宝丰隧道球状风化核堆积体进洞施工技术

李子杰

（中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 福州 350014）

1 概述

福建省地表分布着丰富的花岗岩岩体，占有量大约为总面积的近一半。风化之后的花岗岩形成了相当厚的花岗岩残坡积土，其厚度一般在20到35米之间，为福建工程建设中最为常见的岩体之一。根据花岗岩残坡积土不均匀风化的特点，必然在地表分布着大量球状风化的孤石。这些球状风化孤石的存在，使得工程岩体的不均匀性急剧增加。同时，花岗石含有丰富的长石，经过风化后形成了高岭土，从而造成了花岗石残坡积土遇水软化、流失的特点。所以，给隧道、边坡及基础工程施工增加了很大的难度。

漳州沈海复线高速公路A5标宝丰隧道出口就遇到含大量孤石的花岗岩残坡积层，该段隧道同时还具有富水浅埋等不利因素，在隧道前期施工中出现了地表下沉量大、初期支护变形大、进洞施工困难等工程问题。在认真分析后，采用了相应的施工方案和有针对性的施工措施，经实施后取得了较好的效果。

2 工程概况

图1 开挖过程中遇到的孤石及孔洞

图2 CD法施工工序示意图

宝丰隧道全长430m，左右洞呈分离布置，左洞ZK30+204～ZK30+652，长448米，右洞YK30+195～YK30+607，右线412米。宝丰隧道区属剥蚀区丘陵地貌，地表植被发育，地形起伏变化一般，山体较圆缓，天然山体坡度约15°-30°。进口处地面高程70-72m，出口处地面高程59-61m，进口段自然坡度15°-20°，出口段自然坡度20°-30°。

宝丰隧道出口为浅埋隧道，埋深约3～15m，开挖后边仰坡极不稳定。表层覆盖薄层的坡积粘性土，洞身处围岩以残坡积土-花岗岩风化层为主，球状风化现象发育。围岩呈碎、裂状松散结构，为软～极软岩，易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌。

同时球状风化核堆积体（大量孤石无序堆叠形成岩堆体）孤石间存在较大孔洞（见图1），对边仰坡稳定造成较大影响。此外，地下水位较高，地下水丰富，且为冲沟汇集地，对进洞施工造成了很大的困难。

3 主要工程问题

3.1 前期施工方法简介

隧道施工初期，将开挖外露的球状风化核堆积体孔洞封闭，并在拱顶钻孔进行注浆密实处理，由于孔洞及孤石较多，地质情况不明，注浆未到达预期效果。之后采用套拱+大管棚支护，强行进洞施工。

图3 出口仰坡地表测点位置布置图

表1 宝丰隧道出口地表仰坡测点位移表

由于开挖后，边仰坡土体自稳性较差，且正处于福建闽南地区雨季期间，为保证套拱和管棚的施工，在开挖的边仰坡坡脚处打设2排间距、排距50cm的Φ108钢管抗滑桩（在钢管桩中插设2根Φ25钢筋并灌注砼以增加其刚度）进行防护。套拱管棚施工完毕后，采用原设计CD法进洞施工（见图2）。施工中初支采用I 20b工字钢拱架，间距0.5m，喷射28cm厚C25混凝土，系统锚杆采用Φ25中空锚杆。单侧壁导坑进洞至K30+582处发生局部塌方，无法继续进洞施工。

3.2 施工过程中出现的主要工程问题

前期施工方法在施工中出现了下列主要问题：

1）由于花岗岩残坡积土富水饱和，浆液注入量少，注浆加固达不到要求；

2）花岗岩残积土在地下水的作用下软化流失，强度低，自稳性差，开挖面极易坍塌；

3）地表出现严重的下沉（见表1）和开裂（如图4所示），且套拱下沉位移日益加大并产生裂纹；

4）初支变形大，部分初支砼产生裂纹。

5）CD法施工，中隔墙处孤石处理困难，且较为危险。

3.3 成因分析

经分析，施工过程中出现以上工程问题主要是由下列原因引起的：

1）地层不均匀遇水软化，土体自稳性较差。花岗岩残坡积土风化程度愈强，残坡积土中高岭土含量愈高。高岭土吸水性强，遇水后易膨胀、软化，强度急剧降低，自稳性下降。

2）隧道埋深3～15m，属于浅埋隧道。由于洞顶覆土层较薄，围岩软弱，自稳能力差，施工时隧顶覆盖层的扰动很快影响到地表。在其影响下，一方面地表发生变形、开裂，另一方面，受扰动的洞顶覆土透水性增强，更加有利于地表水的渗入及地下水的流动，加剧了花岗岩残坡积土的软化流失。

图4 宝丰隧道仰坡裂缝照片

图5 洞内初支裂缝照片

图6 套拱拱脚处裂缝照片

3）拱脚围岩长期受地下水浸泡，强度很低，易引起拱脚土体坍塌悬空、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量。

4）围岩的不均匀性，导致球状风化孤石周边地层松散，孤石向洞室方向移动，引起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。

4 施工方案的选定

上述分析表明，隧道出现较大的地表沉降及初期支护变形，主要是由于围岩的不均匀性（孤石较多），且围岩在水的作用下软化、自身稳定性下降，强烈扰动隧顶覆土，使透水性增强，洞顶仰坡位移增大，沉降开裂。

