂层段主要采用的开挖方法有
CRD法和双侧壁导坑法进行开
挖。
海域风化槽地段采用三台阶法进行开挖。
海域其他地段主要采用上下台阶法和中
导洞法进行施工。
6.2.4初期支护
根据综合超前地质预报结果，针对不同的围岩和地质情况，采用不同的支护类
型和参数，常见的初期支护有以下几种情况：
①喷射素混凝土，适用于I、II级围岩。
②钢筋网+喷射混凝土，适用于整体性不太好II级围岩和较好的III级围岩。
③锚杆+钢筋网+喷射混凝土，适用于综合判断较差III级围岩和较好的IV级围
岩。
④工字钢拱架或格栅拱架+锚杆+钢筋网+喷射混凝土。
适用于IV、V级围岩。
针对不同的地质情况，喷射混凝土强度等级一般在
C20、C25、C30之间，有些
地方施工纤维混凝土；钢筋网一般采用Ф6、Ф8mm单层或双层钢筋网；锚杆一般采
用螺纹钢锚杆、中空注浆锚杆、自进式锚杆等，根据不同的围岩情况选择锚杆间距和
大小。
对于工字钢拱架和格栅拱架，工字钢拱架应用范围较广，但是工字钢拱架存在
着与喷射混凝土连接整体性不好和工字钢拱架背后不易喷射密实的问题。
格栅拱架和
建筑
喷射混凝土连接好且容易喷射密实，后期的整体受力情况，格栅拱架高于工字钢拱架。
格栅拱架刚度不及工字钢拱架，不建议在CRD法、双侧壁导坑法临时支护部分上使用
格栅拱架，且后期拆除难度比工字钢拱架大，不利于回收。
对于喷射混凝土施工，隧道开挖后应及时初喷，以减小围岩的松动圈，有利于控
制下沉和施工安全，初喷厚度不小于6cm，遇到渗水量较大的部位可以在初喷前先挂
设柔性金属扩张网，然后进行初喷，并在基面预埋导流管。
初喷完毕后立即进行工字钢拱架（钢格栅）的安装，安装时要严格控制垂直度和法
线，要确保各部工字钢拱架封闭成环后在同一个铅垂面上，确保整体受力。
为防止支
护结构的沉降和收敛变形，可在钢拱架落地脚板处安设方木或槽钢做扩大基础（大拱
脚），并在每个落地脚板位置打设2根锁脚（小导管、锚杆），锁脚是控制下沉的有利
措施，锁脚必须和钢拱架焊接牢固。
钢拱架安装完毕后挂设钢筋网，进行喷射混凝土施工。
6.2.5监控量测
隧道监控量测是隧道信息化施工的重要依据之一，是风险预警的一项显性指标，
通过对监控量测数据分析，可以反映出隧道支护结构的可靠程度，是隧道施工的第三
只眼，对于海底隧道这种高风险隧道，监控量测显得尤为重要，必须将监控纳入正常
的施工工序进行管理，成立专门的量测小组负责隧道日常的监控量测工作，并对日常
采集的数据及时整理分析，及时反馈，根据监控量测数据及时修正施工工艺、参数，
指导现场施工，为动态设计提供可靠的依据。
建立监控量测风险预警机制，预测沉降
收敛变形可能引起的后果，并制定针对性的措施，以确保施工安全。
对于海底隧道，应采取地表沉降观测（陆域、浅滩段）和洞内位移观测相结合
的监控量测手段进行联合监测，通过地表沉降观测和洞内位移观测，找出其中的相关
性，用以指导海域段施工，即在海域段隧道施工过程中洞内位移值达到多大可能对海
床产生影响，为确定海域段隧道的最大变形量提供理论依据。
地表沉降观测
洞内监控量测
图4监控量测剪影
建筑
6.2.6防排水
水是隧道施工“万恶之源”，对于海底隧道水的治理问题显得尤为突出，海底隧
道采用防、排、堵、截相结合的综合治水处理措施，采用“以堵为主、限量排放”的
治水原则进行处理。
海底隧道防排水施工主要有以下几种情况：
1对渗涌水量较大的围岩地段，通过超前预注浆进行堵水，如地下连续墙、全
（半）断面帷幕注浆堵水、超前TSS小导管注浆堵水等。
2初期支护喷射混凝土采用抗渗等级S8防水混凝土进行堵水。
3在初期支护施工完毕后，进行补偿注浆施工，即在初期支护和围岩之间进行
注浆堵水，要求注浆完毕后初期支护无明显滴水。
4采用防水板进行防水，防水板一般采用PVC、EVA防水板。
防水板防水引入了
分区防水理念，以每一组二次衬砌作为一个防水分区，确保因防水板局部破损不会导
致整个二次衬砌出现背后积水。
5二次衬砌采用高性能、耐腐蚀混凝土，抗渗等级为
S12。
6施工缝、沉降缝采用止水条、止水带、水泥基结晶、P201胶等堵水。
7对于初期支护与防水板之间的少量积水，通过纵横向排水管排导入排水边沟。
6.2.7二次衬砌
海底隧道二次衬砌施工同山岭隧道施工基本相同，采用大型模板台车和输送泵进
行施工，其不同之处在与二次衬砌混凝土本身的抗渗、耐腐蚀性能。
海底隧道施工，
由于隧道大部分处于水域之下，且周边环境地下水水质基本与海水相同，为了防止钢
筋和混凝土的腐蚀，对二次衬砌混凝土采用了高性能耐腐蚀混凝土，抗渗等级
具体配合比见下表：
S12，
表1高性能耐腐蚀混凝土配合比参考表
粉煤
速凝
坍落
度
水泥
水
砂
碎石
矿渣粉
140kg
150kg
156kg
减水剂
3.74kg
3.29kg
灰
剂
明洞衬砌C30
配合比
257kg
245kg
254kg
