青島膠州灣隧道綜合勘察方法的應用

0．引言

隨著國民經濟的發展，對于跨海交通需求與日俱增，與橋梁方案相比，海底隧道具備不受惡劣天氣條件（臺風、濃霧等）影響等優點，同時由于橋梁受制于跨度、限高、場地條件限制，海底隧道越來越跨海交通首選。

海底隧道勘察不同陸地上隧道工程，也不同于跨江河的隧道，海域勘察造價高、準確性低，使得施工風險大大增加，日本青函隧道23km的海底地段，約80%的地質條件未能詳細的預測[1]，給后續施工造成了極大的困難，包括4次海水入侵淹沒；目前我國隧道勘察勘規范實踐主要來自陸地山體隧道，如何采用有效的勘察手段查明海底隧道地質條件，是一個新課題。

青島膠州灣隧道是我國繼廈門翔安隧道建設成功的第二條海底隧道，勘察采用了多種勘察手段相結合的綜合勘察方法，取得良好的勘察效果，“地質資料吻合率達88.3%”[2]，“對斷裂位置及規模判斷較為準確，圍巖分級符合率達90%”[3]，本文通過對青島膠州灣隧道綜合勘察方法的分析、成功經驗的總結，對于海底隧道地質勘探點間距做一定的探索，對于同等地質條件下海域勘察有一定的借鑒意義。

1.工程概況

青島海底隧道工程位置為膠州灣口，采用雙向雙洞六車道，中間設服務隧道，采用礦山法施工；結構采用橢圓形斷面，結構寬15.7米，高12.0米，線路間距45米，海域部分長3300米[4]。

2．工程地質條件

（1）地形地貌

隧道軸線處海面寬約3.5公里，最大水深約42米；中部主要通航區，向兩側分別成兩個較陡的斜坡，斜坡間發育寬窄不一的緩坡平臺，潮間帶多為礁石。

（2）氣象水文

青島地處北溫帶季風區，又瀕臨黃海，兼備季風氣候與海洋氣候特點。膠州灣海潮屬正規半日潮，平均潮汐歷時5小時39分，平均落潮歷時6小時46分，平均潮差2.78米，最大潮差4.75米。

（3）地層巖性

區內第四系覆蓋基本不發育，基巖落裸露，基巖巖性復雜，種類繁多變質巖類、火山巖類、沉積巖類及侵入巖均有，以中、微風化巖為主，強風化帶一般不超過5m。

（4）區域地質

場區主要區域地質為斷裂構造，穿越隧道的斷裂主要有5條（見圖1），其中NE向的F1、F2斷裂，NW向的斷F3、F4、F5斷裂，以F3斷裂規模最大[5]。

（5）水文

膠州灣海水水化學特征為：按PH值分類屬咸性水；按硬度分類屬極硬；按礦化度分類屬高礦化水（鹽水），水化學類型屬氯鈉型水。具腐蝕及強結晶分解復合類腐蝕。

（6）地震

青島市抗震設防烈度為Ⅵ度，設計的震動加速度值為0.05g，

3、勘察方法

通過詳細分析研究前期勘察成果，結合本工程的特點，本次勘察布置以鉆探為主，輔以海底地形和磁力測量、物探（多道地震）、綜合測井、抽（壓）水試驗等綜合勘探方法和手段，

3.1 海底地形和磁力測量

沿隧道軸線左、右各300米范圍內進行1:2000比例的水下地形圖和磁力測量，測量范圍為1km×0.6km，對隧道海域海底地形和磁力測量進行補充完善,海底斷裂發育情況。

3.2 物探（多道地震）

本次勘察物探擬采用多道地震反射勘探方法，主要布置3條測線，長3km，其中1條位于服務隧道軸線上，另2條在主隧道外側10米處；同時在F3斷裂附近磁異常地段―沿兩主隧道軸線加密布置有2條測線，長約800米。

3.3 鉆孔布置

（1）鉆孔布置原則：

① 先對斷層及交叉點、地層分界線、風化深槽、物探異常點進行布置鉆孔，再對人、車行橫洞地段進行布孔，然后對隧道區間進行布孔；

②鉆孔在隧道兩側交叉布置，位于洞壁外10米左右， 一般地段鉆孔間距75～150米；斷層及交叉點、地層分界線、風化深槽、物探異常點鉆孔間距50～60米。

③隧道最凹處、推測斷裂破碎帶、物探異常地段、風化深槽部位和地質異常部位根據實際地質情況適當予以加密，

（2）孔深：深孔以鉆至隧道底板設計標高下不小于5米，如遇破碎帶和風化深槽，擬適當加深，必要時予以揭穿。淺孔以進入微風化巖2米為準。

3.4鉆孔綜合測試

① 縱、橫波測試

擬采用聲波測井和橫波測井。聲波測井測試巖體的縱波速度，同時結合采集的巖樣波速測試結果，計算巖體的完整性系數，評價巖體的完整性類別。橫波測井測試巖體的橫波速度，結合縱波速度和試驗資料計算巖體的動剪切摸量、動彈摸量和動泊松比。

勘察時所有深孔均進行縱、橫波測試，縱波測點間距0.25m，橫波測點間距2m。對于位于破碎帶、風化深槽的部分淺孔擬選擇有代表性鉆孔進行全孔段縱、橫波測試。

② 鉆孔數字錄像

擬選擇部分有代表性的鉆孔進行鉆孔數字錄像，直觀了解海域隧道巖體的完整性和節理裂隙發育情況；并通過分析比較數字錄像和鉆孔巖芯，進一步指導現場巖芯編錄，以詳細分析了解隧道巖體的完整性。本次勘察布置10個鉆孔進行數字錄像；其中節理裂隙發育的鉆孔7個，并選擇3個不同巖性、巖體完整的鉆孔進行數字錄像。

