风化花岗岩地层隧道塌方预防措施研究*

胡 强 杨春平

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

作为地下结构物，隧道的施工难度较大，施工风险较高，其中隧道塌方具有突发性强、施工安全风险大、处治耗时长等特点，一旦发生，必然费工费时，故其已成为影响隧道施工安全及施工进度的重大障碍[1]。其中，花岗岩地层存在着风化程度高、差异风化明显等特点，施工过程中因掌子面围岩突变或地下水变化导致的塌方事故相对频发[2-3]。故而，针对花岗岩地层的隧道塌方处治一直是工程技术领域的重点研究对象。徐莹等[4]以拉丁拉山全风化花岗岩隧道大型塌方处治工程为依托，对塌方产生的原因、处治措施及处治效果进行了系统分析；甘露等[5]依托福州市湖东东路南线隧道K0+920强风化花岗岩段塌方事故，在对塌方的成因进行分析的基础上，进而提出采用“双层注浆小导管”的处治方案；陈德金[6]以罗家寨隧道为工程依托，采用多种分析方法对全、强风化花岗岩段落施工过程中塌方事故频发的灾害机制进行了系统研究；尚彦军等[7]以集宁隧道为例，分析得出了太古代片麻状花岗岩的变形破坏形式以多组节理切割下块体掉落和塌方为主，并进而提出针对性的加强支护措施。

可以看出，现阶段针对花岗岩地层隧道塌方病害的研究已经取得了一定的成绩，但其主要集中在灾害机理分析及处治方案研究方面，对隧道塌方的预防性对策则尚有欠缺。针对上述情况，本文结合本项目风化花岗岩地层隧道施工的实践经验，在分析塌方事故频发原因的基础上，拟提出系统的预防控制措施。

1 工程概况

某高速公路线路共计19座隧道，其中有12座隧道的围岩以元古界(Pt)花岗混合岩、印支期入侵(γ51)花岗岩为主。通过地勘资料、补充勘探资料及实际开挖发现，本项目花岗岩地层具有风化层厚，差异分化明显，矿物组成中黏土矿物含量大、节理裂隙间夹杂大量砂质填充等特点，导致围岩自稳能力整体较差，隧道掌子面开挖过程中拱部围岩掉块、局部坍塌现象异常频发，若遇到地下水富集段落，则极易引发隧道塌方甚至冒顶事故。

分析本项目塌方事故的现场情况、围岩特性及地下水情况，发现塌方事故多由拱部围岩突然由好变差、拱部揭露软弱夹层及拱部围岩出水量突然增加等原因引发。不同风化程度花岗岩段落掌子面塌方的围岩特性分析见表1。

表1 不同花岗岩段落掌子面塌方的围岩特性分析

由于塌方事故突发性强，对施工安全的威胁性大，且处治过程费时费力，已成为影响本项目隧道施工安全及施工进度的最大障碍。统计本项目的灾害处治变更台账，2021年1月1日-8月31日期间共计发生塌方事故32起，延误工期达406 d，增加直接投入近600万元。

2 塌方事故的原因分析

2.1 围岩突变性极强

花岗岩为侵入岩浆岩，受地质构造运动及化学风化等作用的影响，其差异分化现象明显。同时，本项目起终点高差较大，线路从起点至终点几乎全程下坡。受整体线路限制，项目纵向高程方面的调整灵活度严重受限，前半段的隧道埋深相对较小，局部段落位于花岗岩风化线分界位置，进而导致掌子面围岩突变情况频发。

差异风化的花岗岩导致隧道围岩极不稳定，即使是同一个掌子面也可能出现风化程度迥异的多种花岗岩。鉴于隧道围岩的多变性，单通过掌子面肉眼观测的形式来判断掌子面前方围岩存在着预判难度大、可靠性不高等问题，而一旦未能提前预判出前方围岩由强变弱的趋势，则极有可能引发掌子面塌方事故。

2.2 水文条件复杂多变

花岗岩地层中地下水类型主要为基岩裂隙水，地下水分布受岩体完整性影响较大，围岩破碎带一般亦是富水段落。受花岗岩差异风化的影响，本项目场区地下水也存在着明显的不均匀分布特点，同一个掌子面不同位置打设的超前排水孔的出水量可能存在着较大的差异。此外，场区地下水受大气降水及地表地形影响明显，雨季期间沟谷地表水汇集，进而沿着下伏基岩的节理、风化裂隙向下渗透，源源不断地补给地下水。

