花岗岩残积土中浅埋隧道修建的主要工程问题

刘成禹 张维泉

(福州大学岩土工程与工程地质研究所,福建福州 350108)

花岗岩在我国东南部有广泛分布,广东、福建更为集中。闽、粤两省花岗岩的出露面积均达30%～40%[1]。花岗岩风化后形成很厚的风化壳,即花岗岩残积土,它是南方沿海地区基本建设中经常遇到的主要地层之一。

花岗岩残积土因其结构、工程性能等方面的特殊性已受到广大工程建设者的关注[2,3]。然而,目前对花岗岩残积土的研究主要集中在其力学性能、地基承载力、桩基承载力及花岗岩残积土边坡的破坏特性等方面[4～10],花岗岩残积土中隧道修建方面的相关文献很少。

在花岗岩分布地区修改山岭隧道,隧道进、出口区段在很多情况都位于花岗岩残积土中。花岗岩的不均匀风化特别明显,残积土中往往夹杂较大的孤石,孤石的存在严重加剧了围岩的不均匀性。此外,花岗岩残积土还具有遇水软化、随水流失的特点。花岗岩残积土的上述特点给浅埋隧道施工带来了诸多困难。以龙厦铁路象山隧道出口段为例，说明花岗岩残积土中浅埋隧道修建的主要工程问题及其形成机理、控制对策。

1 工程概况

龙厦铁路象山隧道位于龙岩、漳州境内,采用左右单洞单线、两条隧道并行的方案,左线隧道长15 898 m,右线隧道长15 917 m。隧道出口为浅埋小间距渐变段,埋深5～20 m,围岩为全风化中、细粒花岗岩残积土夹孤石。隧顶为稻田,地表水丰富。本段隧道由于具有埋深浅、地层不均匀、地下水发育等诸多不利因素,围岩极不稳定、变形大、易坍塌。

2 花岗岩残积土的主要工程性质

2.1 地层不均匀

花岗岩不均匀风化特别严重,残积土中往往夹杂大量孤石(如图1所示)。孤石的存在加剧了地层的不均匀性。地层的不均匀加剧了地下水渗流路径的不均匀性和地下建筑受力的不均匀。

图1 象山隧道出口段施工中出现的孤石

2.2 残积土遇水崩解、软化、随水流失

花岗岩残积土的主要矿物成分为石英、高岭石、伊利石,其内黏土矿物以高岭石为主(65%～90%)、含少量伊利石(6%～23%)和绿泥石(5%～20%)[10]。风化愈强,残积土中高岭土的含量愈高。高岭土具有吸水性强,遇水软化、崩解，强度急剧降低,随水流失的特点。

(1)软化

花岗岩残积土随着含水量的增加,强度急剧降低。

(2)崩解

花岗岩残积土浸水10 min后便发生快速崩解，崩解物扰动后的承载力与淤泥接近。

图3 象山隧道出口段围岩与初期支护间接触应力分布(单位：kPa)

(3)随水流失

花岗岩残积土中高岭土吸水性强,遇水很快崩解、软化,受水浸泡后成灰白色泥浆并随地下水流动而流失；高岭土崩解、软化、随水流失后,土体越来越松散、石英颗粒间的联结越来越差,细小的石英颗粒也逐渐随水流失。象山隧道出口段花岗岩残积土软化、随水流失如图2所示。

图2 花岗岩残积土遇水软化、随水流失

2.3 残积土软弱结构面发育

花岗岩节理发育,各组裂隙纵横交错,将花岗岩分割成大小不等的块体。裂隙多为闭合型或有充填物,充填物大多为厚1～2 cm的高岭土、蒙脱石、绿泥石。花岗岩风化后,这些裂隙成为残积土中的结构面,裂纹充填物在风化和地下水的作用下大多已经泥化,强度很低,成为残积土母岩结构面中的软弱夹层。此外,花岗岩残积土中往往还有软弱岩脉(如长石岩脉、煌斑岩脉等)风化而成的软弱夹层。

