第1章钻爆法水下隧道设计1.1概述20世纪40年代日本修建的关门海峡水下隧道，是世界最早用钻爆法修建的水下隧道，之后又采用钻爆法花了20多年修建了世界闻名的长53.85km的青函水底隧道，其中海底段长23.30km，该隧道在水平钻探，超前注浆加固地层，喷射混凝土等技术上有了巨大发展，尤其在处理海底涌水技术方面，独具一格，为工程界所津津乐道挪威已建成的约100km的水下隧道均采用钻爆法施工，在应对海底不良地质段的施工方面，除应用注浆法之外，还针对不同地质情况和围岩条件，部分地段不设二次混凝土衬砌这些隧道的断面约在10～l00，埋深50～240m;涉及地层有黏土层、石灰岩、砂岩等沉积岩，不同风化程度的板岩、石英岩、片麻岩等变质岩，花岗岩、玢岩等岩浆岩；不良地质有断层带、破碎带、软岩地带、涌（突）水中国目前也在积极修建水下隧道，目前已修建成的长6.05km的厦门翔安隧道以及已贯通的长6.17km的青岛胶州湾湾口水底隧道，还有些隧道正在采用钻爆法修建，如长沙湘江水下隧道等1.1.1水下钻爆法隧道的特点及难点(1)通过深水进行地质勘测比地面的地质勘测更困难，造价更高，而且准确性较低所以，遇到未预测到的不良地质情况（如断层、破碎带等）的风险更大。
因此，在隧道施工时必须进行超前地质预报2)水下隧道施工的主要困难是突然涌水，特别是断层破碎带的涌水因此，必须加强施工期间对不良地质体和涌水点的预测，并采取针对措施提前整治3)很高的孔隙水压力会降低隧道围岩的有效应力，造成较低的成拱作用，从而使地层稳定性较差4)很高的渗水压力可能导致水流有高渗透性，若扰动区域与水面有渠道相通，可造成灾难性的涌水与塌方5)水下隧道不能自然排水，堵水技术是关键技术需先注浆加固围岩，堵住出水点，然后再开挖，并要在堵水的同时加强机械排水，以堵为主，堵抽结合6)高水头造成衬砌承受较大的荷载7)沿水底隧道线路布置施工竖井困难很大，导致连续的单口掘进长度很长，从而对施工期间的后勤和通风有更高的要求8)海水对施工设备、钢筋、混凝土及运营期机电设备都具有腐蚀作用，故水底隧道在抗腐蚀设计方面也有更高的要求1.1.2钻爆法水下隧道设计应遵循下列规定 (l)公路水下钻爆法隧道应采用复合式衬砌，断面宜采用曲边墙拱形断面2)作用于隧道衬砌结构上的水压力大小应综合地下水的处理方式合理确定3)公路水下钻爆法隧道须从工程规划、建筑结构设计、材料选择、施工工艺等全面系统地做好地T工程的防水设计，防水设计应定级准确、方案可靠、施工简便、经济合理。
4)隧道的防排水设计应采用“以堵为主，限排为辅，多道设防，综合治理”的原则，保证隧道结构和营运设备的正常使用和行车安全5)特殊地质地段应采取可靠的多种手段的辅助施工措施，以确保施工过程中的安全6)应加强施工安全保障措施和应急预案的设计7)水下隧道全段均应进行监控监测，应加强监控量测的密度和频率，选择代表性地段进行受力监测1.1.3水下钻爆法隧道设计的关键点1．重视和大力加强前期的调查研究对于水下隧道应保证前期工作的大力投入，而前期投入恰恰是确保工程的合理性、经济性和功能性的关键环节尤其是地质勘察，对于水下隧道，由于工程规模大，建设风险大，准确的地质情况对隧道方案将起到决定性作用，相关地质工作必须超前，原则上应安排超前的工程地质（工作期不少于1年）和超前水文地质工作（不得少于1个水文年），其勘察阶段可不受设计阶段限制例如青函海底隧道从构思到开始修建整整经历了25年（1946～1971年）这里包括预备调查（路线选定、海上弹性波探查及深浅调查）、技术可能性调查（海上弹性波探查、声波探查、磁气探查、钻孔、潜水艇观察、注浆、开挖试验等）以及实施调查（超前钻孔前方探查、涌水分析、空中磁气探查、取样调查、地质和水文地质的精密调查、矿床采掘影响范围调查等）。
