廈門海底隧道方案

淺談海底隧道地下水世界上最早的水下隧道是1825——1843年間施工的英國(guó)泰晤士河底的隧道。后來(lái)，水下隧道“伸向”海底，長(zhǎng)度也越挖越長(zhǎng)。當(dāng)前世界上最長(zhǎng)的線鐵道，寬10米，高8米),全長(zhǎng)53.85公里，僅海下部分就有23.3公里；水深140米，雙孔鐵路隧道和一座長(zhǎng)8KM的懸索橋。兩座隧道中至中間距25m,內(nèi)徑7.7m,每隔250m設(shè)有灰?guī)r的裂隙發(fā)育，靜水壓力0.75Mpa。英吉利海峽隧道同樣是當(dāng)今世界上最雄偉的地下工程KMKM在水下。英吉利海峽隧道施工技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。在過去的20年內(nèi)，挪威修建了大約30條海底隧道，100多公里長(zhǎng)，大多數(shù)為2或3車北側(cè)隧道幫助隧道幫助隧道開頭鑿巖日期貫通日期里程(測(cè)鏈)隧道開挖總長(zhǎng)(m)掘進(jìn)機(jī)開挖總長(zhǎng)(m)18807開挖直徑(m)5.364.8最大水頭(m)120(包括海底以上50)平均周進(jìn)尺(m)最大周進(jìn)尺(m)最大日進(jìn)尺(m)地下水是海底隧道施工中的最大風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目。與傳統(tǒng)隧道相比，海底隧道有著極大的特殊性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：工程的大多數(shù)區(qū)域是在水下。所以，需采納特殊的技術(shù)并進(jìn)行大量的探測(cè)工作，對(duì)探測(cè)結(jié)果的解釋比其它隧道具有更大的不確定性。潛在的涌水是不確定的。峽灣和峽谷極易形成斷層，斷層、脆弱圍巖地段以及部分基石極易受到侵蝕。在這些部位有突水的可能。海底隧道的持續(xù)坍塌和/或嚴(yán)峻進(jìn)水是災(zāi)難性的，因?yàn)檎麄€(gè)隧道會(huì)很快進(jìn)滿水。施工的各種風(fēng)險(xiǎn)客觀存在。張開性節(jié)理是不行忽視的地質(zhì)問題。它是突水的危急部位，在山嶺隧道，閉合與張開節(jié)理的發(fā)育雖然對(duì)施工可能有影響，但影響不會(huì)太大，而在海底隧道中，這種影響可能是災(zāi)難性的。峽灣的最深部分往往是隧道施工中最難的部分。全部涌水都應(yīng)沿隧道機(jī)械排出。在海底隧道設(shè)計(jì)與施工中，因?yàn)榭v坡的限制，隧道施工與運(yùn)營(yíng)階段都存在排水問題。地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性存在較大影響。因?yàn)楹５姿淼赖叵滤^多含有腐蝕性化學(xué)成分，圍巖中含有可能與地下水反應(yīng)的化學(xué)礦物質(zhì)及其組合。其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響等需要作更深的技術(shù)工作。地下水對(duì)隧道施工與運(yùn)營(yíng)設(shè)施存在影響。施工設(shè)施、支護(hù)材料、襯砌以及技術(shù)性裝備的影響。影響運(yùn)營(yíng)成本。隧道施工時(shí)發(fā)生的涌水不但對(duì)作業(yè)環(huán)境有影響，也會(huì)使掌子面不穩(wěn)定，使噴混凝土和錨桿的施工不良。特殊是在有多量、高壓涌水的狀況下，常常是造成重大事故的緣由。