海域环境下复合地层勘探及预处理技术

海域环境下复合地层勘探及预处理技术

程海涛

上海隧道工程有限公司上海200032

摘要：本文针对海域环境下复合地层的勘探和预处理技术进行了介绍，主要包括横波反射法、地震波散射法和钻孔取芯法，并依托我国第一条海底复合地层超大直径盾构隧道的工程背景盾构法施工情况，阐述相关探测技术的实际应用效果，提出了海域环境隧道岸上段、海上段的针对性处理方法和预处理技术，并提出了合理的处理方案，可为类似工程提供技术参考。

关键词：海域环境；预处理；盾构隧道；复合地层

1引言

海域环境下的隧道工程——马骝州交通隧道工程（即横琴第三通道）是连接珠海市南湾城区和横琴新区的超大盾构隧道工程，工程范围南起横琴中路，下穿环岛北路，过马骝洲水道后，沿规划保中路线位向北至南湾大道。路线全长约2834.6m，其中过马骝州水道段为圆隧道段，单管设置单向3车道，两管组合形成双向六车道，隧道外径14.5m，内径13.3m，长约1081.6m。

隧址区马骝洲水道南岸及南岸工作井至南岸大堤存在较厚的填土层，填土层为开山土，开山土中存在大量抛石，影响盾构法施工。同时，在马骝洲水道内存在基岩突起，中风化花岗岩侵入隧道断面内，影响盾构法施工。

为查明抛石与孤石的空间位置与盾构隧道的空间关系，本工程综合采用横波反射法进行抛石探测，采用跨孔回声法进行孤石探测有效性试验；采用海上SSP地震波散射法进行海底孤石探测，并为了验证探测结果同时也进行了地质钻孔。

2海域环境下复合地层综合探测方法

2.1横波反射法

为了查明岸上段抛石的情况，现场试验采用了浅层地震横波反射法和探地雷达法。现场试验表明，浅层地震横波反射法可较好的满足勘察要求。但是，现场试验也发现，采用3次覆盖观测系统采集的成果信噪比较低，宜改用6次或12次覆盖，本研究的物探采集采用12次覆盖观测系统（图1）。

图1浅层地震横波反射法

2.2地震波散射法

为了查明马骝洲水道内孤石分布，采用SSP地震波散射技术进行海上探测。水上地震散射勘探使用电火花震源激发地震波，地震波向地下传播遇到地层界面与孤石等波速异常体时，产生反射与散射波。通过在水面布置的检波器电缆接收反射与散射波，经处理确定地质结构、孤石的位置与形态。

地震散射勘探采用小排列接收系统，排列的长度为勘探深度的1/3-1/2，目的是提高对地质结构横向变化的分辨率。该技术的特点是分辨率高，适用性广，包括均匀地层与变化剧烈的复杂地质结构与孤立体。

图2地震散射技术原理示意

2.3钻孔取芯法

为了进一步探明海底孤石及岩层进行探孔处理，探孔采用一台地质钻机于海上水面钻入隧道断面以下，取芯判断隧道断面范围内地质情况。探孔布孔原则为沿隧道中轴线方向每5米布设一孔，当岩层面高于隧道推进断面底部时即判断为需处理基岩凸起区域，对于探到的岩层及孤石孔位范围进行加密处理，即加密打孔间距为1m，直到探测到基岩凸起边缘（图3）。

图3海上钻孔勘探

3综合勘探成果

3.1南岸岸上段抛石

结合钻孔资料，对地震反射法物探解释的各界面的双程时间进行时深转换，求取各界面的深度，绘制南岸岸上段综合地质解释剖面，如图4所示。

图4综合地质解释剖面

3.2西线江底基岩突起

根据海上地质钻孔，马骝洲交通隧道工程西线盾构在海上段推进过程中遇到4个岩石区域。第1个岩石区306环~332环，第2个岩石区为353环~358环，第3个岩石区为373环~385环，第4个岩石区为392环~397环。其中，第1个岩石区长度最长，第1和第4个岩石区侵入隧道深度大，岩石完整性好，强度等级较高。第2和第3个岩石区，侵入隧道深度较浅，岩石破碎，完整性不强，强度较低（图5）。