全风化花岗岩遇水后，围岩易软化崩解，支护不及时易坍塌，若水量较大甚至存在着涌水突泥的风险。强、中风化花岗岩的节理裂隙间多夹杂泥质、砂质等填充物，填充物遇水后易软化，导致围岩自稳能力显著下降，若支护不当，在施工扰动作用下亦存在塌方的风险。

2.3 超前小导管施作效果欠佳

通过现场调查及与施工班组长的座谈等多种途经了解到，本项目普遍存在着超前小导管注浆效果偏差、超前小导管实际施作长度存在不足等实际问题。超前小导管注浆效果差多是受风化花岗岩自身特性的影响[9]，同时注浆工序繁杂且耗时较长导致现场工人对注浆施工有一定的抵触情绪也是不可忽视的重要原因。此外，现场超前小导管的实际施工长度大多在2.5～3.5 m之间，上述现象的出现存在2个客观原因：其一是风化花岗岩本身自稳能力差，打孔过程中容易塌孔；其二是施工机械功能限制，现场采用的手持风钻打孔效率较低，打孔深度受限。

超前小导管不注浆或少量注浆，导致拱部围岩无法凝结成整体，围岩在地下水冲刷及施工扰动的双重作用下易发生失稳坍塌。同时，超前小导管实际施工长度不足导致超前支护无法有效穿过潜在的滑动面或无足够的嵌岩长度，整体支护能力存在不足。此时，一旦掌子面围岩失去自稳能力，拱部欠长的超前小导管不足以锁固拱部围岩，往往随着掉落的岩块一起被折弯。

3 塌方预防措施

塌方事故相对频发，处治颇为耗时，已成为制约项目有序推进的重大障碍。文中提出一套相对全面的塌方预防措施，重点如下。

3.1 加强超前地质预报工作

本项目隧道围岩突变性极强，单一方法难以及时、准确预判前方围岩情况，通过加强超前地质预报工作，采用物探、钻探等多种手段探测前方围岩情况，并结合已开挖段落围岩情况，对探测结果进行综合分析，相互验证，从而大幅提高围岩预判的准确性。

1) 每次放炮后对掌子面进行地质素描，以初步推断前方岩层情况；对局部重点地段，如断层破碎带、节理密集带、岩性接触带、地下水富集带、差异风化或软硬相间等，应进行详细的调查与分析。

2) 采用TSP隧道地震探测仪进行远距离较宏观长期预报，一般洞身段每100～150 m探测1次，地质复杂地段视情况增加探测次数；采用GPR(地质雷达)进行近距离探测，通过长、短结合，对围岩情况进行综合判断。

3) 在围岩富水段段落，应采用TEM等手段探测前方围岩富水情况，进而结合TSP、GPR、TEM等预报结果确定是否需要打超前探孔，以及超前探孔打设位置和数量(1～5个为宜)，钻孔时应对钻进速度、取芯情况、出水点位置、流量、水压、水温及出水状态等作详细记录。

3.2 加强超前排水工作

针对本项目场区地下水在时间和空间2个维度上均存在不均匀分布的情况，通过加强超前排水工作，提前引排掌子面前方的地下水，以改善隧道内的作业环境，减小施工风险。同时，针对初期支护出水严重的段落，通过施作径向泄水孔引排墙后积水，从而有效减小运营期隧道渗漏水的风险。具体的围岩排水措施包括如下3个方面。

1) 掌子面仰斜式排水孔排水。当通过超前地质预报系统探测发现隧道前方围岩富水时，应展开洞内、外调查，查明水源点。对于隧道围岩情况较差，施工过程存在涌水突泥风险的段落，必须从掌子面向围岩深部打设仰斜式排水孔对地下水进行提前引排。