隧道開挖中的涌水問題造成的影響主要包括：在施工中常常要轉(zhuǎn)變施工方法、增加幫助工法，使工期拖后、使工程費(fèi)增加等；影響滲透水軟巖的軟化促進(jìn)破裂帶、裂隙剝離粘土的膨脹，無(wú)分散力圍巖的流淌化；土壓增大側(cè)壁倒塌的誘因；吸水膨脹、圍巖流變圍巖倒塌、丟失穩(wěn)定接近涌水帶隔水墻的破壞；掌子面圍巖倒塌、流失、坑道埋沒；排水設(shè)施過小、排水不良，洞內(nèi)環(huán)境不良；支護(hù)基礎(chǔ)承載力降低；集中涌水流速大、水深大掩埋掌子面設(shè)施、作用危急、停止施工；海水侵入后對(duì)隧道支護(hù)侵蝕嚴(yán)峻，直接威逼隧道運(yùn)營(yíng)平安；海底隧未估計(jì)到的突水可能引發(fā)災(zāi)難性后果。從國(guó)外海底隧道的施工來(lái)看，有很多值得我們借鑒的閱歷。4.1滲水是最大的施工風(fēng)險(xiǎn)，突水(在未能預(yù)報(bào)的狀況下發(fā)生)是可怕的，應(yīng)力求避開青函隧道全長(zhǎng)54公里(雙線鐵道，寬10米，高8米)水深140米，掩蓋層100米，隧道通過的地質(zhì)以泥巖、凝灰?guī)r等積累巖為主.青函隧道的大多數(shù)系在很不平整的津輕海峽之下140m深處。青函隧道在海下施工的過程中，發(fā)生過4次涉及嚴(yán)峻漏水的事故。造成34人死亡及重大損失。國(guó)外多座海底隧道都發(fā)生過滲水大事?，F(xiàn)代隧道技術(shù)的進(jìn)展。特殊是預(yù)報(bào)技術(shù)與注漿止水技術(shù)的進(jìn)展，為避開嚴(yán)峻滲漏供應(yīng)了前提條件。建設(shè)者不盼望發(fā)生滲水，但即使發(fā)生滲漏，仍舊有處理的手段。滲水不行怕，怕的是，滲漏是在毫不知覺的狀況下發(fā)生，而且沒有有效的現(xiàn)場(chǎng)快速?zèng)Q策機(jī)制，那樣，極有可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。4.2設(shè)置服務(wù)隧道或超前探洞是非常必要的設(shè)置服務(wù)隧道主要基于以下幾點(diǎn)考慮：采用服務(wù)隧道掘進(jìn)可有效地超前探明地質(zhì)狀況；采用服務(wù)隧道，通過設(shè)置的行車橫洞，可為主隧道開拓多個(gè)工作面；超前處理局部不良地質(zhì)地段；取得海底隧道科研設(shè)計(jì)試驗(yàn)成果，討論方法和工藝，為主洞設(shè)計(jì)施工供應(yīng)信息反饋；施工階段通風(fēng)、排水；運(yùn)營(yíng)應(yīng)急通道；城市電力、管網(wǎng)跨海的通道等等。從國(guó)外海底隧道設(shè)計(jì)施工看，當(dāng)隧道地址確定以后，較多采納洞探，以進(jìn)一步了解地質(zhì)狀況。4.3地質(zhì)勘察與施工階段的地質(zhì)預(yù)報(bào)工作被提到極其重要的位置海底隧道設(shè)計(jì)與施工，地質(zhì)工作，首當(dāng)其沖，特殊是工程范圍內(nèi)的工程地質(zhì)水文地質(zhì)必需充分的調(diào)查清晰，必需了解隧道范圍內(nèi)的不良地質(zhì)現(xiàn)象、地下水存在的形式、巖土滲透系數(shù)；對(duì)陸上、水底地層的滲透特性、富水性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，獲得巖土滲透系數(shù)。因?yàn)槭軛l件限制，勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作要比山嶺隧道難度大，而期望地質(zhì)工作的深度更高，才能施工階段有的放矢。為此，只有進(jìn)一步加強(qiáng)施工階段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過各種方法相互對(duì)比、相互補(bǔ)充，相互協(xié)作，提高物探成果解譯水平，提高地質(zhì)預(yù)報(bào)精度。