2．合理确定隧道的纵断面和隧道埋深隧道轴线走向方案大致确定后，在隧道纵剖面设计时对隧道上方岩体最小覆盖层厚度（即隧道最小埋深的拟选），密切关系到隧道建设的经济和安全问题覆盖层厚度过薄，隧道施工作业面局部或整体性失稳与涌、突水患的险情将加大，在辅助工法（如注浆封堵、各种预支护及预加固等口）上的投入将急剧增加覆盖层过厚，水下隧道长度加大，作用于衬砌结构上的水头压力增大，隧道支护结构需大大加强，为施工带来不便，建设投资也相应需要增加因此如何确定最优的覆盖层厚度是设计、施工的关键3．衬砌荷栽的确定水下隧道衬砌结构计算分析必须考虑其具有相对稳定性的水头，这一点同山岭隧道的情况有所不同目前，在国内外的隧道工程中，对地下水的处理方式可以分为两种类型：全封堵方式和排导方式其中，全封堵方式由于衬砌要承受同地下水水头基本相当的水压力，因此当隧道埋置较大，地下水水头较高的隧道一般都不采用全封堵方式排导方式是在衬砌背后设置排水盲管及透水填层，其最大优点是可以基本上不考虑衬砌的水压力荷载，从而可以使得衬砌结构经济合理，但需要考虑的问题是排导系统的防阻塞，以及地下水排放量的控制在隧道衬砌水荷载的计算中，我国铁路、交通部门还没有制定统一的规范，大多还是参照水工隧洞设计规范和经验方法，但并不完全适用于公路永下隧道的设计。
然而，作用于隧道衬砌结构上的水压力大小和不同地下水处理方式选取则决定着水下隧道设计理念、结构形式的关键所在 4．综合性超前地质预测预报技术隧道工程地质条件具有较强多变性和不可确定性，而水底隧道施工更是一项高风险的建筑工程因为不可能以地貌来预测水底断层等不良地质现象，海上钻探又十分困难，因此，要准确探明水底地质情况并预测隧道穿越段的地质情况并非易事为了保证水底隧道施工的安全性和减少突发灾害事故的发生，必须在水底隧道施工的过程中，对隧道开挖前方的地质条件进行经常性的综合探测，同时对数据的分析和应用必须达到信息化和动态化日本青函海底隧洞(53. 850km)成功的经验之一就是以综合手段做了大量的施工地质预报工作，确保了施工安全，确保了工期因此，设计阶段宜采取“长短结合，物探与钻探结合”的综合超前地质预测预报体系，并通过分析详勘阶段隧道地质资料，针对不同地段地质情况提出相应的技术要求5．断层破碎带突水涌泥防治技术隧道通过潮间带和断层破碎带时，上覆土层较浅，岩层软弱破碎，一旦施工扰动过大，隧道顶部高水压容易将隧道覆盖层击穿，从而发生坍塌，突水、涌泥而水下隧道与一般山岭隧道最显著的差异就是涌水源是无限的，必须止水。
因此应对软弱地层进行预加固等防治技术研究从类似条件隧道的施工经验看，应重点考虑全断面注浆、帷幕注浆、径向注浆等注浆方案的实施条件、材料、参数、工艺、机具设备及效果检验和评价标准，同时设计必须给出施工预案6．提高衬砌混凝土耐久性 无论是在国外还是在国内，混凝土碳化、侵蚀性介质腐蚀（来自海水、含盐地下水等）、微裂缝引起的钢筋锈蚀破坏，都是严重威胁钢筋混凝土结构耐久性的最主要、最普遍的病害它造成的直接、间接损失之大，远远超出人们的意料考虑水下隧道考虑其设计基准期为100年，提高混凝土的防裂耐久性是确保混凝土安全运行的关键只有通过原材料的严格把关，针对不同配合比进行一系列的力学、物理性能、耐久性指标的试验，才能确定一个合格的混凝土配合比在施工期间需要加强施工工艺和养护，如果混凝土发生大规模的裂缝，甚至贯通裂缝，将是灾难性的，混凝土的抗渗、抗冻、抗碳化、抗有害离子侵蚀等一系列性能都将直线下降，甚至会威胁到结构的安全7．水下长大隧道快速掘进技术及开挖方法的选择通常水下隧道都较长，如果仅从水底隧道出入口两端向中间施工，将会作业时间长，总体进度慢；有条件的话则可在两岸陆域和海域结合部增设工作竖井或斜井，以增加施工工作面,从而缩短整个工程施工时间。
