花崗巖殘積土中淺埋隧道修建的主要工程問題

劉成禹 張維泉

(福州大學巖土工程與工程地質研究所,福建福州 350108)

花崗巖在我國東南部有廣泛分布,廣東、福建更為集中。閩、粵兩省花崗巖的出露面積均達30%～40%[1]。花崗巖風化后形成很厚的風化殼,即花崗巖殘積土,它是南方沿海地區基本建設中經常遇到的主要地層之一。

花崗巖殘積土因其結構、工程性能等方面的特殊性已受到廣大工程建設者的關注[2,3]。然而,目前對花崗巖殘積土的研究主要集中在其力學性能、地基承載力、樁基承載力及花崗巖殘積土邊坡的破壞特性等方面[4～10],花崗巖殘積土中隧道修建方面的相關文獻很少。

在花崗巖分布地區修改山嶺隧道,隧道進、出口區段在很多情況都位于花崗巖殘積土中。花崗巖的不均勻風化特別明顯,殘積土中往往夾雜較大的孤石,孤石的存在嚴重加劇了圍巖的不均勻性。此外,花崗巖殘積土還具有遇水軟化、隨水流失的特點。花崗巖殘積土的上述特點給淺埋隧道施工帶來了諸多困難。以龍廈鐵路象山隧道出口段為例，說明花崗巖殘積土中淺埋隧道修建的主要工程問題及其形成機理、控制對策。

1 工程概況

龍廈鐵路象山隧道位于龍巖、漳州境內,采用左右單洞單線、兩條隧道并行的方案,左線隧道長15 898 m,右線隧道長15 917 m。隧道出口為淺埋小間距漸變段,埋深5～20 m,圍巖為全風化中、細粒花崗巖殘積土夾孤石。隧頂為稻田,地表水豐富。本段隧道由于具有埋深淺、地層不均勻、地下水發育等諸多不利因素,圍巖極不穩定、變形大、易坍塌。

2 花崗巖殘積土的主要工程性質

2.1 地層不均勻

花崗巖不均勻風化特別嚴重,殘積土中往往夾雜大量孤石(如圖1所示)。孤石的存在加劇了地層的不均勻性。地層的不均勻加劇了地下水滲流路徑的不均勻性和地下建筑受力的不均勻。

圖1 象山隧道出口段施工中出現的孤石

2.2 殘積土遇水崩解、軟化、隨水流失

花崗巖殘積土的主要礦物成分為石英、高嶺石、伊利石,其內黏土礦物以高嶺石為主(65%～90%)、含少量伊利石(6%～23%)和綠泥石(5%～20%)[10]。風化愈強,殘積土中高嶺土的含量愈高。高嶺土具有吸水性強,遇水軟化、崩解，強度急劇降低,隨水流失的特點。

(1)軟化

花崗巖殘積土隨著含水量的增加,強度急劇降低。

(2)崩解

花崗巖殘積土浸水10 min后便發生快速崩解，崩解物擾動后的承載力與淤泥接近。

圖3 象山隧道出口段圍巖與初期支護間接觸應力分布(單位：kPa)

(3)隨水流失

花崗巖殘積土中高嶺土吸水性強,遇水很快崩解、軟化,受水浸泡后成灰白色泥漿并隨地下水流動而流失；高嶺土崩解、軟化、隨水流失后,土體越來越松散、石英顆粒間的聯結越來越差,細小的石英顆粒也逐漸隨水流失。象山隧道出口段花崗巖殘積土軟化、隨水流失如圖2所示。

圖2 花崗巖殘積土遇水軟化、隨水流失

2.3 殘積土軟弱結構面發育

花崗巖節理發育,各組裂隙縱橫交錯,將花崗巖分割成大小不等的塊體。裂隙多為閉合型或有充填物,充填物大多為厚1～2 cm的高嶺土、蒙脫石、綠泥石。花崗巖風化后,這些裂隙成為殘積土中的結構面,裂紋充填物在風化和地下水的作用下大多已經泥化,強度很低,成為殘積土母巖結構面中的軟弱夾層。此外,花崗巖殘積土中往往還有軟弱巖脈(如長石巖脈、煌斑巖脈等)風化而成的軟弱夾層。