提高預(yù)報(bào)探測(cè)成果的采用效率，準(zhǔn)時(shí)反饋指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。4.4超長(zhǎng)探孔與超前高壓預(yù)注漿是重要的手段現(xiàn)有的地質(zhì)預(yù)報(bào)手段很多，但采納超前探孔是行之有效的直接手段，雖然它占用工作面，影響掘進(jìn)效率，即使耗費(fèi)肯定的作業(yè)時(shí)間及費(fèi)用，但因?yàn)槠涞闹苯佑行?，為平安?jì)，較多被各國(guó)海底隧道的建設(shè)者所采納。下圖為超前探水鉆孔示意圖。英吉利海峽隧道工程幫助隧道對(duì)主隧道的開挖起了超前導(dǎo)坑的作用，在幫助隧道掌子面前還作了超前探測(cè)，以確定潛在的大量涌水地段的位置。探測(cè)孔直徑56mm,鉆孔長(zhǎng)度有時(shí)近240m,定期地監(jiān)測(cè)涌水、滲透率以及鉆探?jīng)_洗返回物，即沖洗水和巖屑的性質(zhì)。在兩個(gè)主隧道開挖之前，由幫助隧道向主隧道拱部范圍也進(jìn)行了側(cè)向探測(cè)。這種側(cè)向探測(cè)的頻率取決于對(duì)潛在問題重視的程度。留意在直接鄰近幫助隧道已經(jīng)發(fā)覺涌水量增大和巖土條件惡化的那些地段，探測(cè)間距應(yīng)密集些。通常作取芯鉆探并作壓水透水性試驗(yàn)，以驗(yàn)證巖石質(zhì)量與涌水量。除在隧道內(nèi)進(jìn)行探測(cè)工作外，巖土工程人員還擔(dān)當(dāng)了對(duì)暴露出的掌子面與側(cè)墻地段(位于掌子面后16m處)的一般地質(zhì)描述工作。對(duì)于危急程度高的地段，如在超前的幫助隧道中圖3由輔助隧道向主隧道拱部進(jìn)行側(cè)向探測(cè)5、地下水的影響系數(shù)β在透水巖層，β1.：折減很小，一般為0.9-1.0,經(jīng)過注漿處理，折減20%,β1.=0.8。襯砌與圍巖密貼，襯砌受的外水壓力小，反之則大，一般考慮襯砌外表面積有70%承受外水壓力。β2.=0.7,B3：視隧道排水狀況，通過試驗(yàn)確定。不排水隧道為1.0,一般取值為：0.5,以排為主的隧道可取0.2-0.5。襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與水壓力、地質(zhì)條件是親密相關(guān)的。青函隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作為主洞，在一般地質(zhì)條件時(shí)，僅采納70cm的一般混凝土襯砌，在導(dǎo)坑中，只采納15cm～20cm的噴混凝土。對(duì)處于斷層破裂帶的襯砌，也有采納90～100cm的。因?yàn)樗畨毫Υ?，主要用地層注漿來(lái)應(yīng)付海底隧道的難題--水；而英法海峽隧道，因?yàn)樗畨盒?，采納管片加背后注漿(20mm注漿環(huán))就能夠了。兩座隧道的比較見表2。項(xiàng)目英法海峽隧道1總長(zhǎng)/海底長(zhǎng)(km)53.85/2350.5/372水深(m)3最小掩蓋層(m)4最小坡度5最小曲線半徑(m)6隧道布置7開挖方式鉆爆法為主十部分掘進(jìn)機(jī)法TBM(開敞式、護(hù)盾式)8地質(zhì)中世紀(jì)白堊9涌水有裂縫，斷層，多處涌水巖體均一，裂縫少，涌水少噴砼，二次村砌(襯砌厚度60-100cm)管片(服務(wù)隧道：英國(guó)管片厚度27cm,法國(guó)30cm,運(yùn)營(yíng)隧道：英國(guó)管片厚度36cm,法國(guó)40cm)東京灣渡海大路連接川崎市和木津市的海底隧道：水壓力達(dá)到：6kg/cm2,一次襯砌規(guī)定按承受全部荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，一次襯砌采納0.65m厚的管片；二次襯砌以增加重量及防災(zāi)考慮，采納0.35m厚的鋼筋砼.