淺淡全強風化花崗巖地層隧道施工難點及防護措施

付偉慶

(中鐵二十四局集團新余工程有限公司, 江西新余 338025)

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淺淡全強風化花崗巖地層隧道施工難點及防護措施

付偉慶

(中鐵二十四局集團新余工程有限公司, 江西新余 338025)

隨著我國交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路隧道逐漸向偏遠山區(qū)及復雜地質(zhì)段延伸。在富有全強風化花崗巖的地質(zhì)段進行隧道施工時會遇到各種各樣的施工難題，文章參考以往工程實踐中隧道施工遇到的難題，結(jié)合大臨鐵路勐麻1號和勐麻2號隧道的施工過程，并根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗對全強風化花崗巖隧道的施工難點及防治措施進行探討，為類似工程實際提供理論依據(jù)和經(jīng)驗。

鐵路隧道； 全強風化； 花崗巖； 施工難點； 防治措施

花崗巖是隧道施工中常見的一種地層巖性，在我國華南及西南地區(qū)分布較為廣泛[1]。對于全強風化花崗巖，其節(jié)理裂隙發(fā)育，導致花崗巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造遭到破壞，遇水后軟化，且受開挖擾動后呈砂狀，強度和穩(wěn)定性也大大降低[2-3]。

在國內(nèi)，針對全強風化花崗巖的力學特性、災害控制、施工技術(shù)開展了很多的研究工作，王明年[4]等對廈門翔安海底隧道穿越全強風化花崗巖地段的CED法施工控制基準進行了研究，得出CRD1部和CRD3部拱頂豎直位移約為200 mm和130 mm;燕全會[5]基于蓮花山1號隧道進口段的施工對富水全強風化花崗巖地段隧道施工技術(shù)進行了探討，驗證了雙側(cè)壁導坑法在該類巖石地層中施工的可行性，按此工法施工，平均月進尺可達35 m/月；袁敬強[6]等對全強風化花崗巖隧道突水災害機制及治理技術(shù)進行了研究，提出了“以堵為主、堵排結(jié)合、分區(qū)治理、動態(tài)施工”的總體治理原則；汪珂[7]等對強風化花崗巖隧道水平旋噴樁預加固效果進行了分析，得出采用43根旋噴樁對隧道拱頂進行加固后拱頂圍巖位移顯著減少，提高了圍巖的穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段對于全強風化花崗巖地段隧道施工的研究尚有許多不足之處，對施工難點及其對應的解決措施研究相對較少，本文結(jié)合云南大臨鐵路勐麻1號和勐麻2號隧道的施工過程，根據(jù)其在施工過程中遇到的難題及解決措施等問題展開討論， 進而對全強風化花崗巖地段隧道設計和施工起指導作用。

1 工程概況

云南大臨鐵路是我國西部鐵路交通發(fā)展的一條重要路線，其中勐麻1號和勐麻2號隧道位于云南省臨滄市，勐麻1號隧道位于息鋪站和臨滄站之間 ，全長2 320 m，隧道洞身最大埋深約174 m，洞身有兩處淺埋段，最小埋深約7 m，穿越全強風化花崗巖地層長2 057 m，約占總長89 %；勐麻2號隧道位于息鋪站和臨滄站之間 ，全長253 m，最大埋深約46 m，穿越全強風化花崗巖地層長253 m，占總長100 %。

隧道圍巖主要包含粉質(zhì)黏土、細圓礫土、卵石土、細粒含黑云花崗巖和細粒黑云斜長花崗巖，圍巖級別為Ⅴ級，其物理力學參數(shù)見表1，其洞身的支護參數(shù)見表2、表3。

表1 圍巖的基本物理、力學參數(shù)

表2 勐麻1號隧道結(jié)構(gòu)支護參數(shù)

表3 勐麻2號隧道結(jié)構(gòu)支護參數(shù)

2 施工難點

2.1 突水突泥

全強風化花崗巖在富水段進行隧道開挖時極易發(fā)生突水、突泥等災害，且災害一旦發(fā)生演化速度極快，影響范圍較大。廣西山心隧道在全強風化花崗巖地段施工時曾多次發(fā)生突水狀況(圖1)，其形式包含初支垮塌、掌子面涌水、洞內(nèi)塌方、涌水突泥、特大突涌水以及地表坍塌等多種類型，在某次突水災害中最大突水量達1 280 m3/h，期間累計突水量達25×104m3，淤積泥沙約2 500 m3，造成了巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失與不良社會影響。該特大災害的誘發(fā)因素為水壓較大、地下水豐富且地層水穩(wěn)定性差。

圖1 廣西山心隧道突水示意

廈深鐵路梁山隧道全長9 888 m，埋深為26 m，在DK96+505～DK96+530里程段發(fā)育有富水全強風化花崗巖軟弱帶，長度約為25 m，隧道開挖到軟弱帶時發(fā)生了嚴重的突水突泥災害，涌泥量高達3×104m3，淤積隧道長度230 m，致使地表塌陷，陷坑深度20 m。

