全強風化花崗巖大斷面隧道施工技術研究

吳金建

(泉州德化廈沙高速公路有限公司，福建泉州 362000)

全強風化花崗巖地層具有結構松散、強度低、壓縮性高、穩定性差、遇水承載力大幅降低等特點[1]。因此，富水軟巖大斷面隧道建設的安全風險高，變形控制困難，當變形達到一定程度時，極易發生塌方、突水、突泥等事故，危及隧道結構與人身安全[3-4]。為了確保富水軟巖隧道的施工安全，國內眾多學者對全強風化花崗巖的工程特性及施工技術進行研究。任文峰等[1]利用土工試驗結合監控量測的方法，研究富水全風化花崗巖地區隧道圍巖變形規律與力學特性；張素敏[5]和高焱等[6]以貴廣線東科嶺隧道為例，通過不同含水率試件在不同應力水平下的蠕變曲線，研究全風化花崗巖的流變特性；劉金泉等[7]根據全風化花崗巖注漿加固體抗沖刷特性的試驗結果，提出突水治理時注漿量的計算方法；王凱等[2]依托廣西均昌隧道帷幕注漿災害治理工程，研究注漿措施對全風化花崗巖強度特性和水理特性的影響機制；于紅丹[8]和李蓉等[9]以廈門海底隧道工程為例，對強風化花崗巖進行一系列室內試驗，研究其力學特性，并給出在全強風化花崗巖地層中的注漿方案、工藝、參數等；洪軍等[10]以新考塘隧道為依托，通過建立數值模型，模擬研究全風化花崗巖地層特大斷面隧道初期支護在施工過程中的變化規律；趙廣平以向莆鐵路夏茂隧道為背景，從大管棚超前支護、洞內圍巖水預處理、雙側壁導坑法開挖等方面分析研究全風化富水花崗巖暗挖進洞的施工技術；南勇以靖海高速湖山隧道的施工實踐為例，驗證了合理的降排水措施和開挖工法可提高全風化花崗巖壓強度和抑制圍巖變形[11-12]。

綜上所述，富水軟巖大斷面隧道的建設相較于其他隧道工程，地表塌陷發生的頻率更高，且具有突發性，事先不易察覺。依托某全強風化花崗巖區域大斷面隧道工程，結合隧道監控量測分析地表塌陷原因，提出此類隧道施工過程中開挖工法和支護結構的變更方案及降排水措施。

1 全強風化花崗巖地層工程特性

圖1 不同飽和度試樣的抗剪強度與垂直壓力的關系[15]

風化作用可以沿著花崗巖節理面向巖體內部深入，使得花崗巖的結構、構造及整體性遭到破壞，其強度與穩定性大為降低[13]。全強花崗巖風化產物中存在的蒙脫石具有強烈親水性、脹縮性等不良特性，遇水后，巖體軟化系數大大增加[14]。圖1，圖2分別為全強風化帶在土樣不同飽和度條件下的抗剪強度與垂直壓力關系、黏聚力與飽和度關系。由圖1、圖2可知，全強風化花崗巖的抗剪強度與飽和度呈非線性關系，當Sr>60%時，全強風化花崗巖抗剪強度均呈現下降趨勢。因此，在此類富水全強風化花崗巖地區隧道建設過程中，極易因開挖擾動或持續降雨而使巖體軟化崩解。

圖3 工程地質剖面

圖2 黏聚力與飽和度關系[15]

2 工程概況

2.1 隧道設計概況

某隧道位于福建省山區，設計為分離式隧道，最大埋深276.2 m，左線里程為ZK84+937～ZK86+463，長1 526 m；右線里程為YK84+950～YK86+403，長1 453 m。隧道單洞設計凈寬10.25 m，斷面面積為120 m2，屬大斷面隧道；進洞門形式均為削竹式，出洞門形式均為端墻式。

2.2 隧道地質情況

隧址區上覆坡積碎石土、塊石土，下伏基巖為侏羅系梨山組砂巖、燕山早期侵入花崗巖和局部溪口組砂巖。隧址區主要巖土層分布如圖3所示。

按照鉆孔揭露巖體的堅硬程度和完整程度，結合巖石單軸飽和抗壓強度(Rc)及巖體完整性指數(Kv)，分析地下水、節理裂隙、圍巖應力狀態等對圍巖的影響。依照《公路隧道設計規范》[16]計算出巖體基本質量指標BQ值為119.73，并確定隧道Ⅴ級全強風化花崗巖的對應里程號。