3 淺埋隧道修建的主要工程問題

受花崗巖殘積土地層不均勻，殘積土受水浸泡后崩解、軟化、隨水流失等工程性能的綜合影響,淺埋隧道施工中經常出現下列工程問題：(1)初期支護受力不均；(2)洞室及地表變形嚴重；(3)隧道開挖過程中塌方頻繁。

3.1 初期支護受力不均

在含孤石花崗巖殘積土隧道施工中,隧道開挖后距洞室較近的孤石隨周圍地層向洞室方向移動，作用在初期支護上。由于孤石的容重及剛度均遠高于周圍的殘積土,在其影響下產生應力集中,距孤石較近一側的圍巖壓力明顯增大,圍巖壓力分布極不均勻。圖3為象山隧道出口段有、無孤石斷面實測所得的圍巖與初期支護間接觸應力分布。

由圖3可看出：有孤石斷面(圖3(a))圍巖與初期支護間的接觸應力明顯比無孤石斷面(圖3(b))的大,有孤石斷面圍巖與初期支護間最大接觸應力是無孤石斷面的7.6倍；有孤石斷面圍巖與初期支護間接觸應力的分布極不均勻。

受孤石影響,圍巖與初期支護間接觸應力明顯變大且分布不均勻。過大的圍巖與初期支護間接觸應力及嚴重的不均勻分布必將使初期支護的內力增大,穩定性降低。

圖4為根據象山隧道出口段地層、斷面及支護條件，按地層結構法計算的初期支護成環工況下無孤石、距右拱腰0.7 m處有半徑0.5 m孤石條件下初期支護的彎矩分布；圖5為半徑0.5 m孤石位于右拱腰外側時初期支護右拱腰彎矩比(有孤石與無孤石條件下之比)隨孤石距右拱腰距離變化的曲線。

圖4 初期支護彎矩(單位：N·m)

圖5 右拱腰彎矩比隨孤石距右拱腰距離變化曲線

由圖4、圖5可看出：與無孤石條件相比,當孤石位于右拱腰外側時,初期支護右拱腰附近的彎矩明顯增大(右拱腰彎矩有、無孤石時分別為13 154 N·M和20 463 N·M)；隨著孤石距右拱腰距離的增大,孤石對右拱腰彎矩的影響逐漸減小,當半徑0.5 m孤石距右拱腰的距離小于1.5 m時,孤石將使右拱腰的彎矩明顯增大。

上述計算結果表明,距隧道較近的孤石將對初期支護的受力產生較大影響。

3.2 洞室及地表變形嚴重

受花崗巖殘積土地層不均勻及在地下水浸泡下崩解、軟化、隨水流失等工程性能的影響,淺埋隧道施工過程中很可能出現洞室及地表嚴重變形的工程問題。

象山隧道出口花崗巖殘積土分布區段施工過程中初期支護未封閉前拱頂最大下沉及下沉速率分別達440 mm、21 mm/d；最大水平收斂及收斂速率分別達525 mm、47 mm/d。洞室嚴重變形同時,地表也出現嚴重下沉(最大下沉量達603 mm)和開裂,如圖6所示。

圖6 象山隧道出口花崗巖殘積土分布段地表嚴重開裂

花崗巖殘積土中淺埋隧道施工出現嚴重的洞室及地表變形主要是由隧道埋深淺及花崗巖殘積土具有遇水軟化、隨水流失的工程性質決定的。花崗巖殘積土中淺埋隧道洞室及地表嚴重變形的形成機制如下：

淺埋隧道由于洞頂覆土淺、加之花崗巖殘積土中圍巖軟弱、自穩能力差,隧頂覆蓋層的擾動很快波及地表,在其影響地表發生變形、開裂,使原本透水性很差的花崗巖殘積土透水性增強,地表水下滲,洞內出水量增大,加劇了花崗巖殘積土的軟化和隨水流失。

花崗巖殘積土的軟化及隨水流失產生下列嚴重后果：

①鎖腳錨桿及系統錨桿沒有可靠的基礎，錨固力降低,達不到預期的加固效果；由于鎖腳錨桿錨固力低,初期支護未封閉前,鋼拱架近似呈懸臂梁受力狀態,拱腳至拱腰段水平方向變形較大,因此表現出較快的水平收斂速率及較大的收斂變形。

