越海隧道的矿山法修筑技术.docx

1、越海隧道的矿山法修筑技术越海隧道的矿山法修筑技术厦门东通道海底隧道修建技术中的几个问题关宝树（西南交通大学土木工程学院）目前，世界上采用盾构法、掘进机法、气压沉箱法、沉管法和矿山法修筑海底隧道的事例相当多。下面通过几个用矿山法修建海底隧道的工程事例，谈一谈厦门海底隧道修建中的几个问题。一、工程事例简介1-1挪威横断海峡隧道这是一座连接挪威西海岸和本岛间公路隧道。隧道长1.89km(图1)，隧道净空断面54m2。纵坡10，位于海底40m，海面下80m。隧道的地质主要是片麻岩、千枚岩和几条断层破碎带（图2）。图1 隧道平面位置及线形图2 隧道纵断面和地质图隧道完成时，除设置紧急停车带和防火装置、紧

2、急用电话外。在隧道内还可以使用携带电话无线通信等。事故发生时，警察、消防、救急对可使用洞内无线频道，一边进行作业一边联络。同时，在近郊还设置道路监视所，对隧道进行经常监视。通风采用能够基础供给新鲜空气自动控制功能的通风机。隧道开挖中，在掌子面钻设6个直径55mm，长27m的调查钻孔。钻孔与前次钻孔最少搭接7m。从调查钻孔出现10L/min以上的涌水的场合，进行止水压注。其结果，最初的150m区间，连续地通过27m的调查钻孔进行压注。标准断面，一个循环进尺5m，作业采用9.5h的两班制。一日2个循环。工程进展顺利。喷混凝土和土砂运送时的粉尘对策，要求隧道内的风速，确保0.5m/sec。隧道通风采

3、用直径1.4m，30m3/sec的通风机和直径1.8m的风管。在1.24km处增设一台直径1.4m，30m3/sec的通风机。1-2北岬隧道位于欧洲最北端的北岬（North Cape）隧道的位置示于图3。是挪威连接本土的海岸线中穿越海底的一座隧道。长6.796km（图4）。最深部在海面下212m。隧道遇到的地质大致分为2类，南侧主要是云母片岩，有一部分砂岩。北侧是层状的砂岩、页岩。分界线是断层。北岬隧道是从南北2洞口采用矿山法施工的。隧道宽8m，是3m宽的2车道，外加2m宽的路肩，路肩可以通行自行车。隧道净空断面43.8m2，开挖断面是53.2m2。图3北岬隧道平面位置图4北岬隧道纵断面图南侧

4、隧道的地质条件比较好，经常出现数cm的粘土。施工中采用较小间距的锚杆和厚度较大的喷混凝土。采用能够搭载炸药容器的钻孔台车。在挪威通过严格的安全管理，钻孔和装药数同时进行的，这是挪威隧道施工进度较高的一个原因。支护通常采用聚酯锚杆。从拱顶到侧壁每隔1.33.2m打设。纵向间距一律采用2.0m。喷混凝土掺入纤维，厚度410cm，平均6cm。隧道开挖采用每周11班。1天的施工循环是：早6：00下午4：00和下午4：00早2：00。爆破循环3次。进度6570m/周。北侧隧道的地质，是裂隙非常发育的沉积岩。裂隙面经常夹有粘土。一次掘进进尺比较短，拱形、核心土、台阶3部开挖。岩层极不稳定每次开挖后都要喷纤

5、维混凝土。采用注浆式锚杆（68m长、间距0.50.75m，打入角度1020度）和4m长的注浆斜锚杆（打入角度45度），尽管如此，岩层还有崩塌。因此从距洞口65m处，开始采用钢支撑并灌注混凝土衬砌。中止锚杆施工，而改为喷10cm正面混凝土，并按5m一段灌注混凝土衬砌。涌水对策采用全自动的Craelis Unigrout 800100自行注浆台车进行注浆。此台车搭载2台ZBE压浆泵和自动搅拌机。涌水的最大量月1000L/min。采用普通水泥及微粒子水泥进行压注。1-3青函隧道青函隧道是一座长达53.85m（其中海底部长度23.3km）的特长隧道。因此，施工方式采用了超前导坑、作业导坑和主洞等方式进

