隧道安全穿越全風化花崗巖段的技術措施研究

閆 旭 趙春偉

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引言

花崗巖是一種在地殼中分布十分廣泛的巖漿巖，主要礦物成分為石英、長石和云母。突出地表的花崗巖在風化作用下，除穩定性較強的石英成分外，長石和云母均風化為黏土礦物，根據風化程度的差異，形成殘積土、全風化、強風化、中風化、微風化等風化帶。其中，全風化花崗巖雖然外觀保留了巖石的結構，但長石和云母已經完全風化為土，結構強度很低，手可捏碎成粉末狀。由于石英之間的空隙被黏土填充，原狀全風化花崗巖表現出黏土的性質，結構致密，孔隙率低，滲透性差，經擾動后表現出砂的性質，結構松散。這種“似土非土、似巖非巖”的巖石在干燥狀態下具有一定的自穩能力，遇水后極易軟化崩解，喪失承載力。隧道工程中常常遇到全風化花崗巖地層，如果不了解其特性，采用常規的處理方式，往往會引發工程事故，威脅人員安全，影響施工進度，造成巨大的財產損失。對于全風化花崗巖這種不良地質，研究人員進行了大量探索，本文主要對前期的研究成果進行總結、梳理和評價，為類似地質條件下的隧道安全施工提供借鑒。

1 全風化花崗巖的工程特性

全風化花崗巖具有不同的成因和結構組成，使其工程特性區別于一般粘性土和砂質土，具有遇水軟化和崩解性、風化不均勻性、易受擾動性。研究表明含水率對原狀全風化土體性質影響較大，土體抗剪強度指標隨含水量增加而減小，彈性模量隨含水率的增大呈先增后減的趨勢，具有最佳含水率峰值[1]。

注漿是隧道工程中常用的堵水和地層加固手段，由于全風化花崗巖表現為松散的砂土，因此通過注漿對土體進行加固改良是比較容易想到的輔助施工措施。工程人員對全風化花崗巖的注漿特性進行了大量深入研究，結果如下：

1)注漿機理：與松散的砂性土和顆粒狀地層不同，由于全風化花崗巖地層中含有大量小顆粒的高嶺土，導致地層孔隙率很低，滲透性很差，量級在10-4cm/s以下，漿液無法通過滲透作用在地層中擴散，擴散模式以劈裂注漿為主、壓密注漿為輔，最終形成支條狀的主次漿脈。

2)漿液選擇：由于高壓劈裂產生的土層縫隙寬度較大，對于采用超細水泥和普通水泥來說，注漿效果相差不大，將水泥和水玻璃按一定比例組成的雙液漿，可以通過調整配比控制凝結時間，對含水量較大的地層，堵水效果更好。

3)注漿工藝：一次性鉆孔注漿和袖閥管分段后退式注漿相比，一次性鉆孔注漿雖然施工簡便，但對于滲透系數不同的土層漿液注入不均勻，且容易發生漿液從注漿管與注漿孔間隙流出，無法達到設計注漿壓力的現象，注漿地表需澆筑混凝土止漿盤，圬工量大；袖閥管注漿工藝相對復雜，但注漿效果能夠保證，可以分層重復注漿，保證地層中漿液填充率。

4)注漿效果：注漿對土體的抗壓強度、粘聚力、內摩擦角、抗崩解性、滲透性等指標均有改善，改善效果與漿液填充率有關，室內試驗表明，漿液填充率達到48%以上時，粘聚力可提高3倍，內摩擦角可提高10倍，滲透性可降低至10-8cm/s量級[2]。

2 全風化花崗巖引發的隧道工程病害

1)邊仰坡失穩。

花崗巖地質隧道洞口一般覆蓋有殘積土和全風化花崗巖，且隧道邊仰坡常用噴錨防護，洞口淺埋段施工不可避免要對邊仰坡造成擾動，引起地表及防護坡面微裂縫，如洞口排水不良，大氣降水沿地表裂隙滲入邊仰坡土體，一方面造成全風化花崗巖軟化崩解，抗剪強度指標降低，另一方面，滲水將軟化后的石英砂粒沖走，使微裂縫寬度加大，形成滲水通道，噴錨面與被防護坡面之間形成空腔，造成坡面下沉開裂，如此惡性循環，最終導致邊仰坡土體失穩滑移。全風化花崗巖隧道產生的邊坡失穩事故比較常見，且往往發生在雨季，如福建漳州沈海復線高速公路A5標寶豐隧道、長昆鐵路客運專線湖南段寨子崗隧道、十堰至天水高速公路茶條嶺隧道等在修建過程中均發生過洞口邊仰坡失穩情況。

