云霄庵隧道全風化花崗巖隧道沉降控制技術

摘 要：在公路隧道建設過程中，常常會面臨著各種問題，這些問題會導致公路施工風險的出現。云霄庵隧道穿越全風化花崗巖地層，開挖擾動后呈砂狀，穩定性差，遇水后軟化，承載力下降很大，圍巖呈現“似巖非巖，似土非土”的狀態。在隧道施工過程中需要提高風險意識，尋求科學合理的方法對全風化花崗巖隧道施工進行改善，從而降低風險發生的概率。筆者在本文中著重分析了全風化花崗巖隧道施工風險的相關問題。

關鍵詞：公路；全風化花崗巖；施工風險

一、工程地質概況

益婁高速云霄庵隧道左洞長375m，婁底端洞口邊坡地層第四系覆蓋層為砂質粘性土，下伏基巖為花崗巖，全風化層原巖組織結構構造全部破壞，巖體多呈砂狀、土狀。根據物探和鉆探成果，砂質板巖與花崗巖呈侵入接觸關系，接觸面與線路大約相交于K49+140（ZK49+140）處。左洞婁底端洞口約70m長需穿越全風化花崗巖地層。

花崗巖結構構造基本破壞，僅具原巖外觀，多呈砂礫狀，自穩能力差，施工過程中無支護時拱部易產生坍塌現象，側壁易失穩。全風化花崗巖推薦承載力基本容許值[fa0]=300kPa，摩阻力標準值qik=80kPa；彈性縱波速度VP為500m/s～800m/s。

孔隙水主要賦存于第四系全風化花崗巖中，全風化花崗巖多呈砂狀、土狀，賦水條件一般。

二、全風化花崗巖特點

全風化花崗巖是經物理、化學、風化作用而殘留在原地的碎屑物。云母含量高，具有與其他殘積土不同的工程特性，其工程性質與原巖也不盡相同，“似巖非巖，似土非土”。其地基承載力、強度等力學性質完全與巖體不同；未開挖時，因其由原巖風化而成，結構致密，難以注漿；一旦開挖，又表現為“松散的砂土”，類似于第四紀沉積物，極易坍塌；其較粘土而言，又粘聚力不足。

三、工程存在的問題及原因分析

施工上臺階時最大單日沉降達到2～3cm，并且每日基本保持1cm左右的沉降值，單日沉降值大于規范值，總沉降值大，但單日沉降值，即沉降速率基本穩定。初支表面環向、縱向均無開裂現象，初步判斷為支護整體下沉。

全風化花崗巖粘聚力小，而因為結構致密，內摩擦角較大，但開挖后圍巖松動，內摩擦角銳減，塑性圈范圍很大，初支需承受較高荷載，并且開挖中極易出現松動失穩破壞現象。在仰拱封閉之前，荷載僅僅通過鋼拱架拱腳傳遞至圍巖，拱腳受力面積很小，需要較高的地基承載力才可避免沉降。按初支承受上方5m高度圍巖的荷載計算，由荷載/受力面積可知，需要的圍巖承載力達1000～2000kpa，而全風化花崗巖地基承載力僅300kpa。

四、處理措施

根據沉降原因分析，控制沉降需從減小荷載，增大受力面積這兩方面著手制定對策。在開挖各階段中，需采取合理的開挖措施并及時支護，盡量減小圍巖松動范圍，減小初支承受荷載；采用大拱腳，擴大拱腳面積；采用鎖腳錨管，利用錨管壁與圍巖之間的摩擦力分擔部分拱腳荷載；早封閉成環，荷載通過仰拱整體傳遞；加強縱向鋼筋。

在本項目中，主要采取的措施為：（1）縮小鋼拱架間距，將原設計的鋼拱架間距由75cm調整至50cm。一方面加強初期支護剛度；另一方面因為全風化花崗巖縱向成拱效應較差，縮小間距，及時支護防止拱頂坍塌。隨著埋深增加，圍巖密實度增大，穩定性提高，可適當增大鋼拱架間距至60cm。（2）逐榀進尺：一方面減小一次土體暴露長度，提高空間效應；另一方面可減小一次開挖量和出渣量，縮短開挖與支護間的銜接時間，達到早閉合的目的。（3）三臺階各臺階長度控制：臺階長度受支護封閉距離和臺階穩定兩方面因素控制。臺階長度短，可以縮短支護封閉距離加快支護環的封閉。若臺階過短，核心土縱向破裂面超過工作面，易造成洞內土體下滑，引起工作面不穩定。現場基本按臺階高長比1：1來控制，并及時封閉開挖面。圍巖較差時，適當延長臺階長度。此外，上臺階高度需盡量低，約一人高滿足施工空間要求即可。（4）加強鎖腳錨桿，將原設計兩根Φ22錨桿調整為2根Φ50×4錨管，角度盡可能朝垂直下方，鎖腳錨桿需與鋼拱架有效焊接在一起，與拱架一同受力移動。錨管壁與巖體的摩擦，錨管注漿體與巖體的摩擦及錨管注漿對圍巖的加固都可以有效減小拱腳向下沉降量。（5）加強縱向鋼筋，提高鋼架間的整體受力性能，還有助于控制鋼架縱向失穩。拱腳受下層臺階開挖的影響十分顯著，這是引發隧道拱部整體下沉的關鍵因素之一。通過縱向鋼筋的連接，加強縱向協同受力，在下臺階開挖支護的空檔期，減小拱腳下沉，保證隧道穩定。（6）大拱腳：增強拱腳的穩定性；在拱腳下墊設槽鋼、木板或混凝土墊塊，增加初支拱墻腳受力面積，降低減小初期支護閉合前的整體下沉量。但因為隧道一般存在坡度，前后拱架拱腳不在同一水平面上，墊設槽鋼后期去除困難，因此此方法較少采用。（7）仰拱封閉：及時封閉成環，受力合理；仰拱底部與圍巖接觸面大，點狀或條狀受力轉為面狀承載，接觸面大大加大，可有效減小沉降。（8）合理預留變形量：規范推薦的預留變形量為12cm，考慮全風化花崗巖的特性，將預留變形量調整至20cm。合理的預留變形量可以防止初支侵限，避免換拱的情況；同時也有利于釋放巖體中的彈性變形能，既能有效防止大變形的產生，也能減輕二次襯砌壓力。（9）適時施作二次襯砌：仰拱及填充混凝土分段澆筑合計長度能夠滿足施作一組二次襯砌長度，且監控量測結果顯示圍巖已基本趨于穩定時，立即將襯砌臺車就位，澆筑二襯混凝土。根據現場臺階長度要求，防水板臺車施做空間等要求，一般要求控制在40m以內。

五、監控量測數據分析

選取洞口Zk49+170斷面的周邊收斂及拱頂下沉數據，分析襯砌結構穩定性。

（一）周邊收斂：

（二）拱頂下沉：

根據現場監控量測數據可見，襯砌結構變化拱頂沉降和水平收斂都在規范限定值之內，且變化幅度區域平穩，證明此方法可行，變形得到了有效控制。

六、結論

花崗巖全風化后，自身的強度下降很快，新奧法原理的發揮巖體自身承載力這一條無法實現。在施工中，要充分考慮覆蓋層的自重對支護結構產生的荷載，同時在施工中重點對支護結構的受力情況做出及時、正確的判斷，及時調整支護結構參數和預留變形量，確保隧道施工安全。

參考文獻：

[1] JTG D70-2004 公路隧道設計規范 人民交通出版社.2004.

[2] JTG/T D70-2010 公路隧道設計細則 人民交通出版社.2010.

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