6、行开挖。超前导坑是从斜井向上以0.3的坡度向海底中央部掘进，在海底中央部与作业坑道合流并与主洞平行。超前导坑的主要作用是进行地质、涌水的精查以及施工后作为排水、通风之用。作业坑道是在主洞断面以外，与主洞平行设置的，其作业是，除进行地质涌水调查外，约每隔600m设一联络通道，增加主洞的开挖面，一缩短总工期。运营后也可作为排水、通风及洞内维修作业之用。在超前导坑、作业导坑中，开挖前都采用超前钻孔进行地质、涌水的状态，根据其状态进行地层压注，而后进行开挖。青函隧道的地质调查始于1946年。通过预备调查、技术可能性调查、实施调查历经17年左右。调查中采用了可能采用的各种调查方法，如海上弹性波调查、声波

7、调查、磁气调查、钻孔调查、潜水艇观察以及各种压注试验、涌水分析地面地质精查、水文调查等。开挖前后的青函隧道海底部的地质断面比较看，在地层出现的顺序上差异不大。青函隧道的路线径选择采用了西口方案，理由是：东口是最大水深约270m，而西口最大水深为140m。东口还须通过断层地形和火山带。1-4舞鹤排水隧洞在舞鹤排水隧洞中，也是局部地段通过海底的。海底的地质条件是花岗岩，埋深约26m 岩层的倾角约7080度左右。表示透水性的吕容值（Logeon unit：注：1Lu=1L/min/m/10kg/cm2）为09.9。岩层的单轴抗压强度为7.510.0N/mm2。通过地段的海水平面约在隧道顶上40m。1

8、-5新关门隧道新关门隧道长18.6km，1974年建成。关门海峡下的这个隧道是山阳新干线冈山至博多间的最大难关(图5)，因为它控制着整个工期。图5 关门隧道位置图 该隧道是为了缓和山阳干线通过能力的不足，很早以来，就根据增设海底隧道的规划解析研究，经过比选在综合考虑海底和陆上的地质、和现有线路连接上的方便、市区情况和车站的位置、运营维修上的优缺点以及工程费等以后，决定采用图6的方案并实施。 图6关门隧道的平面、纵断面图此前于1944年建成的关门隧道，如图7所示，长3641m，海底部长1274m。分别采用矿山法（869m）和盾构法（405m）施工。该段埋深12m，水深22m左右。图7 关门隧道的

9、概况除此以外，还有一座公路隧道，长3461m，1958年完成。因此在该区域共修建了四座隧道，见前图6。此外，如英法海峡隧道(盾构掘进机法)、荷兰的Westerschelde隧道（盾构法）等，一些问题的处理也有借鉴意义。二厦门海底隧道几个关键问题的解决从这些海底隧道的修建，我认为以下几个问题需要我们认真对待与解决：1重视和大力加强前期的调查研究；2合理确定隧道的纵断面和隧道埋深；3隧道的横断面及支护结构；4服务坑道的设置；5施工中的地质超前预测和预报；6施工中的止水、注浆及排水；7提高衬砌混凝土耐久性；8小型TBM的应用。21重视和大力加强前期的调查研究我们的通病是舍不得前期的大力投入。而前期投

10、入恰恰是确保工程的合理性、经济性和功能性的关键环节。一个重大工程的兴建，前期投入是关键。例如青函海底隧道从构思到开始修建整整经历了25年（19461971）。这里包括预备调查（路线选定、海上弹性波探查及深浅调查）、技术可能性调查（海上弹性波探查、声波探查、磁气探查、钻孔、潜水艇观察、注浆、开挖试验等）以及实施调查（超前钻孔前方探查、涌水分析、空中磁气探查、取样调查、地质和水文地质的精密调查、矿床采掘影响范围调查等）。应该说，厦门海底隧道的前期工作还是比较充分的，但与国外同类工程比较，差距很大。2-2合理确定隧道的纵断面和隧道埋深；一般说，在规划海底隧道时，埋深的大小对施工的难易、安全性、经济性

11、都有重大的影响。也就是说，埋深越小，隧道的长度越短，水压也小，但如果产生大崩塌，发生陷没，想恢复是不可能的。日本决定青函隧道的埋深时，曾参考矿山保安规则禁止在海底开采地点的规定，即：海底下的第四纪层在30m以上时，第三纪层的厚度不满10m的地点；海底下的第四纪层不满5m时，第三纪层厚度不满60m的地点；从海底的炭层露头沿该炭层不满100m的地点。青函隧道主要通过第三纪层的沉积岩，线路上没有第四纪层沉积，因此原则上可以采用的规定，埋深要求在60m以上。青函隧道还从涌水量、埋深的关系和扬水费用方面也进行了考察。计算海底下隧道的涌水量有许多公式，如英法海峡隧道建议的公式、日本建议的公图8隧道埋深和涌

