既江和既江北支水下隧道位置示意图
引言
随着西气东输、川气东送、西气东输二线等一大批长输管道和城市轨道的建设，长输管道和城市轨道以水下盾构隧道方式穿越长江等大型河流的技术逐渐成熟。对于工程地质条件复杂的水下盾构隧道，施工难度大、风险高，复杂地层的分析评价是水下盾构隧道的重点和难点，勘察、设计和施工部门需要密切配合，加强地质问题风险源的识别和控制，协调处理勘察、施工中遇到的工程地质和水文地质问题。浙江省省级天然气管网主要包括杭湖线、杭雨线、杭嘉线、杭金借线、中宅一春晓输气管线、金丽温管道以及雨台温管道。雨台温输气管道的建设，可以实现浙江省天然气管网的东线贯通。作为贯穿浙江东部沿海城市的管道，受规划、城市建设、工业用地等各方面的影响，管道穿越江河可供选择的场地受限较大，可供选择的穿越方案也受到一定的约束和限制，穿越处地形地貌及地层成因大多较为复杂，采用盾构法施工穿越江河面临的工程地质问题也较为复杂，在盾构施工发生的事故当中，多与地层结构复杂有关。
甬台温输气管道工程在欧江干流以水下盾构隧道、欧江北支流以水下盾构隧道和钻爆相结合的方式过江。灵敏度高的软土层、透水性强和含有承压水的砂土层、深厚卵石层和软硬地层结合面、破碎岩层等复杂地层、浅层气等，会对盾构的设计和施工安全产生不利影响。在川气东送武汉长江盾构隧道施工中，接收井附近穿越粉细砂层和砾砂层发生涌水、涌砂，沿隧道轴线方向发生塌陷险情，导致地面塌陷、隧道被淹塌，最大塌陷深度5一6m，塌陷坑扩展到堤防压浸平台边缘危及到长江堤防的安全。
隧址区的工程地质条件
（1）工程概况
欧江北支穿越拟采用钻爆和盾构隧道结合的方式，位于欧江人海口，穿越总长度约3059m，河流水面宽度约为1850m，最大水深大于10m，跨越温州乐清市和龙湾区。钻爆隧道人口位于乐清市黄华镇歧头二村，盾构隧道人口位于龙湾区灵昆镇。隧道由北向南穿越山前平地、歧头山，进人欧江，横穿欧江北支水道，从灵昆岛北侧的河流沙洲林地登陆。
欧江穿越拟采用江底盾构隧道方式，进口位于温州市永嘉县桥下镇陆吞村，出口位于温州市鹿城区仰义乡渔渡村。穿越总长度约I000m，河流水面宽度约为62Om，最大水深大于10m。
（2）工程地质条
欧江、欧江北支穿越隧址分别属于沿海丘陵、河流阶地地貌和沿海丘陵、海岸地貌，地貌上属沿海丘陵区，地貌单元以丘陵、山间河谷、阶地和河流冲积沙洲为主。地层属东南地层区，基岩主要为侏罗系上统西山头组上段酸性熔结凝灰岩夹角砾凝灰岩，局部为粉砂泥质岩、侏罗系上统西山头组下段含角砾流纹质晶屑熔岩凝灰岩。欧江穿越地层岩性以砂土、含黏性土卵石和风化基岩为主；欧江北支以软土、硬岩为主，在勘察过程中遇到沼气、厚度较大的软土、砂土、破碎岩石、软硬岩的交界面等不利于盾构施工的特殊地质条件。
穿越的地层结构包括了高灵敏度的软土、渗透性强的砂层、含有承压水的砂土层、含黏性土卵石地层和软、硬地层等复杂地层。
（3）复杂地层的工程问题
1）钻爆和盾构隧道结合处软土和硬岩界面的工程地质特征
岩土层的特征。欧江北支水下隧道在里程K0+810附近为盾构和钻爆隧道的结合地段，盾构隧道所遇到的岩土层上部为淤泥质土，下部为坚硬的岩石，且该地段基岩面起伏大，岩石天然抗压强度一般为76～128MPa，部分地段大于200MPa。“上软下硬”的特殊地质条件，会对盾构施工造成不利影响，在这种上软下硬情况下，需要控制好盾构机的施工姿态.。
工程分析评价和设计、施工建议。针对特殊的地质条件，建议设计在施工图阶段优化穿越界面，对地层特征、穿越曲线、施工工艺、盾构机械控制等之间的相互关系进行定量研究；盾构选型主要考虑盾构机既能通过透水性强的砂卵石层、固结度低的软弱地层，又能适应硬岩掘进，施工时应加强钻爆隧道和盾构隧道结合处的风险分析和做好应急措施，盾构钻进软地层时不要轻易加快钻进速度，钻进硬地层时要适当减慢钻进时的速度。推进时建议按岩土的变化情况，调整和优化施工参数，并采取相适应的防偏离措施，从而增加隧道的自身稳定性，施工作业应尽量减少对周围地层的移动影响。
