付偉慶

(中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司, 江西新余 338025)

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淺淡全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層隧道施工難點及防護(hù)措施

付偉慶

(中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司, 江西新余 338025)

隨著我國交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路隧道逐漸向偏遠(yuǎn)山區(qū)及復(fù)雜地質(zhì)段延伸。在富有全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的地質(zhì)段進(jìn)行隧道施工時會遇到各種各樣的施工難題，文章參考以往工程實踐中隧道施工遇到的難題，結(jié)合大臨鐵路勐麻1號和勐麻2號隧道的施工過程，并根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道的施工難點及防治措施進(jìn)行探討，為類似工程實際提供理論依據(jù)和經(jīng)驗。

鐵路隧道； 全強(qiáng)風(fēng)化； 花崗巖； 施工難點； 防治措施

花崗巖是隧道施工中常見的一種地層巖性，在我國華南及西南地區(qū)分布較為廣泛[1]。對于全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其節(jié)理裂隙發(fā)育，導(dǎo)致花崗巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造遭到破壞，遇水后軟化，且受開挖擾動后呈砂狀，強(qiáng)度和穩(wěn)定性也大大降低[2-3]。

在國內(nèi)，針對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的力學(xué)特性、災(zāi)害控制、施工技術(shù)開展了很多的研究工作，王明年[4]等對廈門翔安海底隧道穿越全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段的CED法施工控制基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，得出CRD1部和CRD3部拱頂豎直位移約為200 mm和130 mm;燕全會[5]基于蓮花山1號隧道進(jìn)口段的施工對富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段隧道施工技術(shù)進(jìn)行了探討，驗證了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在該類巖石地層中施工的可行性，按此工法施工，平均月進(jìn)尺可達(dá)35 m/月；袁敬強(qiáng)[6]等對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水災(zāi)害機(jī)制及治理技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了“以堵為主、堵排結(jié)合、分區(qū)治理、動態(tài)施工”的總體治理原則；汪珂[7]等對強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道水平旋噴樁預(yù)加固效果進(jìn)行了分析，得出采用43根旋噴樁對隧道拱頂進(jìn)行加固后拱頂圍巖位移顯著減少，提高了圍巖的穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段對于全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段隧道施工的研究尚有許多不足之處，對施工難點及其對應(yīng)的解決措施研究相對較少，本文結(jié)合云南大臨鐵路勐麻1號和勐麻2號隧道的施工過程，根據(jù)其在施工過程中遇到的難題及解決措施等問題展開討論， 進(jìn)而對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段隧道設(shè)計和施工起指導(dǎo)作用。

1 工程概況

云南大臨鐵路是我國西部鐵路交通發(fā)展的一條重要路線，其中勐麻1號和勐麻2號隧道位于云南省臨滄市，勐麻1號隧道位于息鋪站和臨滄站之間 ，全長2 320 m，隧道洞身最大埋深約174 m，洞身有兩處淺埋段，最小埋深約7 m，穿越全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層長2 057 m，約占總長89 %；勐麻2號隧道位于息鋪站和臨滄站之間 ，全長253 m，最大埋深約46 m，穿越全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層長253 m，占總長100 %。

隧道圍巖主要包含粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、卵石土、細(xì)粒含黑云花崗巖和細(xì)粒黑云斜長花崗巖，圍巖級別為Ⅴ級，其物理力學(xué)參數(shù)見表1，其洞身的支護(hù)參數(shù)見表2、表3。

表1 圍巖的基本物理、力學(xué)參數(shù)

表2 勐麻1號隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

表3 勐麻2號隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

2 施工難點

2.1 突水突泥

全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖在富水段進(jìn)行隧道開挖時極易發(fā)生突水、突泥等災(zāi)害，且災(zāi)害一旦發(fā)生演化速度極快，影響范圍較大。廣西山心隧道在全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段施工時曾多次發(fā)生突水狀況(圖1)，其形式包含初支垮塌、掌子面涌水、洞內(nèi)塌方、涌水突泥、特大突涌水以及地表坍塌等多種類型，在某次突水災(zāi)害中最大突水量達(dá)1 280 m3/h，期間累計突水量達(dá)25×104m3，淤積泥沙約2 500 m3，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失與不良社會影響。該特大災(zāi)害的誘發(fā)因素為水壓較大、地下水豐富且地層水穩(wěn)定性差。

