隧道安全穿越全风化花岗岩段的技术措施研究

2020-01-02赵春伟

山西建筑 2020年9期

闫旭赵春伟

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

0 引言

花岗岩是一种在地壳中分布十分广泛的岩浆岩，主要矿物成分为石英、长石和云母。突出地表的花岗岩在风化作用下，除稳定性较强的石英成分外，长石和云母均风化为黏土矿物，根据风化程度的差异，形成残积土、全风化、强风化、中风化、微风化等风化带。其中，全风化花岗岩虽然外观保留了岩石的结构，但长石和云母已经完全风化为土，结构强度很低，手可捏碎成粉末状。由于石英之间的空隙被黏土填充，原状全风化花岗岩表现出黏土的性质，结构致密，孔隙率低，渗透性差，经扰动后表现出砂的性质，结构松散。这种“似土非土、似岩非岩”的岩石在干燥状态下具有一定的自稳能力，遇水后极易软化崩解，丧失承载力。隧道工程中常常遇到全风化花岗岩地层，如果不了解其特性，采用常规的处理方式，往往会引发工程事故，威胁人员安全，影响施工进度，造成巨大的财产损失。对于全风化花岗岩这种不良地质，研究人员进行了大量探索，本文主要对前期的研究成果进行总结、梳理和评价，为类似地质条件下的隧道安全施工提供借鉴。

1 全风化花岗岩的工程特性

全风化花岗岩具有不同的成因和结构组成，使其工程特性区别于一般粘性土和砂质土，具有遇水软化和崩解性、风化不均匀性、易受扰动性。研究表明含水率对原状全风化土体性质影响较大，土体抗剪强度指标随含水量增加而减小，弹性模量随含水率的增大呈先增后减的趋势，具有最佳含水率峰值[1]。

注浆是隧道工程中常用的堵水和地层加固手段，由于全风化花岗岩表现为松散的砂土，因此通过注浆对土体进行加固改良是比较容易想到的辅助施工措施。工程人员对全风化花岗岩的注浆特性进行了大量深入研究，结果如下：

1)注浆机理：与松散的砂性土和颗粒状地层不同，由于全风化花岗岩地层中含有大量小颗粒的高岭土，导致地层孔隙率很低，渗透性很差，量级在10-4cm/s以下，浆液无法通过渗透作用在地层中扩散，扩散模式以劈裂注浆为主、压密注浆为辅，最终形成支条状的主次浆脉。

2)浆液选择：由于高压劈裂产生的土层缝隙宽度较大，对于采用超细水泥和普通水泥来说，注浆效果相差不大，将水泥和水玻璃按一定比例组成的双液浆，可以通过调整配比控制凝结时间，对含水量较大的地层，堵水效果更好。

3)注浆工艺：一次性钻孔注浆和袖阀管分段后退式注浆相比，一次性钻孔注浆虽然施工简便，但对于渗透系数不同的土层浆液注入不均匀，且容易发生浆液从注浆管与注浆孔间隙流出，无法达到设计注浆压力的现象，注浆地表需浇筑混凝土止浆盘，圬工量大；袖阀管注浆工艺相对复杂，但注浆效果能够保证，可以分层重复注浆，保证地层中浆液填充率。

4)注浆效果：注浆对土体的抗压强度、粘聚力、内摩擦角、抗崩解性、渗透性等指标均有改善，改善效果与浆液填充率有关，室内试验表明，浆液填充率达到48%以上时，粘聚力可提高3倍，内摩擦角可提高10倍，渗透性可降低至10-8cm/s量级[2]。

2 全风化花岗岩引发的隧道工程病害

1)边仰坡失稳。

花岗岩地质隧道洞口一般覆盖有残积土和全风化花岗岩，且隧道边仰坡常用喷锚防护，洞口浅埋段施工不可避免要对边仰坡造成扰动，引起地表及防护坡面微裂缝，如洞口排水不良，大气降水沿地表裂隙渗入边仰坡土体，一方面造成全风化花岗岩软化崩解，抗剪强度指标降低，另一方面，渗水将软化后的石英砂粒冲走，使微裂缝宽度加大，形成渗水通道，喷锚面与被防护坡面之间形成空腔，造成坡面下沉开裂，如此恶性循环，最终导致边仰坡土体失稳滑移。全风化花岗岩隧道产生的边坡失稳事故比较常见，且往往发生在雨季，如福建漳州沈海复线高速公路A5标宝丰隧道、长昆铁路客运专线湖南段寨子岗隧道、十堰至天水高速公路茶条岭隧道等在修建过程中均发生过洞口边仰坡失稳情况。

