《1 前言》

1 前言

修建海底隧道是一项风险很高的工程，其主要问题是隧道坍塌和涌水突泥，国内外在海底或者高水压、富水地层修建隧道发生涌水突泥的案例很多，涌水和突泥往往会造成隧道坍塌、变形、侵限，甚至导致人员和设备被埋、地表沉陷、建筑物倒塌、地下水疏干，危及施工、运营和环境安全，带来严重的工程灾难。 对于海底隧道而言，由于海水非常丰富，一旦涌出，很难控制，因此其带来的危害和损失也很大[1，2] 。

厦门翔安海底隧道是我国修建的第一条海底隧道，海底隧道陆域全强风化岩地段和海底风化深槽地段岩体风化严重，软弱破碎、节理和裂隙发育，强度低，含水量大，无自稳能力或自稳定能力差，开挖时容易发生涌水突泥和坍塌，因此注浆加固和堵水是保证施工安全和质量的重要手段，也是工程成败的关键[3 ～6] 。 笔者以厦门翔安海底隧道涌水量最大且施工难度最大的海域段 F1 风化槽为研究对象，根据其围岩地质条件和突涌水特点，制定了缜密细致的注浆加固方案，并对其进行了注浆效果的检验和评价。

《2 工程概况》

2 工程概况

厦门翔安海底隧道主洞 F1 风化槽起始里程为ZK8 +270，覆盖层 36.9 m，最大水深 30 m，设计拱顶最大静水压力 0.68 MPa，设计纵向长度为 70 m。

《2.1 工程地质条件》

2.1 工程地质条件

F1 风化槽岩性以 W4 和 W3 全、强风化花岗岩为主，夹强风化二长岩岩脉:强风化花岗闪长岩以褐黄色为主，杂少量白斑，岩石风化严重，呈硬塑砂质粘性土状，并含有中粗砂和粉细砂;强风化二长岩脉因高岭土矿物含量较高，具有弱膨胀潜势，含少量风化残块，地勘报告提供的全、强风化花岗岩力学参数见表 1。 从表 1 中可以看出，全、强风化花岗岩力学参数较低，隧道一旦开挖，围岩稳定性很差。

《表1》

表1 F1 风化槽岩土物理、力学指标

Table 1 Geotechnical materials in F1 weathered trough

《2.2 水文地质条件及 F1 风化槽突涌水特点》

2.2 水文地质条件及 F1 风化槽突涌水特点

F1 风化深槽海域地下水总体上富水性弱，渗透性较差，为弱或微含水层，但全、强风化岩接触面处，节理裂隙发育，地层的透水性很大，地下水和海水的连通性极强;该段地下水主要受海水的垂直入渗补给，全、强风化地层渗透系数较大，见表 2。

《表2》

表2 F1 风化槽渗透系数参数表

Table 2 Permeability parameters in F1 weathered trough

相比较而言，海域段在 F1 风化槽位置的涌水量较其他位置的涌水量值要高出很多，F1 风化槽最大水压力为 0.3 ～0.5 MPa，单孔最大涌水量为50 m3/h。 又由于强风化基岩切过隧道，隧道围岩十分破碎，裂隙十分发育，因此发生突水的可能性很大，是隧道建设过程中施工难度最大、施工工艺最复杂、危险性相对最大的阶段。 如果设计施工过程中不采取相应积极有效的措施，极有可能发生突水事故，给工程带来难以估量的损失。

《3 注浆堵水方案设计》

3 注浆堵水方案设计

《3.1 注浆方案》

3.1 注浆方案

对于海底隧道而言，不同的地质条件和设计要求应选择不同的注浆方案，影响注浆方案选择的因素也很多，主要有地质条件、隧道埋深、设计要求、施工方法、机械设备等，其中地质条件对注浆堵水方案影响最大，在地质条件方面主要考虑开挖面稳定情况、水压力、涌水量、泥沙含量等。 根据国内外海底隧道修建的工程经验和相关试验成果，不同地质岩层注浆方案的选择见表 3。

《表3》

表3 注浆方案的选择

Table 3 Scheme choice of grouting

根据主洞 F1 风化槽的地质条件和突涌水特点，设计采用全断面注浆加固和堵水，注浆加固范围为掌子面内及隧道开挖轮廓线外 5 m，隧道纵向加固每循环长度为 23 m ( 含止浆岩盘 )。 共计钻孔195 个，检查孔 28 个 ( 其中取芯孔 7 个 )，此外另增加了 10 个补充注浆孔。 注浆孔布置见图 1 和图 2。

《图1》

图1 F1 风化槽注浆开孔布置横断面图 ( 单位:cm )