②拱腳花崗巖殘積土長期受水浸泡、強度很低,加之較長時間的隨水流失,引起拱腳懸空、鋼拱架持續下沉,表現為較快的拱頂下沉速率及較大的累計下沉。

③初期支護變形及圍巖隨水流失產生較大的地層損失,大量的地層損失引起地表嚴重下沉、開裂。

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花崗巖殘積土地層的不均勻性導致圍巖變形及地下水滲透通道分布的不均勻,在上述不均勻的共同影響下,洞室周邊圍巖流失也不均勻,有些部位圍巖流失量大,初期支護背后出現空洞,加劇了初期支護受力不均勻；有些部位細顆粒的圍巖隨水流失導致孤石周邊地層松散,孤石向洞室方向移動,使初期支護局部應力集中。受力不均及局部應力集中加劇了初期支護的變形和破壞。

初期支護變形增大使隧頂地層擾動隨之加劇,在其影響下地表變形及透水性增強，地表水更易下滲,洞內出水量增大,花崗巖殘積土軟化和隨水流失加劇,如此相互作用、惡性循環使洞室及地表變形急劇發展。

3.3 塌方頻繁

花崗巖殘積土地段隧道施工過程中,初期支護未完成前很容易發生塌方事故。塌方主要是由于距洞室較近的孤石或受軟弱結構面切割的花崗巖殘積土在隧道開挖后失去支撐,在自重作用下向臨空面滑移造成的。

4 工程對策

由前述分析可得：花崗巖殘積土中淺埋隧道修建過程中出現的洞室及地表嚴重變形在很大程度上是由于較大的初期支護變形使隧頂地層變形、開裂,地表水下滲引起花崗巖殘積土軟化、隨水流失造成的。此外,洞室較大變形和花崗巖殘積土軟化、隨水流失還加劇了孤石向臨空面的移動、應力集中及初期支護受力不均。因此,防止和減弱洞室和地表變形，減弱孤石對初期支護的不利影響,關鍵是嚴格控制初期支護變形。

前面分析還得出：花崗巖殘積土隧道在初期支護未完成前塌方頻繁主要是由于距洞室較近的孤石和受軟弱結構面切割的花崗巖殘積土在隧道開挖后失去支撐,在自重作用下向臨空面滑移造成的。

在綜合上述花崗巖殘積土中淺埋隧道主要工程問題形成機制的基礎上提出下列工程對策：

(2)采用超前管棚、超前注漿等超前預加固措施,減少隧道施工對隧頂地層的擾動,減少洞內出水，防止塌方。

(3)采用有利于控制初期支護變形的工法(如CRD、三臺階+臨時仰拱)施工,減少初期支護施工期間的變形。

(4)初期支護及時成環,從而改善初期支護的受力條件、縮短拱腳暴露時間,減少初期支護收斂變形及拱腳圍巖在水的浸泡下軟化、流失。

(5)改善洞內排水,減少圍巖與水的接觸,減弱水對花崗巖殘積土工程性能的不利影響。

(6)隧道開挖后及時施做初期支護，從而減少圍巖變形并及時對圍巖提供支撐力,防止塌方。

象山隧道出口花崗巖殘積土分布淺埋段采用上述工程措施后,初期支護變形明顯減小(采用CRD工法開挖段拱頂下沉最大值僅達43 mm),施工效果明顯。

5 結論

(1)花崗巖殘積土中夾雜孤石及殘積土軟弱結構面發育,遇水崩解、軟化、隨水流失的工程特性會給穿過該地層的淺埋隧道帶來下列主要工程問題：①初期支護受力不均、內力增大；②洞室及地表嚴重變形；③塌方頻繁。

(2)花崗巖殘積層中淺埋隧道修建出現的洞室及地表較大變形在很大程度上是由于較大的初期支護變形使隧頂地層變形、開裂、透水性增強,地表水下滲引起花崗巖殘積土軟化、隨水流失造成的；洞室較大變形和花崗巖殘積土軟化、隨水流失還加劇了孤石向隧道方向的移動、應力集中及初期支護受力不均。因此,防止和減弱洞室和地表變形、減弱孤石對初期支護的不利影響,關鍵是嚴格控制初期支護變形,減少花崗巖殘積土與水的接觸。為此,可采取下列工程措施：

①初期支護適當加強。

②采用超前管棚、超前注漿等超前預加固措施。

③采用有利于控制圍巖及初期支護變形的工法施工,及時施做初期支護并盡早封閉成環。

④改善洞內排水,減少圍巖與水的接觸。

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