2)洞内塌方。

隧道掌子面开挖导致原状全风化花岗岩受到扰动，围岩进行应力调整过程中产生塑性变形，致密的原状围岩产生裂隙后相互剥离形成砂性土，自稳能力降低，如果支护结构强度不足或支护不及时，围岩变形过大无法控制，容易导致坍塌。洞内坍塌一般发生在拱肩、拱顶和掌子面，拱肩和拱顶坍塌主要原因是原状全风化花岗岩结构致密，渗透性差，超前注浆效果达不到要求，无法形成承载拱，掌子面塌方的主要原因是未及时进行封闭，临空面内压力较大，或遇到上软下硬围岩，下部围岩爆破对上部围岩扰动较大。实际工程中，隧道遇到全风化花岗岩产生坍塌的例子并不鲜见，如岑溪至梧州高速公路牛岭界隧道、深圳盐田到坝岗高速公路段大梅沙隧道、河北省承德市隆化县喇嘛梁隧道、北京八达岭高速公路潭峪沟隧道、蕉岭广福至梅县城东段广福隧道、通平高速公路姜源岭隧道、广西平钟高速公路水冲口隧道、江西大广高速公路龙杨段九连山隧道、田师府至桓仁铁路工程摩天岭隧道等在修建过程中均发生过洞内塌方情况。

3)涌水涌砂。

当隧道周边围岩含水量增加时，全风化花岗岩在水浸泡下不断软化崩解，当含水量达到流塑状态时，富水围岩就会以清水或含砂水的形式沿隧道薄弱处涌出，形成涌水涌砂事故。发生涌水涌砂事故的隧道大多存在能够持续补给的水源，如持续性暴雨、隧道周边地表存在高位水塘、存在富水地层或存在断层破碎带等均可能导致隧道发生此类事故。贵广铁路东科岭隧道、厦门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、厦门翔安海底隧道等在修建过程中均发生过涌水涌砂情况。

3 全风化花岗岩隧道安全施工实例

为降低全风化花岗岩不良地质段的隧道施工风险，工程人员不断分析以往隧道发生边仰坡失稳、洞内塌方和涌水涌砂事故的原因，在实践中获得了丰富的经验，总结了一系列安全施工措施，并在后续类似工程中不断完善和推广，解决了许多隧道工程难题。

1)江门隧道[3]。

广珠铁路江门隧道洞身需下穿玉龙湖泄洪道，洞顶覆土小于3 m，属于超浅埋大断面隧道，穿越地层为上软下硬全风化花岗岩富水地层，施工难度极大，坍塌涌水风险极高。施工中采取了如下措施：在地表设置隔水层，保证地表水源畅通流过洞顶，防止地表水下渗；洞内采用水平高压旋喷桩+大管棚复合地层超前预支护措施，增大了洞顶土体强度，形成了止水帷幕；针对隧道掌子面围岩上软下硬的特点，开挖采用台阶法，控制台阶循环长度；增加锁脚锚杆，加强监控量测，控制爆破，减小扰动。采用上述措施后，该隧道在通过泄洪道的开挖过程中，没有发生任何事故，在如此复杂的地质条件下，开挖进度达到了0.6 m/d。

2)磨把公隧道[4]。

沪昆客专湖南段磨把公隧道洞身需下穿农田及民房区，洞顶覆土最薄处仅有4.8 m，地表存在山间小溪和稻田积水，属于高风险富水超浅埋全风化花岗岩地质隧道。施工中采取了如下措施：将稻田积水排干、晾晒，对松软地表进行压实，修筑截排水沟，对山间小溪、山坡汇水等地表径流进行改道，采用袖阀管对洞顶浅覆土体进行地表注浆加固，洞顶实施井点降水，将地下水位降至隧道基础以下，加强观察，及时封闭地表裂缝；洞内采用密排超前小导管进行预支护，环向间距25 cm，纵向间距50 cm，仅进行填充注浆；对开挖轮廓线外3 m土体进行径向注浆，填充初期支护背后空隙，改良初期支护背后土体；对钢架、锁脚锚管等支护参数进行加强，局部变形较大地段增设临时仰拱，增大预留变形量，避免初支变形侵限后换拱风险；做好洞内引排水工作，容易积水的反坡地段设集水井进行抽水；开挖采用环形开挖预留核心土法，人工配合挖掘机进行，控制循环进尺，加强监控量测。通过采取以上措施，本隧道施工期间未出现坍塌事故，施工进度达到36.5 m/月，保证了施工安全。