3 浅埋隧道修建的主要工程问题

受花岗岩残积土地层不均匀，残积土受水浸泡后崩解、软化、随水流失等工程性能的综合影响,浅埋隧道施工中经常出现下列工程问题：(1)初期支护受力不均；(2)洞室及地表变形严重；(3)隧道开挖过程中塌方频繁。

3.1 初期支护受力不均

在含孤石花岗岩残积土隧道施工中,隧道开挖后距洞室较近的孤石随周围地层向洞室方向移动，作用在初期支护上。由于孤石的容重及刚度均远高于周围的残积土,在其影响下产生应力集中,距孤石较近一侧的围岩压力明显增大,围岩压力分布极不均匀。图3为象山隧道出口段有、无孤石断面实测所得的围岩与初期支护间接触应力分布。

由图3可看出：有孤石断面(图3(a))围岩与初期支护间的接触应力明显比无孤石断面(图3(b))的大,有孤石断面围岩与初期支护间最大接触应力是无孤石断面的7.6倍；有孤石断面围岩与初期支护间接触应力的分布极不均匀。

受孤石影响,围岩与初期支护间接触应力明显变大且分布不均匀。过大的围岩与初期支护间接触应力及严重的不均匀分布必将使初期支护的内力增大,稳定性降低。

图4为根据象山隧道出口段地层、断面及支护条件，按地层结构法计算的初期支护成环工况下无孤石、距右拱腰0.7 m处有半径0.5 m孤石条件下初期支护的弯矩分布；图5为半径0.5 m孤石位于右拱腰外侧时初期支护右拱腰弯矩比(有孤石与无孤石条件下之比)随孤石距右拱腰距离变化的曲线。

图4 初期支护弯矩(单位：N·m)

图5 右拱腰弯矩比随孤石距右拱腰距离变化曲线

由图4、图5可看出：与无孤石条件相比,当孤石位于右拱腰外侧时,初期支护右拱腰附近的弯矩明显增大(右拱腰弯矩有、无孤石时分别为13 154 N·M和20 463 N·M)；随着孤石距右拱腰距离的增大,孤石对右拱腰弯矩的影响逐渐减小,当半径0.5 m孤石距右拱腰的距离小于1.5 m时,孤石将使右拱腰的弯矩明显增大。

上述计算结果表明,距隧道较近的孤石将对初期支护的受力产生较大影响。

3.2 洞室及地表变形严重

受花岗岩残积土地层不均匀及在地下水浸泡下崩解、软化、随水流失等工程性能的影响,浅埋隧道施工过程中很可能出现洞室及地表严重变形的工程问题。

象山隧道出口花岗岩残积土分布区段施工过程中初期支护未封闭前拱顶最大下沉及下沉速率分别达440 mm、21 mm/d；最大水平收敛及收敛速率分别达525 mm、47 mm/d。洞室严重变形同时,地表也出现严重下沉(最大下沉量达603 mm)和开裂,如图6所示。

图6 象山隧道出口花岗岩残积土分布段地表严重开裂

花岗岩残积土中浅埋隧道施工出现严重的洞室及地表变形主要是由隧道埋深浅及花岗岩残积土具有遇水软化、随水流失的工程性质决定的。花岗岩残积土中浅埋隧道洞室及地表严重变形的形成机制如下：

浅埋隧道由于洞顶覆土浅、加之花岗岩残积土中围岩软弱、自稳能力差,隧顶覆盖层的扰动很快波及地表,在其影响地表发生变形、开裂,使原本透水性很差的花岗岩残积土透水性增强,地表水下渗,洞内出水量增大,加剧了花岗岩残积土的软化和随水流失。

花岗岩残积土的软化及随水流失产生下列严重后果：

①锁脚锚杆及系统锚杆没有可靠的基础，锚固力降低,达不到预期的加固效果；由于锁脚锚杆锚固力低,初期支护未封闭前,钢拱架近似呈悬臂梁受力状态,拱脚至拱腰段水平方向变形较大,因此表现出较快的水平收敛速率及较大的收敛变形。