2.2 邊坡失穩(wěn)

貴州省某高速公路隧道經(jīng)過區(qū)間圍巖多為全風化花崗巖，全風化花崗巖由于云母含量較高，結(jié)構(gòu)松散，水穩(wěn)性差，所以邊坡容易發(fā)生滑坡，有些邊坡在施工過程中出現(xiàn)失穩(wěn)滑塌(圖2)。

圖2 貴州省某隧道邊坡失穩(wěn)滑塌示意

某高速公路位于安徽省南部山區(qū)，隧道切坡后形成大量全強風化花崗巖邊坡，此類邊坡巖體松散破碎，水穩(wěn)性差，抗沖刷能力較弱。

在自然狀態(tài)下，邊坡巖土體處于受壓狀態(tài)，無明顯拉應力區(qū)和應力高度集中現(xiàn)象，邊坡多數(shù)能保持自身平衡；在開挖狀態(tài)下，由于邊坡所處地段巖體多為全風化花崗巖，巖體受開挖擾動而松動，當其擾動范圍較大，邊坡巖土體無法維持自身平衡穩(wěn)定，就容易產(chǎn)生滑坡。在實際工程中，邊坡失穩(wěn)多數(shù)是由于開挖強度較大或者開挖后支護不及時造成的。

2.3 隧道洞室無法自穩(wěn)、坍塌、冒頂

工程實踐表明，當花崗巖處于全強風化程度時，其對隧道施工會造成系列工程難題，圍巖呈砂土狀，穩(wěn)定性與含水量密切相關(guān)。當含水量較低時，圍巖開挖易滑塌，當含水量較高時，圍巖體現(xiàn)出蠕變特性，因此圍巖變形控制難度較大，施工風險較高。此外，圍巖致密，滲透系數(shù)較低，施工注漿固結(jié)效果難以控制。實際上，全強風化花崗巖地層隧道施工坍塌的工程實例也較為普遍，給施工造成極大的技術(shù)困擾。如依托工程云南大臨鐵路勐麻1號和勐麻2號隧道，在修建時大量的掌子面產(chǎn)生變形較大、坍塌等現(xiàn)象。如圖3所示，在里程DK203+992.2處出現(xiàn)了嚴重的掉塊與坍塌現(xiàn)象。深圳市白石嶺大斷面公路隧道，在全強風化花崗巖及第四坡系、殘積土施工中遇到花崗巖微風化球體的不良影響，出現(xiàn)了大范圍的洞室坍塌、冒頂?shù)仁鹿剩瑢е滤淼朗┕ぶ袛啵蟠笥绊懝て凇?/p>

圖3 勐麻1號隧道洞室坍塌變形示意

3 對應解決措施和實施效果

3.1 突水突泥災害防治措施及實施效果

針對廣西山心隧道突泥突水災害，經(jīng)綜合考慮隧道施工與地表生態(tài)環(huán)境安全，堅持“以堵為主、堵排結(jié)合、分區(qū)治理、動態(tài)施工”的總體治理原則，優(yōu)化確定復合帷幕注漿、全斷面帷幕注漿與動態(tài)施工的協(xié)同治理技術(shù)體系。帷幕注漿是指在具有合理孔距的鉆孔中注入漿液，使各孔中注漿體相互搭接以形成一道類似帷幕的混凝土防滲墻，以此截斷水流，從而達到防滲堵漏的目的。其中，對于輕微擾動及低水壓地段可采用傳統(tǒng)的全斷面帷幕注漿，而對于擾動較大、水壓較高，滲流速度快的地段則需采用復合帷幕注漿，即首先在隧道開挖輪廓面使用化學漿形成止水圈，然后使用水泥漿加固地層。經(jīng)處理后，隧道開挖表明，掌子面中形如樹根狀的的漿脈相當密集，滲水量大大減小，堵水率高達90 %。

對于深埋隧道富水滑動型軟弱帶，如廈深鐵路梁山隧道全強風化花崗巖軟弱帶的突水突泥災害，采用“排水降壓、旋噴加固、超前管棚”的綜合治理方案。在隧道富水地段增設排水溝，采用旋噴柱對拱頂進行加固，或使用超前管棚對隧道進行超前支護。經(jīng)試驗，采用旋噴加固拱頂并增設排水溝是最有效的防治措施，其涌水量從45 m3/d降低到7.8 m3/d，隧道整體穩(wěn)定性得到了很大的提高。

