云霄庵隧道全风化花岗岩隧道沉降控制技术

阎亮

摘 要：在公路隧道建设过程中，常常会面临着各种问题，这些问题会导致公路施工风险的出现。云霄庵隧道穿越全风化花岗岩地层，开挖扰动后呈砂状，稳定性差，遇水后软化，承载力下降很大，围岩呈现“似岩非岩，似土非土”的状态。在隧道施工过程中需要提高风险意识，寻求科学合理的方法对全风化花岗岩隧道施工进行改善，从而降低风险发生的概率。笔者在本文中着重分析了全风化花岗岩隧道施工风险的相关问题。

关键词：公路；全风化花岗岩；施工风险

一、工程地质概况

益娄高速云霄庵隧道左洞长375m，娄底端洞口边坡地层第四系覆盖层为砂质粘性土，下伏基岩为花岗岩，全风化层原岩组织结构构造全部破坏，岩体多呈砂状、土状。根据物探和钻探成果，砂质板岩与花岗岩呈侵入接触关系，接触面与线路大约相交于K49+140（ZK49+140）处。左洞娄底端洞口约70m长需穿越全风化花岗岩地层。

花岗岩结构构造基本破坏，仅具原岩外观，多呈砂砾状，自稳能力差，施工过程中无支护时拱部易产生坍塌现象，侧壁易失稳。全风化花岗岩推荐承载力基本容许值[fa0]=300kPa，摩阻力标准值qik=80kPa；弹性纵波速度VP为500m/s～800m/s。

孔隙水主要赋存于第四系全风化花岗岩中，全风化花岗岩多呈砂状、土状，赋水条件一般。

二、全风化花岗岩特点

全风化花岗岩是经物理、化学、风化作用而残留在原地的碎屑物。云母含量高，具有与其他残积土不同的工程特性，其工程性质与原岩也不尽相同，“似岩非岩，似土非土”。其地基承载力、强度等力学性质完全与岩体不同；未开挖时，因其由原岩风化而成，结构致密，难以注浆；一旦开挖，又表现为“松散的砂土”，类似于第四纪沉积物，极易坍塌；其较粘土而言，又粘聚力不足。

三、工程存在的问题及原因分析

施工上台阶时最大单日沉降达到2～3cm，并且每日基本保持1cm左右的沉降值，单日沉降值大于规范值，总沉降值大，但单日沉降值，即沉降速率基本稳定。初支表面环向、纵向均无开裂现象，初步判断为支护整体下沉。

全风化花岗岩粘聚力小，而因为结构致密，内摩擦角较大，但开挖后围岩松动，内摩擦角锐减，塑性圈范围很大，初支需承受较高荷载，并且开挖中极易出现松动失稳破坏现象。在仰拱封闭之前，荷载仅仅通过钢拱架拱脚传递至围岩，拱脚受力面积很小，需要较高的地基承载力才可避免沉降。按初支承受上方5m高度围岩的荷载计算，由荷载/受力面积可知，需要的围岩承载力达1000～2000kpa，而全风化花岗岩地基承载力仅300kpa。

四、处理措施

根据沉降原因分析，控制沉降需从减小荷载，增大受力面积这两方面着手制定对策。在开挖各阶段中，需采取合理的开挖措施并及时支护，尽量减小围岩松动范围，减小初支承受荷载；采用大拱脚，扩大拱脚面积；采用锁脚锚管，利用锚管壁与围岩之间的摩擦力分担部分拱脚荷载；早封闭成环，荷载通过仰拱整体传递；加强纵向钢筋。

在本项目中，主要采取的措施为：（1）缩小钢拱架间距，将原设计的钢拱架间距由75cm调整至50cm。一方面加强初期支护刚度；另一方面因为全风化花岗岩纵向成拱效应较差，缩小间距，及时支护防止拱顶坍塌。随着埋深增加，围岩密实度增大，稳定性提高，可适当增大钢拱架间距至60cm。（2）逐榀进尺：一方面减小一次土体暴露长度，提高空间效应；另一方面可减小一次开挖量和出渣量，缩短开挖与支护间的衔接时间，达到早闭合的目的。（3）三台阶各台阶长度控制：台阶长度受支护封闭距离和台阶稳定两方面因素控制。台阶长度短，可以缩短支护封闭距离加快支护环的封闭。若台阶过短，核心土纵向破裂面超过工作面，易造成洞内土体下滑，引起工作面不稳定。现场基本按台阶高长比1：1来控制，并及时封闭开挖面。围岩较差时，适当延长台阶长度。此外，上台阶高度需尽量低，约一人高满足施工空间要求即可。（4）加强锁脚锚杆，将原设计两根Φ22锚杆调整为2根Φ50×4锚管，角度尽可能朝垂直下方，锁脚锚杆需与钢拱架有效焊接在一起，与拱架一同受力移动。锚管壁与岩体的摩擦，锚管注浆体与岩体的摩擦及锚管注浆对围岩的加固都可以有效减小拱脚向下沉降量。（5）加强纵向钢筋，提高钢架间的整体受力性能，还有助于控制钢架纵向失稳。拱脚受下层台阶开挖的影响十分显著，这是引发隧道拱部整体下沉的关键因素之一。通过纵向钢筋的连接，加强纵向协同受力，在下台阶开挖支护的空档期，减小拱脚下沉，保证隧道稳定。（6）大拱脚：增强拱脚的稳定性；在拱脚下垫设槽钢、木板或混凝土垫块，增加初支拱墙脚受力面积，降低减小初期支护闭合前的整体下沉量。但因为隧道一般存在坡度，前后拱架拱脚不在同一水平面上，垫设槽钢后期去除困难，因此此方法较少采用。（7）仰拱封闭：及时封闭成环，受力合理；仰拱底部与围岩接触面大，点状或条状受力转为面状承载，接触面大大加大，可有效减小沉降。（8）合理预留变形量：规范推荐的预留变形量为12cm，考虑全风化花岗岩的特性，将预留变形量调整至20cm。合理的预留变形量可以防止初支侵限，避免换拱的情况；同时也有利于释放岩体中的弹性变形能，既能有效防止大变形的产生，也能减轻二次衬砌压力。（9）适时施作二次衬砌：仰拱及填充混凝土分段浇筑合计长度能够满足施作一组二次衬砌长度，且监控量测结果显示围岩已基本趋于稳定时，立即将衬砌台车就位，浇筑二衬混凝土。根据现场台阶长度要求，防水板台车施做空间等要求，一般要求控制在40m以内。

五、监控量测数据分析

选取洞口Zk49+170断面的周边收敛及拱顶下沉数据，分析衬砌结构稳定性。

（一）周边收敛：

（二）拱顶下沉：

根据现场监控量测数据可见，衬砌结构变化拱顶沉降和水平收敛都在规范限定值之内，且变化幅度区域平稳，证明此方法可行，变形得到了有效控制。

六、结论

花岗岩全风化后，自身的强度下降很快，新奥法原理的发挥岩体自身承载力这一条无法实现。在施工中，要充分考虑覆盖层的自重对支护结构产生的荷载，同时在施工中重点对支护结构的受力情况做出及时、正确的判断，及时调整支护结构参数和预留变形量，确保隧道施工安全。

参考文献：

[1] JTG D70-2004 公路隧道设计规范 人民交通出版社.2004.

[2] JTG/T D70-2010 公路隧道设计细则 人民交通出版社.2010.

[3] 关宝树.隧道工程设计要点集. 人民交通出版社，2003.

[4] 关宝树.隧道工程施工要点集. 人民交通出版社，2003