图5西线岩石区纵断面图

4复合地层预处理技术

4.1预处理技术

（一）岸上段预处理措施

根据勘察资料，南岸距工作井100m范围内抛石较多，100m以外抛石数量较少。因此，考虑距工作井100m范围内抛石采用全回转进行地毯式抛石清障处理，100m以外抛石根据探测结果定点清除。

1、全回转处理

抛石清障采用1台Ф2600全回转进行处理，处理孔径Ф2600mm，孔间距纵向2.4m，横向2m，采用梅花型布置，处理深度盾构切削断面深度范围。

图6南岸岸上段全回转处理示意图

横向（东西向）处理长度为16m（隧道边线各外放50cm），纵向（南北向）处理长度为南岸岸上段420m。处理功效为单台设备3孔/天。

2、回填及加固

每孔清除完成后采用素土掺入水泥搅拌均匀后回填，水泥掺量为6%~8%，每回填2m进行机械夯实。水泥土拌合由专用场地采用双轴加湿搅拌机拌合，拌合完成后采用挖机回填，重锤夯实。

（二）海上段预处理措施

海上预处理，主要归纳为3个措施，首先是海上探孔，其次是海底爆破，最后是海底加固。针对马骝洲交通隧道工程上软下硬的地质特性，工程高度重视，邀请多名国内知名专家成立专家组，就地下抛石、孤石、排水板及硬岩处理展开研究，最终形成《马骝洲交通隧道工程盾构推进前预处理专项施工方案》并通过专家评审，其中海上预处理，主要归纳为3个措施，首先是海上探孔，其次是海底爆破，最后是海底加固。

1、海上钻孔

基于马骝洲交通隧道工程地质资料与海域SSP探测结果的冲突，对海底孤石及岩层进行探孔处理，探孔采用一台地质钻机于海上水面钻入隧道断面以下，取芯判断隧道断面范围内地质情况。探孔布孔原则为沿隧道中轴线方向每5米探一孔，当岩层面高于隧道推进断面底部时即判断为需处理基岩凸起区域，于探到岩层及孤石孔位范围进行加密处理，加密打孔间距为1m，直到探测到基岩凸起边缘，同时加密钻孔作为爆破孔使用（图7）。

图7海上钻孔施工

2、海底爆破

基于海上探孔结果，对有岩层及孤石孔位处隧道范围进行爆破处理，加密钻完成后，需要马上下PVC套管，同时不可拨动已下的钢套管。当该孔完成爆破施工后再把孔内的钢套管拔出。

3、海底加固

加固方法为高压喷射注浆，采用双重管高压旋喷桩加固，加固用水泥、水玻璃双液浆，参量分别为20%和3‰；

双重管旋喷桩施工参数：桩径：800mm；旋喷桩中心距：600mm；浆压力：≥28MPa；空气压力：0.7MPa；浆液流量：65～75l/min；浆液喷射钻杆提升速度：0.15～0.18m/min；钻杆转速：12～16r/min；成桩垂直度误差：≤1/100。

4.2预处理效果

为了验证海底爆破效果，在爆破后区域进行钻孔取芯，抽查取芯结果显示，岩石芯样最大直径为26cm，爆破效果比较理想，为盾构推进创造了强有力的条件，满足盾构掘进要求（图8）。

图8爆破区取芯

5结语

海域环境下复合地层勘探及处理技术至关重要，在复合地层中极易遇到孤石等不良地质条件，导致盾构掘进施工无法正常进行。因此，采用综合超前探测技术可以防患于未然，掌握盾构推进的主动性，进而提出合理的处理方案，本研究中对于我国第一条海底复合地层超大直径盾构隧道的岸上段和海上段进行了合理的处理，大大提升了盾构推进速度和安全性，可为类似工程提供参考。

参考文献：

[1]张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004．.

[2]袁大军，李兴高，李建华，等.砂卵石地层泥水盾构泥浆渗透试验分析[J].都市快轨交通，2009，22（3）：32-35.．

[3]周文波.盾构法隧道施工技术应用（第一版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.