2)洞內塌方。

隧道掌子面開挖導致原狀全風化花崗巖受到擾動，圍巖進行應力調整過程中產生塑性變形，致密的原狀圍巖產生裂隙后相互剝離形成砂性土，自穩能力降低，如果支護結構強度不足或支護不及時，圍巖變形過大無法控制，容易導致坍塌。洞內坍塌一般發生在拱肩、拱頂和掌子面，拱肩和拱頂坍塌主要原因是原狀全風化花崗巖結構致密，滲透性差，超前注漿效果達不到要求，無法形成承載拱，掌子面塌方的主要原因是未及時進行封閉，臨空面內壓力較大，或遇到上軟下硬圍巖，下部圍巖爆破對上部圍巖擾動較大。實際工程中，隧道遇到全風化花崗巖產生坍塌的例子并不鮮見，如岑溪至梧州高速公路牛嶺界隧道、深圳鹽田到壩崗高速公路段大梅沙隧道、河北省承德市隆化縣喇嘛梁隧道、北京八達嶺高速公路潭峪溝隧道、蕉嶺廣福至梅縣城東段廣福隧道、通平高速公路姜源嶺隧道、廣西平鐘高速公路水沖口隧道、江西大廣高速公路龍楊段九連山隧道、田師府至桓仁鐵路工程摩天嶺隧道等在修建過程中均發生過洞內塌方情況。

3)涌水涌砂。

當隧道周邊圍巖含水量增加時，全風化花崗巖在水浸泡下不斷軟化崩解，當含水量達到流塑狀態時，富水圍巖就會以清水或含砂水的形式沿隧道薄弱處涌出，形成涌水涌砂事故。發生涌水涌砂事故的隧道大多存在能夠持續補給的水源，如持續性暴雨、隧道周邊地表存在高位水塘、存在富水地層或存在斷層破碎帶等均可能導致隧道發生此類事故。貴廣鐵路東科嶺隧道、廈門至漳州高速公路天成山隧道、包茂高速岑溪至水汶段山心隧道、廈門翔安海底隧道等在修建過程中均發生過涌水涌砂情況。

3 全風化花崗巖隧道安全施工實例

為降低全風化花崗巖不良地質段的隧道施工風險，工程人員不斷分析以往隧道發生邊仰坡失穩、洞內塌方和涌水涌砂事故的原因，在實踐中獲得了豐富的經驗，總結了一系列安全施工措施，并在后續類似工程中不斷完善和推廣，解決了許多隧道工程難題。

1)江門隧道[3]。

廣珠鐵路江門隧道洞身需下穿玉龍湖泄洪道，洞頂覆土小于3 m，屬于超淺埋大斷面隧道，穿越地層為上軟下硬全風化花崗巖富水地層，施工難度極大，坍塌涌水風險極高。施工中采取了如下措施：在地表設置隔水層，保證地表水源暢通流過洞頂，防止地表水下滲；洞內采用水平高壓旋噴樁+大管棚復合地層超前預支護措施，增大了洞頂土體強度，形成了止水帷幕；針對隧道掌子面圍巖上軟下硬的特點，開挖采用臺階法，控制臺階循環長度；增加鎖腳錨桿，加強監控量測，控制爆破，減小擾動。采用上述措施后，該隧道在通過泄洪道的開挖過程中，沒有發生任何事故，在如此復雜的地質條件下，開挖進度達到了0.6 m/d。

2)磨把公隧道[4]。

滬昆客專湖南段磨把公隧道洞身需下穿農田及民房區，洞頂覆土最薄處僅有4.8 m，地表存在山間小溪和稻田積水，屬于高風險富水超淺埋全風化花崗巖地質隧道。施工中采取了如下措施：將稻田積水排干、晾曬，對松軟地表進行壓實，修筑截排水溝，對山間小溪、山坡匯水等地表徑流進行改道，采用袖閥管對洞頂淺覆土體進行地表注漿加固，洞頂實施井點降水，將地下水位降至隧道基礎以下，加強觀察，及時封閉地表裂縫；洞內采用密排超前小導管進行預支護，環向間距25 cm，縱向間距50 cm，僅進行填充注漿；對開挖輪廓線外3 m土體進行徑向注漿，填充初期支護背后空隙，改良初期支護背后土體；對鋼架、鎖腳錨管等支護參數進行加強，局部變形較大地段增設臨時仰拱，增大預留變形量，避免初支變形侵限后換拱風險；做好洞內引排水工作，容易積水的反坡地段設集水井進行抽水；開挖采用環形開挖預留核心土法，人工配合挖掘機進行，控制循環進尺，加強監控量測。通過采取以上措施，本隧道施工期間未出現坍塌事故，施工進度達到36.5 m/月，保證了施工安全。