钻爆法修建水下隧道的一个重大的缺点就是施工速度难以大幅度提高水下隧道限于不能用增设竖井或斜井的方式增加工作面，因此，施工速度成为钻爆法施工与其他施工方法相比较时的一个弱点，目前两车道公路隧道在围岩条件较好时钻爆法施工速度能达到单工作面150～250m/月，围岩地质条件较差时，每月只能掘进到几十米因此在水下复杂地质情况下长大隧道施工时应考虑快速施工对于大断面的水下隧道，在软弱地层中必须采用分部开挖方法，设计应结合凿岩机械、高效率的装运机械、大容量喷射机及装、运、衬设备，提出合适的开挖步骤及工艺流程控制点，同时应加强围岩与支护结构变形受力变形监测，并建立反馈体系，实现信息化快速施工1.2钻爆法水下隧道地质勘察1.2.1工程前期勘察为保证项目研究的可靠性，工程前期勘察重点进行隧址区工程地质、水文地质情况调查与勘探，基本查明影响工程安全的不良地质现象，为正确选定推荐方案提供可靠基础资料工程前期对隧道的调查、测绘工作内容要求及方法如下1)勘察之前必须调查、收集工程区域已有的地形、地质、水文、气象、航运、水利、交通等资料，尽可能地利用卫星影像片或航测的海床两岸地形断面以及有关地质资料在地质方面除调查收集区域地质资料外，还应注意调查收集有关坝址、桥址等已有大型建筑物的勘察资料和海床断面资料，通过调绘初步查明海床或水域覆盖层厚度、成分、粒径、变化规律等情况。
2)查明隧道附近水域常水位、潮水位、水面宽、水深、流量、流速、水质、含砂量以及地下水与地表水补排关系和随季节变化规律等情况查明隧道通过地段的含水层、隔水层分布规律，岩层厚度、岩性、结构、构造特征；所受地表水压力、方向、地下水类型、补给、径流、排泄条件等必要时，可填绘水文地质图查明地表水水域下面水底的地形、地貌、岩性、侵蚀与沉积特征和随季节变化的规律3)查明已有港口、水利设施等情况，还应收集水利、水电方面近期或远期规划中拟建或在建项目资料4)查明城建、交通设施的在建和拟建项目，做到水下隧道修建和交通、城建等大型建设项目相协调5)隧道调绘范围：在预选轴线的上、下游各长5km，两岸各宽3～5km的范围内进行，比例尺1：1000～1：2000水下隧道的调绘重点应放在水文地质调绘工作上，应对地表水、地下水进行调绘，作出涌水量评价，提出工程方案和工程措施的意见6)隧道物理勘探可采用电火花法、声脉冲轰震器、旁侧扫描声纳进行水底地形探测的地层划分7)隧道钻探孔布置，一般应布置在隧道轴线两侧，尽量不要垂直轴线布设，钻探孔距隧道轴线距离视地质情况以能查明隧道通过范围的地质情况为原则轴线附近钻探孔要做封孔工作。
其钻孔深度根据钻探目的和具体情况而定，一般应钻到设计洞底高程以下2m为宜水下隧道钻孔深度以查明对隧道有影响地层的水文、工程地质特征为原则在隧道埋深未确定时，必须有2个以上技术性钻孔技术性钻孔比一般性钻孑L深20m以上，一般性钻孑L与技术性钻孔交叉布置；当隧道埋深确定以后，钻孔深度要达到隧道底板设计高程以下10～20m8)由于隧道工程地质和水文地质条件十分复杂，除按一般隧道进行钻探、观测、试验外，还应进行抽水或注水等试验，结合物探方法测定地下水的流向、流速、压力、岩土的渗透性等，并分段预测涌水量，必要时进行水文地质动态观测1.2.2初步设计勘察 1．勘察方法与手段 本阶段勘察的范围、目的、对象比前期阶段应更有针对性，所采用的勘察方法、手段有地球物理勘探、钻探、测试、抽（压）水试验，应在充分综合勘察成果的基础上提交综合勘察报告对于推荐方案线位，要求部分地质工作要超过初勘的深度，在钻探、测试方面要求其资料不但满足本价段的设计要求，还应达到满足施工或指导施工的要求，通过该阶段的勘察应清楚查明推荐线位及比较线位的工程、水文地质条件该勘察阶段的地质工作重点是如何准确地判断软弱围岩与断层破碎带地段的分布状况，全、强、弱、微风化层的界线，岩土体的物理力学性质以及地下水的影响等。