3.2 邊坡失穩(wěn)防治措施及實施效果

隧道邊坡防護應抓緊防護，減少暴露面和暴露時間。安徽省南部山區(qū)某高速公路一級邊坡采用錨桿框架+綠化護坡支護形式；二級邊坡可采用砂漿錨桿對隧道邊坡進行加固；對于三級邊坡，則采用掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、植草護坡。針對貴州省某高速公路隧道，其邊坡已經(jīng)出現(xiàn)裂縫或者垮塌，經(jīng)研究決定使用純水泥漿或者水泥砂漿進行封堵，沿著裂縫或者垮塌面采用φ42鋼管注漿加固破面；在地下水較為豐富的地段，由于全強風化花崗巖水穩(wěn)性較差，若出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)或垮塌，需預留排水孔或排水溝進行排水；而當邊坡已經(jīng)垮塌時則采取重新刷坡方式進行處理。經(jīng)有效地護坡及加固措施后，隧道洞身段及洞口段邊坡涌水量大大降低，不再出現(xiàn)在雨水和地下水的沖刷下失穩(wěn)滑坡等現(xiàn)象。

3.3 隧道洞室無法自穩(wěn)、坍塌、冒頂防治措施及實施效果

針對隧道坍塌變形、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，深圳市白石嶺大斷面公路隧道采用采用“高揚工法”進行治理與防護。經(jīng)監(jiān)測，處理前拱頂累計下沉為76 mm，處理后拱頂累計下沉僅為12 mm，從而確保了支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。經(jīng)實踐證明，該工法安全可靠，施工相對簡單，可在類似工程中推廣應用。

此外，可采取旋噴樁對隧道拱頂進行加固。旋噴樁在拱頂形成的混凝土殼體一定程度上提高了圍巖的整體性，使得隧道在開挖過程中的沉降變形主要表現(xiàn)為旋噴樁殼體的縱向撓曲變形。拱頂水平旋噴樁的沉降值主要發(fā)生在仰拱開挖機階段，而拱腳水平位移在3個開挖階段的變化并不明顯，說明設置一定數(shù)量的旋噴樁對控制上部圍巖的沉降是有明顯作用的。勐麻1號和勐麻2號隧道在全強風化花崗巖地層地段隧道的施工中，采取了適當?shù)某邦A加固措施、選用合理預加固參數(shù)及注漿工藝對隧道進行超前支護，并采取旋噴樁對隧道拱頂進行加固處理，進而有效地控制了隧道的坍塌、掉塊、大變形等災害。目前勐麻2號隧道已經(jīng)貫通，其洞室變形已經(jīng)得到有效控制，勐麻1號隧道洞室坍塌、掉塊及無法自穩(wěn)現(xiàn)象也得到了改善。

4 結(jié)論

(1)全強風化花崗巖地段，圍巖多呈砂土狀，圍巖強度和整體穩(wěn)定性較差，圍巖開挖易滑塌與蠕變變形，因此圍巖變形控制難度較大，施工風險較高。全強風化花崗巖地段進行隧道施工建設時經(jīng)常出現(xiàn)突水突泥、邊坡不穩(wěn)、隧道蠕變坍塌以及支護結(jié)構(gòu)大變形等問題，災害一經(jīng)發(fā)生，演化速度極快，并且很難控制。

(2)針對全強風化花崗巖隧道突水突泥災害，可采取復合帷幕注漿、全斷面帷幕注漿以及增設排水溝等措施在疏導地下水的同時采取注漿堵水等措施，進而減少隧道涌水量和滲水量。

(3)針對邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，首先應對邊坡及時防護，減少暴露面及暴露時間。當邊坡尚未出現(xiàn)裂縫及滑坡時，可采用錨桿+綠化坡、鋼筋網(wǎng)進行支護外，當邊坡已經(jīng)出現(xiàn)裂縫、垮塌時，則需采用采用鋼化管注漿加固坡面，必要時，可重新刷坡。

(4)針對隧道洞室坍塌變形、冒頂?shù)葹暮Γ刹捎眯龂姌秾绊斶M行加固，在一些復雜地質(zhì)段需對隧道洞室進行超前支護和超前注漿對隧道進行加固，以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與正常施工。

[1] 李炳元，潘保田，程維明，等.中國地貌區(qū)劃新論[J].地理學報，2013,68(3)：291-306.

[2] 陳洪江.花崗巖類全風化帶的工程地質(zhì)性質(zhì)[J].港工技術(shù)，1995(3)：61-65.

[3] 趙建軍，王思敬.香港風化花崗巖的固結(jié)特性[J].河海大學學報：自然科學版，2005,33(1)：85-88.

[4] 王明年,路軍富,劉大剛,等.大斷面海底隧道CRD法絕對位移控制基準建立及應用研究[J].巖土力學,2010(10):3354-3360.

[5] 燕全會.蓮花山1號隧道富水全強風化花崗巖地段施工技術(shù)探討[J].公路交通技術(shù),2016(1):105-108.

[6] 袁敬強,陳衛(wèi)忠,黃世武,等.全強風化花崗巖隧道突水災害機制與協(xié)同治理技術(shù)研究[J].巖石力學與工程學報,2016(S2):4164-4171.

[7] 汪珂,賴金星,邱軍領(lǐng),等 強風化花崗巖隧道水平旋噴樁預加固效果分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2016(5):168-175.

付偉慶(1970～)，男，本科，工程師，主要從事鐵路工程施工與管理工作。

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[定稿日期]2017-03-13