1海底隧道施工工艺工法.docx

1、1海底隧道施工工艺工法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

2、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、

3、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。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

4、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

5、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(JTG F60)、公路隧道施工技术细则(JTG/T F60)、公路工程质量检验评定标准(JTG F80/1)。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

6、、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

7、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

8、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。1 TSP203超前地质预报法：预测预报隧道工作面前方100150m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100150米，需要

9、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（50100m）：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TS

10、P203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1030m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（58m）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

11、车液压钻机对工作面进行补充加密钻探，钻孔深度58m，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。图2 综合超前地质预报流程图图3 综合超前地质预报剪影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

12、。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

13、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34m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

14、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

15、，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，施工进度缓慢等缺点。台阶法则适用于、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10m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

16、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、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。中导洞施工中先行导洞面积控制在4050m2，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10m

17、，然后再进行施工方法的转换。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：喷射素混凝土，适用于、级围岩。钢筋网+喷射混凝土，适用于整体性不太好级围岩和较好的级围岩。锚杆+钢筋网+喷射混凝土，适用于综合判断较差级围岩和较好的级围岩。工字钢拱架或格栅拱架+锚杆+钢筋网+喷射混凝土。适用于、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、C3

18、0之间，有些地方施工纤维混凝土；钢筋网一般采用6、8mm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，

19、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，

20、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

21、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。 图4 监控量测剪影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。

22、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

23、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S12，具体配合比见下表：表1 高性能耐腐蚀混凝土配合比参考表水泥水砂碎石粉煤灰矿渣粉减水剂速凝剂坍落度明洞衬砌C30配合比257kg164kg696kg1043kg70kg140kg3.74kg210仰拱衬砌C45配合比245kg151kg668kg1088kg75kg150kg3.29kg150二次衬砌C45配合比254 kg155 kg713 kg1020 kg78 kg156 kg3.91 kg210原材料情况P.42.5饮用水中粗525mm级S95磨细X414无碱/二次衬砌施工过程中应严格控制混凝土原材料的施

24、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20020mm，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，在施工过程中应引起高度重视，必须严

25、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。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）序号工作项目作业内容人数1超前预报地质工程师1地质预报员12钻孔注浆钻机司机3注浆机司机3孔口管加工安装2搅拌机上料、开机63开挖开挖工25自卸车司机12挖机、装载机司机6爆破工3空压机司机44初期支护钢架、锚杆、钢筋下料2制作钢架4洞内安装6混凝土喷射手2运料、搅拌机上料、开机85二次衬砌模板台车走行、就位4搅拌站6混凝土浇筑6混

26、凝土灌车、泵车司机86量测及测量技术员1测量工27管理及其他队长1技术负责人1专职安全员3试验员2电工3修理工3合计1288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 主要机具设备序号作业名称规格型号单位数量备注1超前地质预报红外探水仪台1探水地质雷达SIR-3000套1短距离物探TSP预报系统TSP-203套1长距离物探深孔钻机ZDY1900S台1中长距离钻探、取芯风钻YT-28台10超长炮孔2施工通风照明轴流式通风机110kw台4通风射流风机37kw台6通风低压变压器36v,20Kw台2掌子面照明3钻

27、孔注浆深孔钻机CasagrandeC6台1钻孔深孔钻机KLEMM806台1钻孔注浆泵GZB-YS台1注浆注浆泵2510-VA-00台1注浆高压空压机LGCY-18/17台1高压供风高压空压机HXP900台1高压供风叶片式搅拌机台1制浆4开 挖多功能平台架台1开挖平台风钻YT-28台40钻孔自卸车15T台6出碴挖掘机PC220台2装碴装载机WA380台2装碴电动空压机20m3/min台5中低风压供风5初期支护钢筋切断机GQ40-F台1钢筋(型钢)加工钢筋弯曲机GW40-1台1电焊机BX-300台4钢筋冷弯机台1台式钻床24025台2混凝土喷射机TK-500台4初期支护混凝土搅拌机JS500台26

28、二次衬砌整体钢模台车9m/台套2二次衬砌混凝土施工混凝土泵HBT-60A套2混凝土罐车EQ140台6捣固机ZN35,ZN50台10搅拌站50m3/min ,JS750台27量测及测量仪器全站仪TPS1200台2方向控制精密水准仪DP3000台1下沉值测量水准仪NL24A台2标高控制收敛计JSS30A台1收敛值锚杆拉拔仪BL-150B台1锚杆拉拔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估，盲目施工。9.1.4开挖过程对周边围岩破坏较大。9.1.5初期支

29、护施工不及时性，未能使支护结尽快构封闭成环。9.1.6防排水施工初期支护背后注浆堵水不重视，导致层层设防、层层漏的结果。9.1.7二次衬砌混凝土施工温度控制不严，导致混凝土出现温度裂缝，影响混凝土的防腐性和耐久性。9.2保证措施9.2.1 对于海底隧道，地质探测受到很多客观原因的限制，加之各个地质预报手段均存在一定的缺陷，所以海底隧道地质预报必须采用综合超前地质预报手段，且综合超前地质预报必须坚持有疑必探的原则，对地质情况有疑问不得盲目进行施工。对隧道顶板厚度的探测也显得尤为重要，应引起高度重视。9.2.2监控量测必须建立风险预警机制，纳入正常工序管理，做到及时量测、及时反馈、及时修正，指导施工。9.2.3海底隧道施工必须设定严格的标准和程序对超前支护效果进行检查评估，达标后方可进行开挖作业。9.2.4海底隧道开挖的方法较多，但各种开挖方法均必须确保对周边围岩最大程度的保护，并且将该理念贯穿开挖施工全过程。9.2.5初期支护施工应注意及时性，尽快使支护结构封闭成环，严格控制施工部距，控制仰拱及二次衬砌施做时间。9.2.6防排水施工应做到最大范围的堵水，对施工过程中的堵水应引起高度重视，对每个防水层设定一定的检验标准并严格控制，以降低施工风险，减少后期运营排水费用。9.2.7二次衬砌混凝土施工应做到内实外美，对高性能耐腐蚀防水混凝土施工