12、水量的关系式等。一般说从上述公式中求出的涌水量，随埋深的增加，而急剧减少。由图8可知，涌水量在埋深到70m前，是急剧减少的，超过100m后，就缓慢地减少。因此在海底70100m间，h70m时，Q2.410m3/sec/m，h100m时，Q2.1910m3/sec/m。两者约差10。随着埋深的增加，扬程也增加但涌水量减少，因此扬水费用几乎没有变化。同时根据海底的地质调查，海底下30m左右受到风化的影响，渗透性高，故最后决定埋深为100m。上述事例说明，海底隧道的埋深的确定对确保隧道的安全性是极为关键的。 包括青函隧道在内的几座隧道的埋深列于表1。表1 海底隧道的最大水深与埋深的关系 隧道名称最大

13、水深(h )最大埋深（H）比值（H/h）地质条件青函隧道140m100m0.71第三纪沉积岩丹麦海峡隧道60m66m1.1挪威海峡隧道40m40m1.0片麻岩、千枚岩北岬隧道212云母片岩、砂岩关门隧道22m20m0.91舞鹤隧道14m26m花岗岩厦门东通道20m3040m1.52.0花岗岩一般说，隧道埋深是由最差的地质地段决定的。青函隧道决定埋深100m，就是由断层破碎带决定的。在一般地质条件下，埋深是由海水最深处决定的。埋深通常采用最大海水深度的0.8 1.0左右。厦门海底隧道的埋深应该由隧道穿越的三条强风化基岩深槽决定。从地质纵断面图看，应由F4深槽决定。目前选定的纵断面图，不是在离开深

14、槽下方一定距离处通过，而是穿越深槽。如果纵坡容许，应考虑线路下移。目前隧道的坡度采用最大3，完全可以增大坡度。例如关门隧道为了保证和山阳干线立体交叉及在海底有20m以上的覆盖层，设置了18的陡坡。在纵断面设计上，英法海峡隧道的设计构思是把两座直径7.3m的隧道连同中央一座服务隧道穿过白垩质泥灰岩。简单的说，海峡地质是由一些白垩层覆盖在泥灰质粘土上面。白垩质泥灰岩为中等强度、均质和有些塑性的地层，它实际上是不透水的岩层，对隧道开挖十分有利。因此，在决定隧道纵坡时，基本上是沿着这层地层变化的，如图9所示。图9 英法海峡隧道的纵断面示意图此隧道基本上是采用掘进机掘进的。计划通过对马海峡的总距离超过2

15、50km的日韩隧道正处于前期研究阶段，为了勘察地质状况已经修筑了一座勘探斜井。该隧道的主要地质问题是要通过一段埋深较大（埋深约1000m）的未固结层，在纵断面上，通过该区域时，隧道顶至少要保留100m的距离，以侧安全。无论从施工安全考虑，还是运营安全考虑，穿越深槽是本方案的风险是很大的。这种风险还表现在隧道的抗震性上。通过不同性质围岩分界面，是地下结构抗震设计的大忌，如图10所示，本隧道多处子不同位置上通过深槽。因此，从抗震得角度出发，也要慎重研究是否通过深槽或通过深槽应采取的抗震措施。图10 隧道通过深槽的状况2-3施工中的地质超前预测和预报日本青函隧道的施工地质预测和预报主要是采用水平超前

16、钻孔和地质调查坑道。这是最直接揭露地质状态的方法，如果与隧道施工结合起来，在经济上也是可以接受到的。 水平超前钻孔是青函隧道开发的技术之一。水平超前钻孔要求长和高速钻进。其难度之一是涌水和防止塌孔，之二是保持水平。水平超前钻孔的工法的概要示于图11。图11超前钻孔工法概念图为了进行孔的修正，原则上每25m设一个孔曲度测定器测定其方位和倾斜。青函隧道累计273个水平超前钻孔，总长度达121km，其中最长的钻孔达2150m。例如在本州长1315m的斜井中，超前钻孔的机座设在横洞内。横洞每隔200m交错设置。在超前导坑中，约每隔300m左右交错在横洞中设置机座。机座的设置有2种方法示于图12。图12