3)夏茂隧道[5]。

向莆鐵路夏茂隧道出口段存在105 m長全風化花崗巖不良地質淺埋段，出口洞頂存在沼澤，常年有地表徑流，地下水位高于洞頂2 m，且洞口存在偏壓，為防止坍塌，施工中采取了多項綜合技術措施：洞口段采用40 m長大管棚，通過控制套拱剛度、管棚鉆孔方位和注漿飽滿度保證管棚打設質量；洞外設置明溝截排水，洞內采用鋼管超前引排水，洞內設集水井抽排水，有效減少了洞內積水；將超前地質預報納入施工管理，探測掌子面前方圍巖和富水情況，提前做好施工預案；保證超前小導管、拱架接頭及鎖腳錨管、縱向連接筋等細節的施工質量；采用優化的雙側壁導坑法開挖，采用小型機械初步開挖，人工修邊，控制進尺，及時支護閉合。通過以上綜合措施，本隧道安全進洞，平均開挖進度達到25 m/月～35 m/月，有效控制了地表沉降和凈空收斂值。

4 安全穿越全風化花崗巖段的技術措施

通過總結前人經驗和筆者的工程實踐得出，當隧道遇到全風化花崗巖不良地質時，確實容易引發工程地質災害和隧道病害，但成功案例表明，只要工程人員能夠引起重視，從設計、施工和管理方面采取措施，安全穿越全風化花崗巖不良地質段是完全可行的。具體措施如下：

1)合理選線，永臨結合，降低隧道邊仰坡失穩風險。

隧道線位的選擇應盡可能避免長距離穿越全風化花崗巖地層，如地表存在沖溝等容易積水的區域，應盡可能避開，如無法避開，應采取強有力的地表截排水和降水措施；應合理選擇隧道明暗交界位置，避免高仰坡刷坡進洞，可適當接長明洞，待明洞施工完成，山體穩定后再進行暗洞施工；判定存在邊坡失穩風險的洞頂滑坡體，應采用土方卸載的方式，盡量選擇較緩的坡比，刷坡過程中盡量減少對洞頂原有植被的破壞，刷坡完成后應進行邊坡防護，噴錨臨時防護可局部使用，不宜大面積采用，永久防護可采用掛三維網噴播植草，不宜采用錨桿格梁防護。

2)洞外截水、井點降水、注漿堵水、鉆孔排水，多種措施防止圍巖軟化。

水是隧道最大的敵人，能否有效的對地表水和地下水進行防排堵截，關系到隧道施工的成敗。對洞頂存在地表徑流的情況，可通過洞頂截水溝、導水墻等進行截排，可在溝底鋪一層防水土工布，防止水流沿水溝裂縫下滲；對地下水位較高或存在持續性降水的富水區域，可通過洞頂井點降水措施降低地下水位標高；洞內出水量不大時，可通過注漿進行堵水，漿液宜采用雙液漿；當水量較大時，應通過超前鉆孔排水，并盡快排至洞外，避免洞內積水。

3)地表注漿、密排導管、洞內管棚、高壓旋噴樁，超前預支護增大土層強度。

對無法成拱的淺埋段，強有力的超前預支護是保證洞內施工安全的關鍵所在。全風化花崗巖雖然表現為松散的砂土，但其實原狀土層并不松散，常規地表注漿作用不大，袖閥管分段后退式高壓劈裂注漿對該類地層適應性較強，但筆者做過現場試驗后發現，注漿效果并沒有文獻[6]中的效果好，因此地表注漿不宜單獨使用；密排導管、洞內管棚、水平高壓旋噴樁均有成功案例，預支護效果呈增強趨勢，造價也呈增長趨勢，實際施工中應根據業主的承受能力及施工單位的施工水平合理選擇，施工中可通過現場試驗段綜合確定超前支護方式。

4)加強支護，減少擾動，合理選擇施工工法。

對于全風化花崗巖不良地質段，設計均會采用加強支護的措施，如采用雙層小導管、雙層初期支護、增加二襯厚度等，除此之外，要加強鎖腳錨管的強度和數量。隧道掘進應采用擾動次數較少的施工工法，雙側壁導坑法雖然是公認的軟弱圍巖控制沉降和變形能力最強的方式，但工法繁復，作業空間小，支護閉合時間長，對施工單位的工藝水平要求高，對全風化花崗巖隧道來說并非是最好的工法，特別是存在上軟下硬圍巖的情況，工法的選擇應根據地質條件綜合比選后確定，通過筆者的實踐，CRD法、側壁導坑法及環形開挖預留核心土法均可與雙側壁導坑法進行比選。

5)加強管理，注重細節，深刻領會貫徹十八字方針。

對于全風化花崗巖這種軟弱圍巖隧道，應嚴格按照淺埋暗挖法的基本原則“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”進行施工和管理，這十八字方針是隧道工作者在長期的工程實踐中以巨大的代價換來的軟弱圍巖隧道施工經驗，如果管理者能夠嚴格監管，施工單位能夠貫徹執行，就能夠以最小的代價安全快速通過不良地質段，否則很可能因為人為因素導致出現垮塌事故。

5 結語

全風化花崗巖是一種不良地質，具有孔隙率低、穩定性差、易受擾動、遇水軟化崩解等特性，當隧道穿越該不良地質層時容易出現邊仰坡失穩、洞內塌方及涌水涌砂事故。本文介紹的各項措施可以幫助工程人員安全度過不良地質段，可為同類工程提供參考。