透水、涌水分析评价。欧江穿越K0+l31～K0+l91段和欧江北支穿越KO+705～KO+810段岩体破碎，节理、裂隙极为发育，岩体切割细碎，为破碎基岩、淤泥质土和中砂的复合地层，地下水与欧江河水水力联系紧密，隧道涌水量会相对较大。工作面上的中砂在地下水作用下极不稳定，一旦出现土压较大波动(包括欠压或过压)，进而由于密封舱内突然失压，就会造成泥砂涌人盾构机密封舱，造成地面沉降。
2） 卵砾石土的工程地质特征
卵砾石的分布特征。根据欧江穿越防洪评价报告, 百年一遇的洪水一般冲刷深度为22.1m , 冲刷后对应最低点的高程分别为-42.10m。盾构设计穿越断面的岩土层主要为⑦3层含黏性土卵石，长度约682m。
⑦3层含黏性土卵石主要在欧江北岸以南分布，层厚0.80～29.6m，层顶标高约为-49.0～-25.28m。卵石的单轴极限抗压强度一般为80～150MPa，极值大于200MPa，原岩主要成分以凝灰岩为主，一般粒径60～100mm，最大直径2OOmm，亚圆状或椭圆状，含砂量约10%～30%，黏性土约5%。
盾构穿越卵石层的分析评价。在卵砾石土中进行盾构施工，刀盘磨损严重、卡刀等现象不利于盾构施工，刀盘切削时，原有土体平衡状态被打破，很容易引起卵砾石土的坍塌、超挖，造成地面沉降，从而影响地表水利堤防工程的运营安全。
在川气东送宜昌长江穿越中，穿越岩土层以卵砾石为主；北京地铁9号线和成都地铁1号线穿越大多为砾石层及卵石层；通过在施工中使用添加剂进行土体改良，改善土体粒状构造，减小摩擦降低渗透性，采用合理的盾构施工参数和措施，以减小盾构在土体中的摆动和对土体的扰动，防止超挖，及时进行二次注浆，在盾构穿越卵砾石的复杂地层中取得较好的工程经验。
工程影响的分析评价。受到盾构施工对上覆土体结构性的影响，管道穿越部位的堤坝会发生不同程度的沉降，堤身整体抗滑稳定安全系数也会有所降低，盾构施工引起的堤防变形会对沉降影响范围内的堤身土体密实度和防渗性能产生影响，需要采取必要的工程防治或加固措施。
结合类似工程实例，考虑对受施工影响范围内的堤段进行化学灌浆、加压密实等加固措施，从而减小堤坝沉降。加固后也可以补偿由于施工影响而降低的整体抗滑稳定系数，达到加强堤坝的整体稳定性的目的。
沼气问题
（1）沼气分布
在欧江北支水下盾构穿越中，不良地质作用为主要沼气。在穿越场地的南岸，在初步勘察中，在距北起点2619m处⑤1层粉细砂中发现有沼气喷出，时长达半个小时左右；在盾构南岸始发井处的⑤2层粉质载土中发现有沼气喷出，时长达2h左右，喷出过程中气体压力逐渐降低。
（2）沼气的探测过程、方法和结果
黏性土中富含的有机质在还原条件下会分解出沼气，因此沼气主要分布于淤泥质土、黏性土的上覆、下伏的砂层中，欧江北支水下隧道穿越南侧场地具备储藏浅层沼气的地质条件。为了查明其在平面和空间的分布情况、化学成分、压力大小、埋藏深度、分布形态、贮存规律、储量、涌出量(释放强度)等，了解其对对施工和运营所产生的危害程度，在详细勘察阶段对沼气进行了针对性的工作。
详细勘察阶段，在初步勘察已发现气体的区域进行加密补孔，在里程K2+347.7m以南的江上距离隧道轴线16.0～26.6m范围内布置了6个勘探孔(Ql～Q6)，并在距盾构始发井(南侧竖井)边线7.5～19.5m范围内布置4个勘探孔(Q7～Q1O)。
在江域通过钻孔加密确定气体分布范围；在陆域通过静探设备确定分布范围、收集气体、测试气压。具体过程如下:
探测是通过静压和上拔探杆来观察是否有气体溢出，来探明地下气体层埋藏的层底深度，在探杆口连接阀门、压力计和流量计测试地下气体压力和流量，通过输气管到沉淀池，采用排水法采集气样。
在勘察过程中，首先通过自制的探头与探杆相连，装人静力触探仪在触探下压过程中探头与探杆始终相连，当到达指定位置时，上提探杆，探头与探杆会自动分离，此时如有气体可通过探杆中间通道往外出气，采用BXC-02可燃气体检测报警仪，在探杆口来测定是否有气溢出，下图为BXC-02可燃气体检测报警仪。用静压设备把探杆(探杆中部通气)压人土层预定深度后，接三通设备，将阀门1关闭，阀门2打开，然后逐渐上拔，待喷气口匀速喷出气体时再将阀门2关闭，打开阀门1，气体首先通过沉淀池将泥砂沉淀，然后可直接从压力表读取压力值。
触探钻头
静力触探仪
触探钻头与探杆相连
BXC-2可燃气体检测报警仪