Fig.1 Cross‐section of openings layout for grouting in F1 weathered trough ( unit:cm )

《图2》

图2 F1 风化槽注浆钻孔纵断面图 ( 单位:cm )

Fig.2 Profile of drilling for grouting in F1 weathered trough ( unit:cm )

《3.2 注浆参数》

3.2 注浆参数

注浆参数见表 4，分别对不同的注浆参数提出了具体的指标。

《表4》

表4 注浆参数

Table 4 Parameters of grouting

《3.3 注浆材料》

3.3 注浆材料

注浆材料以超细水泥单液浆为主，超细水泥—水玻璃双液浆及普通水泥—水玻璃双液浆为辅。 浆液配比参数如表 5 所示。

《表5》

表5 浆液配比参数

Table 5 Parameters of grout formula

《3.4 钻孔法注浆效果检验》

3.4 钻孔法注浆效果检验

采用钻孔检查法检验[7] ，本次注浆检查孔数量为 29 个，其中取芯孔 7 个，检查孔的取芯率平均达到了 70 %左右，大部分孔的涌水量达到了设计要求，另外对于不合要求的部位进行了补充注浆。 注浆前后地层物理、力学参数对比见表 6。 总体来看：由于开挖面左侧中上部地层为全、强风化的花岗岩并且夹有粉细砂，水量较大，钻孔过程中坍孔严重，因此注浆十分困难;距离掌子面 18 m 以前，岩芯中含有较多的水泥浆块，岩芯比较完整，基本无水，注浆加固效果较好;18 m 以后，浆液胶结情况稍差，水量较大，进行了补充注浆，其他部位注浆加固效果较好，基本无水，达到了设计和开挖要求。 取芯情况和开挖面浆液扩散情况见图 3 和图 4。

《表6》

表6 注浆前后岩土物理、力学指标对比

Table 6 Comparisom of geomechnical parameters pre and post grouting

《图3》

图3 检查孔岩芯

Fig.3 Check rock quality of core

《图4》

图4 开挖面浆液扩散情况

Fig.4 Grout diffusion at excavation face

《4 F1 风化槽注浆加固后隧道工程稳定性评价》

4 F1 风化槽注浆加固后隧道工程稳定性评价

《4.1 现场监测分析》

4.1 现场监测分析

F1 风化槽通过全断面注浆后，按照设计方案采用CRD 工法进行施工。 施工过程中对 F1 风化槽围岩开展变形和破坏特征的现场监测工作。 监测结果表明:注浆加固后围岩体变形得到有效控制，拱顶沉降和位移收敛量值最大分别为0.84 cm 和2.48 cm，后期的围岩位移速率也非常小，均在设计允许范围之内。 图5 和图6 为 F1 风化深槽 ZK270 断面的拱顶沉降和位移收敛趋势图。

《图5》

图5 拱顶下沉位移曲线

Fig.5 Curve of vault settlement

《图6》

图6 水平位移收敛曲线

Fig.6 Curve of converging displacement

《4.2 数值仿真分析》

4.2 数值仿真分析

与此同时，对 F1 风化深槽段海底隧道 CRD 施工工法围岩稳定性开展三维数值仿真。 计算结果表明：隧道围岩的水压力基本上在 0.45 ～0.57 MPa，二次衬砌的外水头范围为31 ～54 m，均在设计允许范围之内。图7 和图8 为衬砌外水压力等值线云图。

《图7》

图7 隧道轴线左侧区域水压力云图

Fig.7 Pore pressure at zones of left tunnel

《图8》

图8 二次衬砌三维水压力云图

Fig.8 Pore pressure of second liner

《5 结语》

5 结语

1) 海域段 F1 风化槽是涌水量最大的区域，最大水压力为 0.3 ～0.5 MPa，单孔最大涌水量为50 m3/h，隧道围岩变形很大，围岩稳定性很差，因此，必须采用相应合理的注浆加固措施。

2) 根据 F1 风化槽地质岩层特性和突涌水特点，采用全断面注浆加固和堵水，注浆加固范围为掌子面内及隧道开挖轮廓线外5 m，隧道纵向加固长度为 23 m，注浆材料以超细水泥单液浆为主，并对注浆参数进行了详细的设置;注浆加固后，通过钻取岩芯检查，发现岩芯比较完整，基本无水，注浆加固效果较好。

3) 隧道施工开挖后，分别通过 F1 风化槽段现场长期位移监测结果和三维海底隧道的数值仿真，分析隧道围岩体的变形破坏特征和外水压力，结果表明:围岩变形和水压力均在设计允许范围之内，围岩稳定情况良好，达到了设计和施工开挖要求。