(1)YK84+950～YK85+100(長150 m)與ZK84+937～ZK85+150(長213 m)為強風化花崗巖。

(2)YK86+394～YK86+403(長9 m)與ZK86+423～ZK85+463(長40 m)為坡殘積土-強風化花崗巖。

由此可知，隧道進出洞口均位于花崗巖全強風化層，巖體極破碎，左右線洞門段臨近山坡坡腳，其中進口段地下水位高于洞頂，地表水較為發育。另外，進、出洞口處略有偏壓現象，工程地質條件差，隧道修建難度大。

2.3 隧道施工概況

隧道進口段左右線分別開挖至20 m(ZK84+956、Y84+970)左右時出現第一次地表局部塌陷。據統計，隧道左右線開挖作業進行至70 m(埋深14 m左右)時，該進口段共計發生地表塌陷5次。

左右線進口軟巖段的監測數據由于塌方導致數據缺失，圖4所示為左右線靠近塌陷區地表沉降監測曲線。可以看出，地表沉降曲線變化較為平緩，大致呈現下沉趨勢。各個監測點沉降累計值達到最大值后均趨于平穩狀態，最大沉降值為-408.3 mm，最小為-170 mm，均大于預警值(100 mm)。

2.4 隧道圍巖變形原因分析

通過地質水文條件和圍巖變形監測，結合氣候條件，對進口軟巖段的圍巖變形原因進行分析(見表1)。

(1)右線進口YK84+968～YK85+020(52 m)區間段，兩個月內累計發生2次地表局部塌陷。受連續陣雨影響，土體整體穩定性差，土體浸水后自穩能力差，臨空面泡水后容易崩塌、瓦解。

(2)左線進口ZK84+949～ZK85+006(57 m)區間段，累計發生2次地表局部塌陷，1次崩塌。其中，ZK84+970～ZK84+985段隧道洞頂左側邊坡出現崩塌的原因主要是受臺風暴雨影響，土體中含水量急速增高至基本飽和，使抗剪強度變低，邊坡穩定性變差，且邊仰坡被嚴重沖刷，邊仰坡防護被破壞。

圖4 左右線靠近塌陷區地表沉降監測曲線

表1 隧道進口段圍巖地表塌陷區統計

3 富水軟巖大斷面隧道的施工技術研究

隧道進口段圍巖屢次出現地表塌陷，表明初始施工方案已難以有效控制其變形，要確保隧道安全施工，應通過多項施工技術措施解決變形問題。

3.1 初始施工方案

隧道進出洞口Ⅴ級圍巖淺埋段、偏壓段的初始施工方案為超前管棚聯合超前小導管預注漿加固，中隔壁法開挖。

(1)邊、仰坡開挖施工

按設計坡度，每開挖一段進行錨桿、鋼筋網、噴射混凝土支護，邊坡開挖要嚴格按設計控制坡度比，并應使洞門處邊坡與明洞仰坡連接圓順，如圖5所示。

圖5 洞口施工示意

(2)長管棚施工

隧道進出洞口V級圍巖采用長管棚超前預支護，管棚為φ108×6 mm熱扎無縫鋼管，節長3 m、6 m，如圖6、圖7所示。環向間距為40 cm，以1°～ 3°仰角打入圍巖。

圖6 管棚立面布置

圖7 管棚縱面布置(單位：mm)

為使鉆孔定位準確，采用C25混凝土套拱作長管棚導向墻(在明洞外輪廓線以外施作)，套拱內埋設3榀工字鋼，在型鋼拱架上安裝φ127×4 mm熱扎無縫鋼管套管，各榀之間采用鋼筋連接，如圖8所示。

圖8 管棚大樣

(3)超前小導管注漿施工

超前小導管采用外徑50 mm，壁厚5 mm的無縫鋼管，鋼管長5 m，環向間距為40 cm，縱向間距為2.4 m，與鋼架配合使用，從兩榀工字鋼架間穿過，同隧道軸線呈外插角10°～30°，如圖9所示。超前小導管尾端應與初期支護鋼拱架進行焊接，以增強整體剛度，發揮其最佳支護效果。