164kg
151kg
155kg
696kg
668kg
1043kg
1088kg
70kg
—
210
150
210
/
仰拱衬砌C45
配合比
75kg
—
二次衬砌C45
713
kg
3.91
kg
1020kg78kg
—
配合比
P．Ⅱ.4
饮用
水
5～
S95磨
原材料情况
中粗
Ⅰ级
X414
无碱
2.5
25mm
细
建筑
二次衬砌施工过程中应严格控制混凝土原材料的施工质量，原材料是混凝土施工
质量好坏的前提。
严格执行配合比，拌合采用强制式搅拌机，电子计量系统，要求各
种计量器具应保持准确。
加强混凝土运输过程的管理，防止混凝土提前凝结。
混凝土
入模前对混凝土提取试件，并进行坍落度试验和温度检查，塌落度为
200±20mm，混
凝土入模温度控制在环境温度＋2℃以下。
由于温度和应力的峰值均出现在早龄期（3天以前）,此时，混凝土的抗拉强度小
且不稳定，是产生裂缝的危险期，稍有疏忽大意即可导致裂缝的发生。
所以，应特别
重视早龄期的温度控制，早期温度控制对混凝土耐久性将产生较大的影响。
钢筋混凝土施工过程中混凝土保护层的控制是混凝土耐腐蚀的重要影响因素，
施工过程中应引起高度重视，必须严格施工工艺标准和施工过程质量控制，认真落实
每个具体的措施，才能使混凝土施工质量缺陷降到最低。
在
图5混凝土施工温度控制
7劳动力组织
对于海底隧道选用不同的设备，不同的施工工艺，其劳动力安排相差较大，在此
只对常规情况下的劳动力安排做个参考建议。
表2劳动力组织（单工作面）
序号
工作项目
超前预报
作业内容
地质工程师
地质预报员
钻机司机
人数
1
1
3
3
1
2
钻孔注浆
注浆机司机
建筑
孔口管加工安装
搅拌机上料、开机
开挖工
2
6
25
12
6
自卸车司机
挖机、装载机司机
爆破工
3
4
开挖
3
空压机司机
钢架、锚杆、钢筋下料
制作钢架
4
2
4
初期支护
洞内安装
6
混凝土喷射手
运料、搅拌机上料、开机
模板台车走行、就位
搅拌站
2
8
4
6
5
6
二次衬砌
混凝土浇筑
混凝土灌车、泵车司机
技术员
6
8
1
量测及测量
测量工
2
队长
1
技术负责人
专职安全员
试验员
1
3
7
管理及其他
合计
2
电工
3
修理工
3
128
8主要机具设备
对于海底隧道选用不同的设备，不同的施工工艺，其主要机具设备安排相差较大，
在此只对常规情况下的机具设备安排做参考建议。
表3主要机具设备
建筑
序号
作业
名称
规格型号
单位
台
数量
备注
探水
红外探水仪
地质雷达
1
1
1
SIR-3000
TSP-203
套
短距离物探
长距离物探
中长距离钻探、
取芯
TSP预报系统
套
1
2
超前地质预报
深孔钻机
ZDY1900S
台
1
风钻
YT-28
台
台
台
台
10
4
超长炮孔
通风
轴流式通风机
射流风机
110kw
施工通风
照明
37kw
6
通风
低压变压器
36v,20Kw
CasagrandeC
6
2
掌子面照明
深孔钻机
台
1
钻孔
深孔钻机
注浆泵
KLEMM806
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
台
套
套
台
台
台
1
1
钻孔
注浆
GZB-YS
3
钻孔注浆
注浆泵
2510-VA-00
LGCY-18/17
HXP900
1
注浆
高压空压机
高压空压机
叶片式搅拌机
多功能平台架
风钻
1
高压供风
高压供风
制浆
1
1
1
开挖平台
钻孔
YT-28
40
6
自卸车
15T
出碴
4
开挖
初期支护
二次衬砌
挖掘机
PC220
WA380
20m3/min
GQ40-F
GW40-1
BX-300
2
装碴
装载机
2
装碴
电动空压机
钢筋切断机
钢筋弯曲机
电焊机
5
中低风压供风
1
1
4
钢筋（型钢）加工
5
钢筋冷弯机
台式钻床
1
24025
2
混凝土喷射机
混凝土搅拌机
整体钢模台车
混凝土泵
TK-500
JS500
4
初期支护
2
9m/台
2
HBT-60A
EQ140
2
混凝土罐车
捣固机
6
二次衬砌混凝土
施工
6
7
ZN35,ZN50
10
2
3
50m/min,J
搅拌站
S750
全站仪
TPS1200
DP3000
NL24A
台
台
台
台
台
2
1
2
1
1
方向控制
下沉值测量
标高控制
收敛值
精密水准仪
水准仪
量测及测量仪
器
收敛计
JSS30A
BL-150B
锚杆拉拔仪
锚杆拉拔
建筑
9质量控制
9.1易出现的质量问题
9.1.1地质预报情况探测不清楚，对存在疑问的地质情况报侥幸心理，盲目施工。
9.1.2监控量测结果不能指导现场施工。
9.1.3未对于超前支护效果的检查评
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