③ 電測井

井液視電阻率測井主要是結合壓水試驗查清基巖的富水性。結合鉆孔柱狀圖繪制視電阻率測井曲線，并判斷孔內各段的富水性。

④ 井溫測井

鉆孔井液溫度梯度與大小，反應了鉆孔井液與孔壁圍巖之間地下水交替的程度。根據測試資料編制各孔井溫曲線圖，并計算每孔的平均地溫梯度，以此判斷鉆孔井液與孔壁圍巖之間地下水交替的程度。

3.5抽、壓水試驗

抽、壓水試驗在深孔中進行，其中抽水試驗孔11個，壓水試驗孔10個，以詳細查明海底隧道巖體的水文地質特征，重點查明裂隙密集帶、破碎帶和風化槽等富水地段的滲透性，為合理分析、預測隧道涌水量取得可靠的水文參數。其中壓水試驗每孔3～4段，拱頂一定范圍（10～15米）和洞身段應進行壓水試驗。水文試驗應在主要含水孔段進行，勘察中應根據鉆孔情況，確定抽、壓水試驗的鉆孔及孔段。

所有抽、壓水試驗鉆孔應全孔段進行井溫、電阻率和自然電位測試。

3.6取樣

土樣：在取樣孔中進行，其中砂類土和碎石類土采取擾動樣，粘性土采取原狀樣。取樣間隔2～2.5米；如土層厚度大于等于5米，可適當加大取樣間距；遇有土層變化，應立即取樣。

巖樣：主要在取樣孔中進行，取樣間距2.5～3米；如巖性變化，在非取樣孔中應按要求采取巖樣。

原狀樣和軟質巖中的巖樣應及時蠟封，避免日曬雨淋。

海水樣：勘察期間，在大潮的漲潮高潮、落潮低潮和一般潮位的平潮時段，分別在隧道海域左、中、右各采取1組地表水樣。

地下水樣：在有代表性的地段，分層采取。

3.7 室內試驗

一般粘性土、風化呈土狀的全強風化巖和破碎帶：應進行天然含水量、天然密度、比重、孔隙比、塑限、液限、快剪、固結、無側限抗壓、滲透等試驗。

砂類土、碎石類土、全～強風化巖體和破碎帶巖體：應進行天然含水量、天然密度、比重、顆粒分析試驗。

巖石：主要做天然、飽和單軸抗壓、抗拉、抗剪強度試驗。并按巖性測定各類巖石的礦物組成、比重、天然含水量、密度、吸水率、單軸壓縮變形及放射性指標。

水樣：海水及抽水試驗抽取的地下水進行水質簡分析。

3.8 原位測試

本次勘察主要進行標準貫入和動力觸探試驗。標準貫入試驗在粘性土、砂類土、全風化巖及呈土狀的破碎帶中進行，間距2～2.5米。動力觸探試驗在圓礫土、卵石土和風化破碎呈碎石土的風化巖中進行，試驗間距3米左右，層厚大時，適當加大試驗間距。

4、總結

（1）注重搜集區域資料，注重地質調查，注重對前期資料的分析。

本項目擬建場區存在F3斷裂，2000年業主組織有關單位對場區進行地質物探工作，對場區斷裂分布有了初步的了解，2004年組織我單位對F3斷裂進行專題勘察，對于F3斷裂的規模、位置有了一定的了解，在詳勘制定方案前，對區域資料、前期勘察資料進行分析，通過現場兩岸巖石露頭地質調查與測繪，對于勘察手段的選擇、勘探點的布置起到了至關重要的作用。

（2）綜合勘察手段的運用

注重綜合勘察手段的應用，采用多聲道地震反射結合鉆探、縱橫波測試、鉆孔數字錄像、電測井、抽（壓）水試驗等手段，互為補充，取得了良好的效果。

（3）海底隧道詳勘鉆孔間距的確定

現行的公路、鐵路勘察規范水下隧道的勘探點間距并未做規定，城市軌道交通勘察規范對于地下區間的勘探點間距依據場地復雜程度而定，復雜場地10～30m，中等復雜場地30～50,簡單場地50～60m。

本次鉆孔間距統計結果，鉆孔間距140～150m占26%,80～100m占38%，50～60m占26%，15～25m占10%。

勘探點布置可根據物探成果不同區段分段布置，簡單場地段100～150m, 中等復雜場地50～100,復雜場地25～50m,可預留10%工作量對于地質異常點進行加密勘探。

參考文獻：

[1]楊家嶺等．海峽海底隧道及其最小巖石覆蓋厚度問題．巖土力學與工程學報，2003，22(增1)：2132～2137

[2]設計單位：中鐵隧道勘測設計院有限公司證明材料

[3]施工單位：中鐵十六局集團公司青島膠州灣海底隧道工程項目部證明材料

[4]中鐵大橋勘測設計院.青島膠州灣隧道詳勘報告.2004.12

[5]羅先鈺，曾洪賢．青島海底隧道F3斷裂分析評價．鐵道勘察，2006,5:61～63

[6] JTG C20-2011,公路工程地質勘察規范[s]

[7] GB 50021-2001, 巖土工程勘察規范[s]