目前, 在沿海城市道路建设中, 海底隧道工程的施工质量与安全性要求比其他隧道更加严格。众所周知, 隧道工程施工非常复杂, 其涉及范围更加广泛, 而海底隧道在隧道工程施工中的难度更大, 存在更多的施工重难点, 针对这些重难点进行全面系统的分析, 并结合具体情况提出合理性建议, 以促进海底隧道工程施工的可持续发展。

青岛胶州湾隧道工程是一项大规模的跨海工程。该隧道是以城市道路功能为主、兼有公路功能的隧道, 设双向双洞分离式6车道, 中间设置服务隧道。隧道采用断面为3孔椭圆形断面形式穿越海域段, 两侧为主隧道, 中间为服务隧道。隧道沿线设有通风竖井、海底泵房、车行横洞、人行横洞及各项运营管理设施, 是目前我国大陆地区最长的大断面海底隧道。该隧道的横断面布置如图1所示。

胶州湾海域是深入内陆的半封闭性海湾, 以薛家岛、团岛连线为界, 与黄海相连通。湾口只有1条东南角宽约3km的海峡, 连接海湾内水域与黄海。湾腹较大、湾内水域阔, 四周多山丘, 岸线较曲折, 地形比较复杂。水深变化较大, 流速、流向不同, 故该海区的波浪状况相对复杂。从海区的气象条件、地形分布及地理位置可看出, 波浪主要是经胶州湾湾口从外部海域传入的涌浪和北向风在海湾内形成的风浪。

根据潮汐类型指数计算结果可以看出, 海域潮汐类型属正规半日潮, 经分析计算胶州湾大港验潮站的观测资料, 各站潮汐特征值如表1所示。

胶州湾区域内潮汐总的特点是落潮流速小于涨潮流速, 胶州湾表层流速略大于底部流速, 其他各层流速大致相同。落潮历时大于涨潮历时1～2h;最大涨潮流速比最大落潮流速大15cm/s以上, 湾口附近涨落潮流速差最大超过57cm/s。最快涨潮和落潮流都出现在高潮前2～3h和高潮后2～3h, 最小潮流发生时刻在高潮时。

湾口隧道断面最快涨潮流速可达1.6m/s, 流向226°。湾口团岛的岬角处和天然航槽处最快涨潮流速可达1.38m/s, 流向272°, 最快落潮流速可达l.32m/s, 流向94°。

项目主隧道、服务隧道主要为花岗岩、正长斑岩、角砾熔岩、流纹斑岩、凝灰岩等火山岩地层, 依据其风化、完整程度及隧道顶板厚度等状况分为Ⅱ～Ⅴ共4个等级。不良地质主要为断层破碎带, 特别是海域中的断层破碎带。因其岩体破碎、自稳能力很差, 施工开挖中极易发生塌方, 并可能伴随发生突泥突水, 从而危害工程安全。

项目隧道海域段通过8条断层及破碎带, 在断层及两侧影响带内地下含水量较大, 左线隧道、服务隧道最大涌水量为16 155.8, 7 971.45m³/d, 断层及裂隙带是海水渗流的通道, 加上压力较高的海水无穷补给, 如果施工技术和安全方案使用不当、超前预支护及超前预注浆止水、堵水失败, 将会造成突水和涌水, 其后果将不堪设想。因此, 如何防止突水、涌水和塌方事故的发生是项目的重点。

项目的设计基准期100年, 隧道混凝土设计为耐久性混凝土。混凝土耐久性质量直接关系到隧道的使用寿命及将来的运营安全, 因此海底隧道混凝土耐久性的质量控制也是项目的另一个重点。

项目主隧道最大纵坡为3.448%, 服务隧道最大纵坡为8.7%, 下坡施工, 出渣运输为重车上坡。海底隧道的进口和服务隧道口均向上倾斜, 地下水位就是海平面, 渗水不能自然流出。进口至项目终点水位高差很大, 需配足排水设备分段接力排出洞外, 以防突水引起灾害。

因大断面地段受断层及破碎带、风化的影响, 地质松散, 裂隙发育、自稳能力较差。加上覆盖层地面以上有建筑物、动荷载, 覆盖层地面以下有市政管线, 设计为多导洞分步开挖、分步支护, 拆小环拼大环, 最后分段逐步封闭成环, 分段衬砌存在多次支撑应力转换, 每次转换均存在不同沉降。因此, 保证大断面施工时安全是项目的重点和难点。

1) 海域段隧道施工以地质勘查、水平超前钻孔、取芯钻探、TSP203、地质雷达和地质素描等综合手段进行超前地质预测预报, 并将几种预报手段综合运用, 取长补短、相互补充及佐证, 有针对性地采取防治措施, 预防地质灾害的发生。

2) 因服务隧道断面较小, 以服务隧道先行施工, 后施工主隧道的组织方案探明前方地质情况, 并进行断层破碎带全断面超前预注浆或帷幕注浆现场试验, 为主隧道后序施工提供技术支持;及时检查评价岩体前方及周围注浆质量, 保证超前预注浆或帷幕注浆具有可靠的施工质量。

3) 注浆钻孔时需安装钻孔防突、防涌装置;钻孔后快速注水泥-水玻璃双液浆快速堵水及止水, 必要时喷射混凝土或浇筑混凝土墙并注浆防水。

4) 采用减振控制爆破方案, Ⅱ～Ⅲ级围岩采用下导洞超前、扩挖法施工, Ⅳ级围岩采用上下台阶法施工, Ⅴ级围岩采用CD法或双侧壁导坑法炸药低单耗施工。

5) 断层破碎带施工严格按“早预报、管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的24字方针进行施工。

1) 进行混凝土及胶凝材料抗裂性对比试验, 从中优选抗裂性能良好的水泥及各项原材料, 杜绝采用含有氯离子原材料;严把原料关和配合比, 施工前应进行混凝土试拌及现场试验, 以确定混凝土拌合施工工艺参数;严格控制混凝土搅拌、运输、浇筑、养护质量。

2) 建立有效的施工监测和反馈系统, 监控混凝土拌合温度、施工温度, 严格控制隧道衬砌结构混凝土裂缝的产生。

3) 采用纤维砂浆保护层垫块保证钢筋保护层厚度及钢筋定位的准确性, 确保混凝土保护层厚度。

4) 做好防排水施工, 控制海水渗入, 避免腐蚀结构。

1) 渣土运输车应采用大功率运输车, 车斗装渣不宜过多, 爬坡时采用低档前进。

2) 隧道外排水是在隧道进口段采用反坡, 并设置排水沟, 防止雨水进洞。

3) 隧道内排水是在泵房内采用大功率抽水设备, 分阶段抽水, 直至排到洞外。

1) 严格按照上述24字方针进行施工。采用双侧壁导坑法分步、分台阶开挖, 及时分步衬砌;每个导坑均采用光面爆破, 软弱地层采用小段面机械开挖法施工, 以减小对围岩的扰动。

2) 通过围岩量测、地表沉降观测、爆破振速等监测信息, 及时掌握地层变形动态, 用整理出的监控量测数据指导隧道施工。

根据上述内容, 在海底隧道施工前应做到有疑必探、先探后挖, 施工中采用超前地质钻孔、超前地质预报、红外探水、TSP203、RAMAC/GPR地质雷达等综合方法进行超前地质预测预报, 确保在掌握地质条件的基础上, 采取相应的隧道施工技术。同时, 要对施工中的重难点进行研究, 通过针对性的技术措施解决施工中的难题, 提高海底隧道工程的施工质量与安全。