一次襯砌與二次襯砌設(shè)防水板，同時(shí)二次襯砌按襯砌的自重和水壓力(用來(lái)自拱頂?shù)撵o水壓力設(shè)計(jì)，用來(lái)自海平面的靜水壓力進(jìn)行校核)進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.2地下水的侵蝕性5.2.1地下水侵蝕的類型因?yàn)榍治g性地下水含有能夠與砼中的部分物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性鹽或膨脹性鹽，在高滲透性作用下，可溶性鹽發(fā)生遷徙，膨脹性鹽使砼疏松，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能丟失。地下水侵蝕的類型主要有以下幾種：硫化物型：圍巖中存在硫化物及其組合，與溶解于地下水中的氧氣作用，產(chǎn)生腐蝕性地下水。作用機(jī)理：硫化物+氧氣+水→金屬氧化物十硫酸。其中硫酸具有腐蝕性，與砼中水泥水化物反應(yīng)，生成膨脹性鹽類。硫酸鹽型：圍巖中存在硫酸鹽及其組合與地下水作用，當(dāng)溶解度較大時(shí)，與與砼中水泥水化物反應(yīng)，生成膨脹性鹽類，或石膏鹽類遇水體積膨脹。氯化物型：圍巖中存在氯化物及其組合，氯化物中的鎂離子與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)?反應(yīng)，生成Mg(OH)?與，從而降低了砼的堿度；同時(shí)氯離子加速了鋼筋的銹蝕。碳酸型：圍巖中Co?溶于地下水，生成碳酸，與已經(jīng)發(fā)生碳化的砼發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸氫鱷，從而降低了砼的堿度，加速了砼的其他侵蝕。組合型：圍巖中存在的集中礦物質(zhì)及其組合。瑞典海底隧道巖石支護(hù)耐久性施工閱歷在瑞典，對(duì)這類問題進(jìn)行了多項(xiàng)討論.噴錨的總體長(zhǎng)久性由Nordstrom(1996年)進(jìn)行討論，對(duì)錨桿的耐腐蝕性由2000年進(jìn)行討論。結(jié)果表明：滲水是錨桿腐蝕的主要罪魁禍?zhǔn)?，在滲水嚴(yán)峻的區(qū)域，水泥注漿都會(huì)侵蝕。以Musko大路隧道為例，Musko大路隧道連接Yxlo島到Musko島?？傞L(zhǎng)2960m,隧道面積：40m2,隧道最深為水平面下65m,隧道和海平面之間的最小巖石埋深為10m。地質(zhì)條件：灰片麻巖和片麻花崗巖，中間央鎂鐵質(zhì)，隧道穿過及幾個(gè)質(zhì)較差的斷層。1963年開通。采水量：6m3/小時(shí)，經(jīng)過10年使用，達(dá)到：26m3/小時(shí)，經(jīng)過注漿修理，削減為7～8m3/小時(shí)。1997年修復(fù)時(shí)，挖出9根全注漿錨桿巖芯，幾乎全部錨桿都受到不同程度的破壞。營(yíng)設(shè)施的防腐蝕。表3為國(guó)外海底隧道防腐蝕的一些做法。分美陸地底部日本青函隧道錨桿(滲水處理)電鍍、涂環(huán)氧樹脂瀝青(現(xiàn)場(chǎng)處理)不銹鋼的內(nèi)部：灰漿襯砌，外部：掩蓋聚乙烯噴射尼龍村套管道支架附件(螺栓、螺母)不銹鋼的電器200mm2硬鋼絲電纜支撐裝置不銹鋼(重荷載支架);樹脂錨桿(輕荷載支架)電器絕緣層考慮鹽的附著力，增加絕緣層的破壞強(qiáng)度，絕緣層的層數(shù)加了4-5倍東京灣渡海大路位于海灣中心，是由隧道、橋梁、人工島連接川崎市和木更津市的全長(zhǎng)15.1km的汽車專用大路。