仰斜式排水孔应从推测围岩富水区段前方5 m开始钻孔，每循环钻孔深度30～50 m，连续钻探每循环孔深应能满足前后2循环钻孔重叠长度不小于5 m的要求，最后一循环钻孔应穿出围岩富水段不少于5 m，施工示意见图1。钻孔数量一般为3～5个，钻孔角度控制在10°～15°范围，钻孔直径不应小于76 mm，推荐采用108 mm，以保证排水效果。钻孔过程中如有塌孔，应塞入打孔的PVC塑料管或者钢花管以保证排水孔通畅。

图1 掌子面仰斜式排水孔施工示意图

2) 初期支护背后斜向排水孔排水。当隧道穿越较长富水段落，掌子面及已施工的上台阶初期支护渗水严重，明显影响隧道正常施工或存在施工安全隐患的情况下，可在初期支护背后增设斜向排水孔对地下水进行二次引排，其施工示意见图2。增设排水孔的位置原则上应设置护拱，以确保支护结构稳定，并作为打设排水孔的定位钢架。排水孔的纵向位置宜设置在上、中台阶分界位置附近，钻孔长度20～30 m；环向位置则应根据掌子面及上台阶初期支护出水情况灵活设置，原则上排水孔的孔位应尽可能的低，以保证排水效率。

图2 初期支护背后仰斜式排水孔施工示意图

3) 径向泄水孔排水。对于初期支护背后有积水、冒水时应设置径向泄水孔。若初期支护变形较大时，应先设置护拱，护拱施工完成后方能施做泄水孔排水，以保证施工安全。

3.3 加强超前支护工作

1) 密排式超前支护。当隧道围岩自稳能力较差，开挖过程中拱部掉块严重，而超前小导管实际施工长度受限时，可采用密排式超前支护方案，具体方案为：超前小导管单根长度3.5 m，每循环两榀工字钢，奇偶循环的超前导管环向错开布置，单循环超前导管的环向间距为30 cm，奇偶循环联合支护后注浆导管的环向间距可加密至15 cm。通过密排布置导管的骨架支护作用，可有效预防块状岩块从导管间隙中掉落。

此外，奇偶循环超前导管的施作仰角按5°～15°及20°～30°控制，配合上导管的注浆固结，可在隧道拱部形成一个致密可靠的注浆加固区，从而有效预防施工过程中可能产生的拱部围岩坍塌事故。支护示意见图3。

图3 密排式超前支护施工示意图

2) 灌浆式超前支护。当隧道处于相对干燥的全、强风化花岗岩段，拱部围岩开挖临空后存在一定的自稳时间时，可考虑采用灌浆式超前支护。灌浆式超前支护指通过灌注水泥砂浆完全填充管体，使之成为有一定刚度的混凝土钢管，同时可视情况在钢管内插入加强筋进一步提高钢管的整体抗折强度，其施工示意见图4。

图4 灌浆式超前支护施工示意图

灌浆式超前支护的使用有2个必要前提条件：①其一是地下水不发育，围岩相对干燥或略潮湿；②浆液的扩散难度大，注浆效果不佳。未经扰动的全、强风化花岗岩本身相对致密，注浆施工过程中浆液的扩散效果不理想，主要以劈裂注浆为主[9]，注浆施工要求相对较高，施工难度整体偏大，且颇为耗时。与注浆小导管相比，灌浆式超前支护的洞外灌浆工序可与洞内支护工序平行施工，可大幅提高超前小导管的施工速度。此外，通过管内插入加强筋强化管体刚度的形式增强超前支护的抗折性能，可在一定程度上弥补欠佳的小导管注浆加固效果，从而保证施工安全。

3) 联合支护式超前支护。当通过超前探孔及综合物探等手段预判掌子面前方围岩极其破碎，主要以全、强风化围岩为主，且地下水相对发育，评估隧道开挖过程中大规模塌方的风险较大时，建议提前采用超前管棚进行支护，管棚可选择长×直径×壁厚为9 m×89 m×6 mm的超前中管棚或长×直径×壁厚为12 m×108 m×6 mm的超前大管棚。此外，根据实际开挖情况，可在管棚范围内环向错开打设直径×壁厚为42 mm×4 mm超前小导管作为超前管棚段的加密补强措施，支护示意见图5。