圖9 超前小導管縱向施工示意

(4)中隔壁法開挖施工

隧道進出洞口Ⅴ級圍巖施工順序如下：左側上導坑開挖→左側上導坑初期支護→施工上臺階鎖腳錨桿→左側下導坑施工→右側上導坑施→右側下導坑施工→拆除中隔臨時支護→分步施工防排水系統，仰拱、邊墻、拱部二次模筑混凝土襯砌，如圖10所示。

圖10 V級圍巖中隔壁法施工(Z5-1復合支護類型)

3.2 開挖工法的變更

右線進口YK84+968～YK85+105(137 m)區間： CD法開挖至27 m發生兩次地表塌陷，變更開挖工法為“六導坑法”，開挖至52 m后發現圍巖變形仍然較大，且局部出現滲水，再次變更為“三臺階法”施工至77 m，開挖過程中發現隧道變形控制效果仍然不佳，最后采取“三臺階七步法”開挖余下50 m。

左線進口ZK84+949～ZK85+163(214 m)區間：CRD法開挖施工至93 m，地表出現局部塌陷，立即變更為“三臺階七步法”施工余下121 m。

3.3 支護結構的變更

(1)為抑制拱部上方圍巖塑性區的變形，將原設計大管棚聯合單排小導管的超前支護變更為φ89 mm中管棚(20 m/循環)輔助配合15°和45°外插角雙排超前小導管，并注水泥-水玻璃雙液漿。

(2)為提高圍巖與支護體自身的承載能力，將進口段左右線原設計復合支護類型中的I18型鋼拱架分別替換成I22b型、I20b型；初襯混凝土厚度分別增大至30 cm、28 cm。

(3)為減少地表沉降，初期支護施工中增設臨時仰拱(I20b@0.5 m)，并噴射25 cm厚C20混凝土；待臨時仰拱施作完成且混凝土強度達到100%時，于臨時仰拱及初支上增加臨時斜撐(I20@0.5 m)。

(4)為加強與鋼拱架聯合支護承載力，減少隧洞拱頂下沉，將原設計φ22鎖腳砂漿錨桿變更為φ50×5 mm鎖腳小導管(長度5 m)，并注水泥-水玻璃雙液漿。

(5)為加固拱頂上部軟弱圍巖，洞口淺埋地段采用地表徑向注漿加固方案。左洞從仰坡開挖線起布置范圍為ZK84+949～ZK85+006，縱向長度57 m，寬度為隧道中心線兩邊各12.5 m。

管棚輔以雙排小導管注漿的超前支護形式可有效改善隧道支護結構受力，提高圍巖的穩定性；地表徑向注漿措施可加固土體和拱頂上部軟弱地層，有效提高地層強度，抑制地表變形。施工效果表明，支護技術方案的變更合理有效。

3.4 降排水措施

每循環開挖完畢后立即對工作面噴射一層15 cm厚的C25早強混凝土并及時封閉，施作平孔排水：上臺階和中臺階各設置4根9 m長的平孔排水管并用土工布包裹，開挖時根據開挖長度進行割除(露出巖面1.0 m)。

富水全強風化花崗巖自身強度低，合理的降排水措施可有效降低圍巖的含水率，提高軟弱地層強度，是避免地表塌陷的重要措施。

4 結論

(1)根據富水軟弱圍巖狀態、隧道埋深、氣候條件、地質條件等，靈活地轉換CD法、六導坑法、三臺階法、三臺階七步法、CRD法等多種不同的開挖工法，以適應隧道施工環境的動態變化，減少隧道變形，確保安全施工。

(2)施工中應采取中管棚聯合雙排超前小導管進行超前支護，增大初期支護鋼拱架剛度、混凝土標號與厚度，擴大鎖腳注漿錨桿管徑等措施，在地表與隧道拱頂間采用無縫鋼管注漿加固，可增強隧道開挖后圍巖的自穩能力，有效控制圍巖變形。

(3)開挖后立即噴射一層早強混凝土并及時封閉工作面，再施作平孔排水，能夠降低地層含水率，減少對隧道施工的不利影響。