②拱脚花岗岩残积土长期受水浸泡、强度很低,加之较长时间的随水流失,引起拱脚悬空、钢拱架持续下沉,表现为较快的拱顶下沉速率及较大的累计下沉。

③初期支护变形及围岩随水流失产生较大的地层损失,大量的地层损失引起地表严重下沉、开裂。

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花岗岩残积土地层的不均匀性导致围岩变形及地下水渗透通道分布的不均匀,在上述不均匀的共同影响下,洞室周边围岩流失也不均匀,有些部位围岩流失量大,初期支护背后出现空洞,加剧了初期支护受力不均匀；有些部位细颗粒的围岩随水流失导致孤石周边地层松散,孤石向洞室方向移动,使初期支护局部应力集中。受力不均及局部应力集中加剧了初期支护的变形和破坏。

初期支护变形增大使隧顶地层扰动随之加剧,在其影响下地表变形及透水性增强，地表水更易下渗,洞内出水量增大,花岗岩残积土软化和随水流失加剧,如此相互作用、恶性循环使洞室及地表变形急剧发展。

3.3 塌方频繁

花岗岩残积土地段隧道施工过程中,初期支护未完成前很容易发生塌方事故。塌方主要是由于距洞室较近的孤石或受软弱结构面切割的花岗岩残积土在隧道开挖后失去支撑,在自重作用下向临空面滑移造成的。

4 工程对策

由前述分析可得：花岗岩残积土中浅埋隧道修建过程中出现的洞室及地表严重变形在很大程度上是由于较大的初期支护变形使隧顶地层变形、开裂,地表水下渗引起花岗岩残积土软化、随水流失造成的。此外,洞室较大变形和花岗岩残积土软化、随水流失还加剧了孤石向临空面的移动、应力集中及初期支护受力不均。因此,防止和减弱洞室和地表变形，减弱孤石对初期支护的不利影响,关键是严格控制初期支护变形。

前面分析还得出：花岗岩残积土隧道在初期支护未完成前塌方频繁主要是由于距洞室较近的孤石和受软弱结构面切割的花岗岩残积土在隧道开挖后失去支撑,在自重作用下向临空面滑移造成的。

在综合上述花岗岩残积土中浅埋隧道主要工程问题形成机制的基础上提出下列工程对策：

(2)采用超前管棚、超前注浆等超前预加固措施,减少隧道施工对隧顶地层的扰动,减少洞内出水，防止塌方。

(3)采用有利于控制初期支护变形的工法(如CRD、三台阶+临时仰拱)施工,减少初期支护施工期间的变形。

(4)初期支护及时成环,从而改善初期支护的受力条件、缩短拱脚暴露时间,减少初期支护收敛变形及拱脚围岩在水的浸泡下软化、流失。

(5)改善洞内排水,减少围岩与水的接触,减弱水对花岗岩残积土工程性能的不利影响。

(6)隧道开挖后及时施做初期支护，从而减少围岩变形并及时对围岩提供支撑力,防止塌方。

象山隧道出口花岗岩残积土分布浅埋段采用上述工程措施后,初期支护变形明显减小(采用CRD工法开挖段拱顶下沉最大值仅达43 mm),施工效果明显。

5 结论

(1)花岗岩残积土中夹杂孤石及残积土软弱结构面发育,遇水崩解、软化、随水流失的工程特性会给穿过该地层的浅埋隧道带来下列主要工程问题：①初期支护受力不均、内力增大；②洞室及地表严重变形；③塌方频繁。

(2)花岗岩残积层中浅埋隧道修建出现的洞室及地表较大变形在很大程度上是由于较大的初期支护变形使隧顶地层变形、开裂、透水性增强,地表水下渗引起花岗岩残积土软化、随水流失造成的；洞室较大变形和花岗岩残积土软化、随水流失还加剧了孤石向隧道方向的移动、应力集中及初期支护受力不均。因此,防止和减弱洞室和地表变形、减弱孤石对初期支护的不利影响,关键是严格控制初期支护变形,减少花岗岩残积土与水的接触。为此,可采取下列工程措施：

①初期支护适当加强。

②采用超前管棚、超前注浆等超前预加固措施。

③采用有利于控制围岩及初期支护变形的工法施工,及时施做初期支护并尽早封闭成环。

④改善洞内排水,减少围岩与水的接触。

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