图5 超前管棚与超前小导管联合支护示意图

4) 自进式锚杆支护。当隧道掌子面围岩破碎，自稳能力较差，且超前支护钻孔施工过程中容易卡钻或成孔困难时，可考虑采用自进式中空注浆锚杆作为超前支护，以保证超前支护的施工质量。

3.4 加强开挖工法的过渡管控

经过现场施工实践发现，V级围岩采用三台阶环形开挖预留核心土法是合理可行的，但要加快初期支护工字钢封闭成环的时间。为控制结构变形，降低后期换拱风险，要求做到以下两点：时间上，初期支护工字钢封闭成环的时间宜尽量控制在25 d以内；空间上，掌子面到仰拱距离不宜大于30 m。

IV级围岩原则上采用两台阶法开挖，在围岩情况较好且相对均匀的段落，两台阶法开挖可有效保障施工进度要求。但是，考虑到该项目围岩突变性较强，在由V级围岩刚切换为IV级围岩的过渡段落，建议先采用三台阶法作为过渡开挖方法。此外，针对IV级围岩较差段落，建议结合实际施工情况，考虑采用两台阶预留核心土法进行开挖，以有效预防可能发生的塌方事故。

3.5 加强支护参数设计

结合项目前期的施工经验及施工监控量测数据，认为花岗岩地层宜适当加强初期支护参数，以确保施工期间安全。鉴于上述考虑，在现有衬砌参数的基础上，对初期支护参数(包括工字钢型号及间距、系统锚杆、锁脚锚杆、超前支护和注浆参数等)进行了精细化设计，形成了一套相对完备的支护参数体系，以应对隧道围岩的高突变性，从而满足现场施工需求[10]。

4 实际施工成效

在明确现场施工难题及相对应的预防措施后，对后续施工效果进行了跟踪。统计2021年1月1日-8月31日期间本项目隧道的平均月进尺情况见表2。

表2 隧道平均月进尺统计表 m

由表2可见，全风化花岗岩段的隧道施工速度提升33.3%，强风化花岗岩段的施工速率提升37.2%，中风化花岗岩的施工速率提升56.0%，施工成效较为明显。结合现场施工情况，总结施工速率加快的原因如下：全、强风化花岗岩段隧道开挖过程中的拱部掉块、局部坍塌乃至掌子面塌方现象明显减少，耗费在塌腔回填、塌方事故处治方面的时间显著缩短；通过加强超前排水和超前支护，掌子面围岩自稳能力显著改善，现场施工在保证安全的前提下将开挖步距及初期支护工字钢间距适当拉大，是强、中风化花岗岩段施工速率大幅提升的主要原因。

5 结语

针对本项目隧道施工过程中塌方事故频发的现象，在分析花岗岩围岩特性、场区地质水文条件及现场施工难题的基础上，提出了一套相对全面的预防对策，并通过长时间的施工进度跟踪验证了相应措施的实施效果，主要结论如下。

1) 花岗岩差异风化明显，加之本项目隧道局部段落正好处于花岗岩风化线分界位置，导致隧道围岩突变性强，掌子面前方围岩的预判难度大。施工过程中应采用多种方法综合探测前方围岩情况，以提高围岩预判准确性，为现场施工提供必要的指导性信息。

2) 花岗岩地层水力联系较强，地下水分布不均，且围岩的水稳性较差，施工过程中应重点加强超前排水作业。通过掌子面仰斜式排水孔、初期支护背后斜向排水孔等提前引排地下水，可大幅改善施工作业环境，有效降低潜在的施工风险。

3) 超前小导管注浆效果不佳、施工长度不足是导致隧道塌方频发的直接原因。根据围岩情况适当加强超前支护是预防塌方事故发生的必要措施。相对干燥的全、强风化花岗岩段落可考虑采用灌浆式超前支护，以提高隧道的施工进度；在难以成孔的软弱围岩段落则可考虑采用自进式锚杆或自进式管棚施工，以保证超前支护的施工质量。

4) 通过加强超前地质预报、加强超前排水施工、适当加强超前支护、加强开挖方法的过渡管控及加强支护参数设计等系列措施，形成一套相对全面的隧道塌方预防方案，可明显减少塌方事故的发生频率，有效提高施工安全和结构质量，并大幅提升施工速度。