根据分析的原因，可得出解决问题的关键，一是抑制边仰坡的位移变形，二是减少水对围岩的不利作用。控制边仰坡的位移变形，必须实施明洞先行施工的方案，使得边仰坡体在明洞的支撑下达到稳定的效果。减少水对围岩的不利作用，可在进洞前打设降水井并做好洞内排水措施，将地下水排出，同时做好洞顶边仰坡地表水的排除措施。

4.1 明洞施工方案

由于宝丰隧道出口边仰坡土体松散且夹有大量孤石，边仰坡自稳性较差，施工明洞仰拱必须先对边仰坡土体进行加固处理。经过比较后，选择了沿边仰坡坡脚打设2排间距和排距为50cmΦ108钢管（呈梅花型布置），在钢管中加入钢筋并灌注砼增加其刚度，达到稳定边仰坡的作用。同时，在施工明洞仰拱的过程中，为防止边仰坡土体坍塌滑移，可跳槽进行开挖仰拱基础，每次开挖施工仰拱基础3～5m，切忌大开挖施工。明洞仰拱施工完成后，推入二衬台车绑扎明洞钢筋，浇筑明洞砼。待明洞砼养护龄期满后，对明洞洞顶进行回填压实后，再进洞进行施工。

4.2 进洞开挖方案

采用原设计CD法进洞施工，由于上下台阶较高，对围岩稳定性造成较大影响。同时，由于孤石堆积体较多，处于中隔墙位置时，施工困难，且危险性较高。故根据现场实际情况采用三台阶预留核心土开挖法施工。

图7 三台阶预留核心土开挖法工序示意图

4.2.1 三台阶预留核心土开挖法

宝丰隧道三台阶预留核心土开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，有必要时可增加临时支撑仰拱，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。

三台阶预留核心土开挖法具有下列技术特点：

1）施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。

2）在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。

3）适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。

4）在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。

5）当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

三台阶预留核心土开挖法可分为以下主要步骤：

1）上部弧形导坑环向开挖，施做拱部初期支护；

2）中、下台阶左右错开开挖（相错2～3m），施做墙部初期支护：

3）中心预留核心土开挖、隧底开挖，施做隧底初期支护。每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。

4.3 支护方案

4.3.1 超前预加固

拱部120 ° ～150 °范围内采用φ50超前小导管注浆支护，小导管壁厚5mm，长度5.0m，外插角15 °，环向间距30 cm，纵向3 m设置一环。超前小导管注浆采用水泥浆液，注浆压力为0.5～1.0MPa，水灰比1：1。

小导管注浆按下述方法及要点进行：

1）小导管加工。小导管采用外径50mm、壁厚5mm的无缝钢管制作，端头加工成圆锥形并封焊密实，管身设4排溢浆孔，孔径8㎜，孔距15cm，梅花型布置，后端1m范围内不设溢浆孔。管尾焊接φ8钢筋加强箍。

2）钻孔并安装小导管。出口段主要为全风化花岗岩，直接用风钻将导管顶人设计位置，而后用高压风进行清孔。小导管顶人后外露初支面20～30cm，便于连接注浆管路。而后将小导管就近焊接于拱架上。

3）注浆。为防止压力过大，压裂作业面，注浆达到设计量即可停止；当孔口压力达到规定值但注浆量不足设计量时也应停止。

4.3.2 初期支护

初期支护采用拱架锚喷支护，工字钢架采用I20b工字钢，榀间距0.5 m，焊接Φ25连接钢筋，环向间距1.0m，挂设φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm，喷射C25混凝土28cm。打设Φ25中空系统锚杆，通过注浆加固围岩的同时起到系统锚固的作用，并在每个拱脚位置增加2根长4.5m的φ50注浆锚管。

4.4 其他措施

1）排水。为使隧道中下部施工过程中不受到供部渗水的影响，应在拱部设置独立的排水系统，如在核心土位置上增设小型积水坑，将水直接排出洞外，能有效的降低围岩与水的接触。2）人员组织。采用衬砌和开挖可混岗施工的作业人员，在施工衬砌时停止掌子面开挖，这样就能做到统一协调，保证人力的合理使用。

3）临时封闭掌子面。

全断面挂设φ8钢筋网，网格20cm×20cm；喷射C25混凝土10cm厚。为了能够排水，封闭掌子面后设置泄水孔。

4.5 施工效果

采用措施后，隧道围岩变形基本得到控制，取得了较好的效果。

5 结论

1）花岗岩残坡积层中的球状风化孤石增加了地层的不均匀性，其内长石风化而成的高岭土遇水易软化，在此类地层中进行隧道施工，首要要控制好地层变形，减弱围岩扰动导致的地层透水性增强、洞内出水量增大以及孤石向洞室周边移动；此外，洞内外均应做好排水，尽量减少水与围岩的接触，减弱围岩渗水对拱脚、台阶底部的浸泡、软化及产生局部坍塌。

2）根据目前的施工情况分析，在这类地层中施工，初期支护应尽快封闭，采用三台阶预留核心土开挖法有利于孤石的处理。

3）宜采用超前、径向小导管注浆等加固措施提高围岩自承能力，同时做好洞内外排水措施，减少洞内渗水。

[1]邹振华，唐达昆，彭锋.粘土孤石浅埋隧道施工技术[J].西部探矿工程，2001增刊（21）.

[2]隧道工程[M].重庆：重庆大学出版社，2001（12）.