在Q3、Q4、QS、Q6、Q7、QS、Qg、Q10号孔的③3、③4层发现微量沼气，表现为孔口冒少量气泡，持续时间短，仅10～60s左右，无法采集气体和测压；在Qg、Q10号孔的⑤1、⑤2层中发现较多的沼气，对其进行了样品采集和气压测定，采集到的样品进行成分分析(如表所示)。据此可知，③3、③4层分布有微量沼气，⑤1、⑤2层分布较多的沼气，气体以扁豆体状和透镜体状大小不等的气囊形式分布。
（3）沼气对工程影响的分析评价
根据对沼气的压力测试、出气量的观察、以及出气量随时间的衰减较快情况分析，欧江北支盾构在穿越层位沼气的储气量有限，但其与承压水共同作用，对隧道的工作井和盾构施工的安全和稳定具有一定的危害作用。故建议隧道施工前设计须采取相应的手段对沼气储气层进行一定范围的释放，以求一定幅度的降压、减压，并同时结合对工程周围地基土体的防渗加固措施。
气压测试示意图
现场气体收集图
复杂地层的勘察建议
在复合地层勘察中，针对施工阶段对盾构勘察的要求，分析了勘察过程应注重上软下硬的硬地层面、砂土层、软土层面等特殊地层的层面位置，认为加强对破碎带、特殊地段等地质问题的分析研究，包括对岩体矿物成分的鉴定，加强颗粒分析等工作是防止刀盘刀具造成极大损坏、解决盾构施工难点的前提；在南水北调穿黄工程勘察中，归纳总结了水下盾构隧道应关注的地质问题，从盾构选型、刀盘磨损、隧洞埋深和施工中可能遇到的障碍物等方面，介绍了盾构勘察应关注的重点，认为刀盘磨损主要考虑砂层中的石英含量、砾卵石透镜体中砾卵石的岩石成分，隧洞埋深主要与河流的冲刷深度相关。
盾构隧道地质勘察一般采用TBJl0003《铁路隧道设计规范》和G5B0307《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中的相关内容，相关的管道勘察规范中缺少对盾构隧道勘察要求的详细规定，而设计提供的盾构勘察技术要求一般比较关注围岩的物理力学指标和围岩分级等问题，偏于设计需要的岩土和水文参数，对施工重点关注的地质问题常常会忽视，造成在特殊地层和复杂地层的勘察中，有些关键性的参数尚不能满足施工的需要。针对卵砾石层盾构施工刀盘磨损严重、卡刀盘等情况，不仅需要应查明卵砾石的形状、颗粒级配特征、最大粒径及其含量、单轴极限抗压强度、还需要补充卵砾石层对刀盘磨损情况的原岩矿物成分分析(石英含量的分析)、充填成分与胶结程度等。岩石层需要补充岩石的裂隙间距、岩石磨蚀性方面的指标参数、抗拉强度试验项目，岩体裂隙、节理应描述其宽度、倾角，在区域地质图中增加区域软弱面分布内容。
在目前长输管道工程的建设运行体制下，地质勘察资料而又缺少必要的评审验收环节，重大设计方案的验收和评审，往往缺少地质勘察部门的参加，造成施工方案、方法与勘察环节的脱节，盾构勘察中存在问题反馈不及时，造成勘察参数的不准确或重要地质问题的分析评价缺少针对性。大型河流穿越在详细勘察阶段，工程没有进行施工招标，盾构施工方确定后，勘察资料已经完成，难以对施工中遇到的复杂地层进行针对性的分析，指导性欠缺，需要开展施工勘察方可满足施工阶段的要求。对大型穿越工程，采取总承包的作业模式，勘察、设计和施工的一体化协调和处理，对技术把握的全面性上显得比较有优势。
如果在大型河流穿越中前期河势分析评价工作滞后，在详细勘察阶段，设计因冲刷深度未能确定无法优化穿越断面、确定拟定的隧道埋深，会影响到详细勘察工作的开展。常常由于工期问题，勘察提前开展或进行一次性详细勘察工作，勘察部门只能对可能进行穿越的岩土层进行分析评价，采用的勘察手段和内容可能会有所增加，在勘探孔的深度上也会造成一定的浪费，建议在详细勘察工作开展前，完成大型河流的河势分析评价工作。对地层结构复杂的大型河流，应严格按照可行性研究勘察、初步勘察和详细勘察的阶段进行，勘察就不同阶段的勘察任务和要求，进行相应的分析评价工作。
结论
水下盾构勘察的地质问题、水文地质条件、岩土参数的完整性与盾构机的选型、盾构施工方法、成本和安全风险密切相关。本次对欧江和欧江北支水下盾构施工中的卵砾石土、软硬岩的勘察、沼气勘察和对堤防工程的影响进行分析、评价，针对常见的软土、岩石等单一地层结构的盾构勘察分析评价，以及盾构方面也比较关注的水文地质条件的分析评价和承压水的勘察分析评价等问题，限于篇幅未能进行全面分析评价。