3)夏茂隧道[5]。

向莆铁路夏茂隧道出口段存在105 m长全风化花岗岩不良地质浅埋段，出口洞顶存在沼泽，常年有地表径流，地下水位高于洞顶2 m，且洞口存在偏压，为防止坍塌，施工中采取了多项综合技术措施：洞口段采用40 m长大管棚，通过控制套拱刚度、管棚钻孔方位和注浆饱满度保证管棚打设质量；洞外设置明沟截排水，洞内采用钢管超前引排水，洞内设集水井抽排水，有效减少了洞内积水；将超前地质预报纳入施工管理，探测掌子面前方围岩和富水情况，提前做好施工预案；保证超前小导管、拱架接头及锁脚锚管、纵向连接筋等细节的施工质量；采用优化的双侧壁导坑法开挖，采用小型机械初步开挖，人工修边，控制进尺，及时支护闭合。通过以上综合措施，本隧道安全进洞，平均开挖进度达到25 m/月～35 m/月，有效控制了地表沉降和净空收敛值。

4 安全穿越全风化花岗岩段的技术措施

通过总结前人经验和笔者的工程实践得出，当隧道遇到全风化花岗岩不良地质时，确实容易引发工程地质灾害和隧道病害，但成功案例表明，只要工程人员能够引起重视，从设计、施工和管理方面采取措施，安全穿越全风化花岗岩不良地质段是完全可行的。具体措施如下：

1)合理选线，永临结合，降低隧道边仰坡失稳风险。

隧道线位的选择应尽可能避免长距离穿越全风化花岗岩地层，如地表存在冲沟等容易积水的区域，应尽可能避开，如无法避开，应采取强有力的地表截排水和降水措施；应合理选择隧道明暗交界位置，避免高仰坡刷坡进洞，可适当接长明洞，待明洞施工完成，山体稳定后再进行暗洞施工；判定存在边坡失稳风险的洞顶滑坡体，应采用土方卸载的方式，尽量选择较缓的坡比，刷坡过程中尽量减少对洞顶原有植被的破坏，刷坡完成后应进行边坡防护，喷锚临时防护可局部使用，不宜大面积采用，永久防护可采用挂三维网喷播植草，不宜采用锚杆格梁防护。

2)洞外截水、井点降水、注浆堵水、钻孔排水，多种措施防止围岩软化。

水是隧道最大的敌人，能否有效的对地表水和地下水进行防排堵截，关系到隧道施工的成败。对洞顶存在地表径流的情况，可通过洞顶截水沟、导水墙等进行截排，可在沟底铺一层防水土工布，防止水流沿水沟裂缝下渗；对地下水位较高或存在持续性降水的富水区域，可通过洞顶井点降水措施降低地下水位标高；洞内出水量不大时，可通过注浆进行堵水，浆液宜采用双液浆；当水量较大时，应通过超前钻孔排水，并尽快排至洞外，避免洞内积水。

3)地表注浆、密排导管、洞内管棚、高压旋喷桩，超前预支护增大土层强度。

对无法成拱的浅埋段，强有力的超前预支护是保证洞内施工安全的关键所在。全风化花岗岩虽然表现为松散的砂土，但其实原状土层并不松散，常规地表注浆作用不大，袖阀管分段后退式高压劈裂注浆对该类地层适应性较强，但笔者做过现场试验后发现，注浆效果并没有文献[6]中的效果好，因此地表注浆不宜单独使用；密排导管、洞内管棚、水平高压旋喷桩均有成功案例，预支护效果呈增强趋势，造价也呈增长趋势，实际施工中应根据业主的承受能力及施工单位的施工水平合理选择，施工中可通过现场试验段综合确定超前支护方式。

4)加强支护，减少扰动，合理选择施工工法。

对于全风化花岗岩不良地质段，设计均会采用加强支护的措施，如采用双层小导管、双层初期支护、增加二衬厚度等，除此之外，要加强锁脚锚管的强度和数量。隧道掘进应采用扰动次数较少的施工工法，双侧壁导坑法虽然是公认的软弱围岩控制沉降和变形能力最强的方式，但工法繁复，作业空间小，支护闭合时间长，对施工单位的工艺水平要求高，对全风化花岗岩隧道来说并非是最好的工法，特别是存在上软下硬围岩的情况，工法的选择应根据地质条件综合比选后确定，通过笔者的实践，CRD法、侧壁导坑法及环形开挖预留核心土法均可与双侧壁导坑法进行比选。

5)加强管理，注重细节，深刻领会贯彻十八字方针。

对于全风化花岗岩这种软弱围岩隧道，应严格按照浅埋暗挖法的基本原则“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”进行施工和管理，这十八字方针是隧道工作者在长期的工程实践中以巨大的代价换来的软弱围岩隧道施工经验，如果管理者能够严格监管，施工单位能够贯彻执行，就能够以最小的代价安全快速通过不良地质段，否则很可能因为人为因素导致出现垮塌事故。