17、 机座设置方法挪威在海峡隧道开挖中，在掌子面钻设6个直径55mm，长27m的调查钻孔。钻孔与前次钻孔最少搭接7m。从调查钻孔出现10L/min以上的涌水的场合，进行止水压注。其结果，最初的150m区间，连续地通过27m的调查钻孔进行压注。施工中地质超前预测是减少风险的主要措施之一，应高度关注。2-4服务坑道的设置列举的几座海底隧道中，除了青函隧道和英法海峡隧道是采用两座主隧道和一座服务隧道外，都是采用两座主隧道修建方案的。是否设置服务隧道当然与隧道长度有直接关系，也与整个规划有关。本隧道采用两座主隧道和一座服务隧道的方案是由规划决定的。青函隧道之所以修筑服务坑道，除了隧道长以外，主要是从运营通

18、风、排水需要而设置的。青函隧道三座隧道的相互关系示于图13。图13 海底部的标准断面如果设置服务坑道就应该有效、合理地利用各种坑道，使其发挥各自的作用。例如青函隧道的各种坑道的作用示于图14。图14 坑道利用模式图厦门东通道既然考虑设置服务隧道，就必须在设计上利用服务隧道，充分发挥服务隧道的功能。即：服务隧道应具有排水、通风、避难、火灾救援、对外通道等功能。2-5隧道的横断面及支护结构从国外几座海底隧道横断面及支护结构设计看，设计中主要考虑以下几点。1建筑限界2海水的侵蚀性；耐久性问题3水压的作用；4水密性问题，特别是施工缝的水密性；5保护层厚度：应由耐久性要求决定等。日本东名高速公路以前的三

19、车道建筑限界是1.033.51.012.5m，而挪威的三车道建筑限界是1.023.253.51.012.0m（图15）。但最近修筑的日本东名高速公路，为了满足行驶速度不断提高的要求，例如满足140km/h的要求，三车道的建筑限界改为左侧路肩3.2533.25+右侧路肩1.0m16.5m。建筑限界的宽度比过去增加了4.0m，如图16所示。图16 日本东名三车道建筑限界 图15 挪威三车道建筑限界根据此限界修筑的清水隧道的断面示于图17。图17 日本清水3号隧道的断面英法海峡隧道的最大断面的宽度约21.2m、高度15.4m，开挖断面积达252.2m2，如图18所示。采用双侧壁导坑法修筑的。考虑了8

20、0m的水压。拱部二次衬砌厚度外0.6m，为了避免钢筋的腐蚀，采用素混凝土。图18 英法海峡隧道的扩大部分断面青函隧道，考虑海底部对轨道、电气设备等的不良影响以及漏水的处理等按比其他部分断面大5cm进行设计。图19是主洞的标准断面。图19海底部及陆底部标准断面厦门东通道是三车道断面，断面的开挖宽度达16m左右。在结构设计上不能完全依靠计算决定，特别是断面要留有一定富余，以适应行驶速度不断提高的要求。2-6施工中的止水、注浆及排水海底隧道与一般山岭隧道最显著的差异就是涌水源是无限的海水，必须止水。在青函隧道中，主要采用水泥浆和水玻璃进行压注，止水后到海面的水压作用在压注域外周上。完全地止水从时间、

21、经费上都由困难，为了处理衬砌表面渗透的海水，要设置排水结构。因此，注浆与排水相结合应该是海底隧道设计的一个重要思路。注浆是为了止水，排水是为了把进入隧道的水排出。在什么情况下要注浆是个难题，注浆到什么程度也是一个难题。下面提到的注浆基准可以参考。舞鹤隧道的注浆基准：围岩的改良目标值取吕容值在3以下。而且检查孔的涌水量在0.5L/min/m以下。挪威Oslofjord海峡隧道提出的排放标准：Q20L/100m.min（0.288m3/m.d）。日本青函隧道的压注标准是：坚岩地段：钻孔每m的涌水量在0.4L/min以下或涌水地点10L/min个以下；破碎带地段：钻孔每m的涌水量在0.2L/min以

22、下或涌水地点10L/min个以下在青函隧道中，压注对止水的作用是显著的。其压注实绩列于表2。表2 止水压注实绩工区压注长度（m）压注前涌水量L/min压注后涌水量L/min止水量L/min止水率（）1250105327278174150719359360505016572781379831200175336613877929003169195112183849027101379133149330015821961386886073043729340480142160581657合计3880147945843895161 此表说明，止水率约在4080左右。注浆后还有一定量的水进入隧道，必须排出。