其中海底隧道長(zhǎng)度：9.1公里，采納泥漿加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施1.5m。二次襯砌，厚度0.35m;(2)線形：縱斷面，坡道段4%(最陡縱斷面坡度);海底平坦段0.2%(排水處理處);坡度曲線處，R=10000m;平面，R=1650～2500m;(3)間距：海底段1D(D為隧道外徑);兩坡道段0.5D;(4)掩蓋層：坡道段6.4～9.4m,海底平坦段16.0m;(5)水深：海底段平均27.5m;(6)水壓力：隧道中心6kg/cm2。從較多國(guó)外文獻(xiàn)來(lái)看，隧道防腐蝕首先要從隧道防水開頭，既要治本鋼架、鋼筋的注漿(砼)的愛護(hù)層。當(dāng)然，還有其他更多的因素。摻加料);集料中含有肯定數(shù)量的、能與堿反應(yīng)，且反應(yīng)物6.1地下水處理的原則斷層、褶皺帶等易發(fā)生涌水部位，重點(diǎn)加強(qiáng)猜測(cè)、預(yù)報(bào)實(shí)行一種方法是不行靠的，宜實(shí)行多種預(yù)報(bào)手段相結(jié)合的綜合超前預(yù)報(bào)方法。多管齊采用服務(wù)隧道先行，同樣起到超前探明地質(zhì)，開展檢測(cè)與試驗(yàn)，準(zhǔn)時(shí)反饋指導(dǎo)正洞設(shè)6.3注漿漿加固圈的滲透系數(shù)比圍巖的滲透系數(shù)降低約50倍。6.4防水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)6.4.1防水等級(jí)防水等級(jí)一級(jí)總濕潰面積應(yīng)不大于總防水面積的6/1000;任意100m2防水面積的濕漬不超過4處單個(gè)最大濕漬面積不大于0.2m2。6.4.2隧道防水設(shè)防內(nèi)襯砌施工縫內(nèi)襯砌變形縫防水措施離壁襯砌貼式砌外貼式止水帶遇水膨脹防水嵌縫中埋式止水帶外涂防水材料中埋式止水帶外貼式止式止式止防水等級(jí)一級(jí)應(yīng)選一種應(yīng)選二種應(yīng)選二種二級(jí)應(yīng)選一種應(yīng)選一至二種應(yīng)選一至二種水力梯度(m)<10>20抗?jié)B等級(jí)(Mpa)0.67、地下水風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避防止圍巖失穩(wěn)，即通過打超前管棚，預(yù)注漿加固圍巖，提高圍巖的性能指標(biāo)。在低滲透性的脆弱圍巖地層，對(duì)防止突水具有重要的保證作用，相輔相成，密不行分。7.2施工排水海底隧道施工期間地下水和施工用水無(wú)法自排，特殊是消失突水、突泥險(xiǎn)情時(shí)，為防止沉沒隧道內(nèi)的設(shè)施、危及人員平安以及為搶險(xiǎn)制造條件，應(yīng)預(yù)備充足的抽水、排水設(shè)施。隧道反坡排水。采用抽水機(jī)配以管道排水，分段設(shè)置固定泵站和集水井。固定泵站與開挖面之間設(shè)置臨時(shí)移動(dòng)泵站，用潛水泵抽水至固定泵站的集水井，集水井的容積滿足涌水流量，梯級(jí)抽水將涌水排出洞外。依據(jù)隧道的坡度、固定泵站與固定泵站之間的距離，合理選擇功率、揚(yáng)程相匹配的抽水機(jī)。確定排水管道的管徑。固定泵站與開挖面之間設(shè)置臨時(shí)移動(dòng)泵站?？紤]到預(yù)防突水，排水泵站設(shè)置為可浮動(dòng)式。排水泵的力量設(shè)計(jì)依據(jù)涌水量設(shè)計(jì)，但應(yīng)考慮突水的可能。儲(chǔ)備平安系數(shù)。泵的選用考慮修理因素，設(shè)施用泵。7.3防水閘門隧道掘進(jìn)過程中，在地質(zhì)較好地段設(shè)