23、海底隧道的纵断面是凹形的断面，水向低处流，不管是渗入的还是清洗水都必须排出。在排水设计上，要充分利用服务隧道的有利条件，也要满足保护环境的要求。青函隧道的排水净化指标规定如下。浮游物质量（SS）：10ppm以下；PH值： 5.88.6青函隧道各工区排水处理容量示于图20。图20 青函隧道各工区排水处理容量青函隧道在海底部和陆底部涌水多的场合都采用注浆止水进行开挖，这是防止海水侵入的隧道的方法，但还会有一些残留水流入隧道。因此，在衬砌背后进行集水并引入中央下水导出。即使这样也不能够完全导水，水还会从施工缝漏入隧道内。为此，对漏水防止工进行研究和设计。青函隧道的压注，实际上是一边压注一边测定钻孔的

24、涌水量，当涌水量达到预计要求时，就停止了压注。因此，青函隧道的止水，是不完全的。目前青函隧道洞内的涌水量约在25m3/min。共设3个排水基地，包括备用在内共设置了12台水泵。每台水泵的排水能力为912m3/min。因此，隧道究竟容许多大的涌水量，也是一个需要解决的问题。27提高衬砌混凝土耐久性在海底下修建隧道，施工安全是一个问题，另外一个问题就是耐海水性问题。隧道内的轨道、架空线和其他电气设备等容易受到海水腐蚀的情况是存在的。因此，要极力避免海水的侵入，同时即使侵入，也不要触及这些设施，通过导水路导水是非常重要的。 另外隧道本体是混凝土，在海水条件下劣化会显著发展。因此防治混凝土盐害是非常重

25、要的课题。根据耐久性设计的基本原则，厦门东通道是在海底修筑的一级结构物，其使用年限为100年，而且是处于海水侵蚀环境中，按环境类别及作用等级应属于E级，即非常严重的E级。设计中必须对混凝土材料、结构构造和开裂控制、施工要求、防腐蚀附加措施等进行仔细研究。例如混凝土最低强度等级、最大水胶比以及胶凝材料最小用量应满足C45、0.36、410的规定，如采用钢筋混凝土结构，最小保护层厚度55mm等。总之，厦门海底隧道的结构应该把耐久性的概念引进到设计和施工中。不能完全按现行混凝土结构规范设计和施工。 日本青函隧道在施工中对影响耐海水性的影响因素进行了一系列的研究。特别是对评价耐海水性的指标（抗压强度、

26、抗拉强度、动弹性系数、水密性及炭化深度），材龄按28天、1年、2年、3年、5年进行了耐海水性试验。其中不同水泥和水灰比的混凝土抗压强度的试验结果示于表3。表3 混凝土抗压强度水泥种类水灰比（）抗压强度（kgf/cm2）强度比水中海中海中/水中5年强度/3年强度28天1年3年5年1年3年5年1年3年5年NC454064694874774604764480.980.980.940.94553193833913873563673400.930.940.880.93SRC454325145505555245605541.021.021.000.99553253874264183944283841.02

27、1.000.920.90SRSC454035765956205595966200.971.001.001.04553385045485404635315320.920.970.971.00注：NC:普通波特兰水泥；SRC:耐硫酸盐水泥；SRSC:耐硫酸盐矿碴水泥根据试验结果，在青函隧道的衬砌采用了矿碴耐硫酸盐水泥。28关于小型 TBM的应用问题厦门东通道的隧道断面比较大，这牵涉到如何施工的问题。这里介绍目前正在发展的一种趋势。就是用小型TBM配合钻爆法扩挖的方法。日本在青函隧道的超前导坑开挖中，采用了开挖直径分别为3.6、4.0和4.5m5种类型的小型掘进机。总共掘进了4332m。而后用钻爆法扩挖取得了比较好的经济技术效益。因此，正在把这种方法作为三车道隧道的标准方法之一进行模式化研究和试验施工。图21所示的概念图就是这种研究的一个建议。图21 小型TBM与钻爆法结合的施工方法这种方法的效果可归纳如下。围岩调查；因排水，改善围岩条件；对不稳定地段进行事前加固；扩挖时，起到掏槽作用；可作为施工通风的通道等。因此，不妨作为一个方案研究研究。预祝厦门海底隧道以一流的规划、一流的设计、一流的施工、一流的管理，早日建成、造福人类。