圖1 廣西山心隧道突水示意

廈深鐵路梁山隧道全長9 888 m，埋深為26 m，在DK96+505～DK96+530里程段發(fā)育有富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖軟弱帶，長度約為25 m，隧道開挖到軟弱帶時發(fā)生了嚴(yán)重的突水突泥災(zāi)害，涌泥量高達(dá)3×104m3，淤積隧道長度230 m，致使地表塌陷，陷坑深度20 m。

2.2 邊坡失穩(wěn)

貴州省某高速公路隧道經(jīng)過區(qū)間圍巖多為全風(fēng)化花崗巖，全風(fēng)化花崗巖由于云母含量較高，結(jié)構(gòu)松散，水穩(wěn)性差，所以邊坡容易發(fā)生滑坡，有些邊坡在施工過程中出現(xiàn)失穩(wěn)滑塌(圖2)。

圖2 貴州省某隧道邊坡失穩(wěn)滑塌示意

某高速公路位于安徽省南部山區(qū)，隧道切坡后形成大量全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖邊坡，此類邊坡巖體松散破碎，水穩(wěn)性差，抗沖刷能力較弱。

在自然狀態(tài)下，邊坡巖土體處于受壓狀態(tài)，無明顯拉應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力高度集中現(xiàn)象，邊坡多數(shù)能保持自身平衡；在開挖狀態(tài)下，由于邊坡所處地段巖體多為全風(fēng)化花崗巖，巖體受開挖擾動而松動，當(dāng)其擾動范圍較大，邊坡巖土體無法維持自身平衡穩(wěn)定，就容易產(chǎn)生滑坡。在實際工程中，邊坡失穩(wěn)多數(shù)是由于開挖強(qiáng)度較大或者開挖后支護(hù)不及時造成的。

2.3 隧道洞室無法自穩(wěn)、坍塌、冒頂

工程實踐表明，當(dāng)花崗巖處于全強(qiáng)風(fēng)化程度時，其對隧道施工會造成系列工程難題，圍巖呈砂土狀，穩(wěn)定性與含水量密切相關(guān)。當(dāng)含水量較低時，圍巖開挖易滑塌，當(dāng)含水量較高時，圍巖體現(xiàn)出蠕變特性，因此圍巖變形控制難度較大，施工風(fēng)險較高。此外，圍巖致密，滲透系數(shù)較低，施工注漿固結(jié)效果難以控制。實際上，全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層隧道施工坍塌的工程實例也較為普遍，給施工造成極大的技術(shù)困擾。如依托工程云南大臨鐵路勐麻1號和勐麻2號隧道，在修建時大量的掌子面產(chǎn)生變形較大、坍塌等現(xiàn)象。如圖3所示，在里程DK203+992.2處出現(xiàn)了嚴(yán)重的掉塊與坍塌現(xiàn)象。深圳市白石嶺大斷面公路隧道，在全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及第四坡系、殘積土施工中遇到花崗巖微風(fēng)化球體的不良影響，出現(xiàn)了大范圍的洞室坍塌、冒頂?shù)仁鹿?，?dǎo)致隧道施工中斷，大大影響工期。

圖3 勐麻1號隧道洞室坍塌變形示意

3 對應(yīng)解決措施和實施效果

3.1 突水突泥災(zāi)害防治措施及實施效果

針對廣西山心隧道突泥突水災(zāi)害，經(jīng)綜合考慮隧道施工與地表生態(tài)環(huán)境安全，堅持“以堵為主、堵排結(jié)合、分區(qū)治理、動態(tài)施工”的總體治理原則，優(yōu)化確定復(fù)合帷幕注漿、全斷面帷幕注漿與動態(tài)施工的協(xié)同治理技術(shù)體系。帷幕注漿是指在具有合理孔距的鉆孔中注入漿液，使各孔中注漿體相互搭接以形成一道類似帷幕的混凝土防滲墻，以此截斷水流，從而達(dá)到防滲堵漏的目的。其中，對于輕微擾動及低水壓地段可采用傳統(tǒng)的全斷面帷幕注漿，而對于擾動較大、水壓較高，滲流速度快的地段則需采用復(fù)合帷幕注漿，即首先在隧道開挖輪廓面使用化學(xué)漿形成止水圈，然后使用水泥漿加固地層。經(jīng)處理后，隧道開挖表明，掌子面中形如樹根狀的的漿脈相當(dāng)密集，滲水量大大減小，堵水率高達(dá)90 %。

對于深埋隧道富水滑動型軟弱帶，如廈深鐵路梁山隧道全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖軟弱帶的突水突泥災(zāi)害，采用“排水降壓、旋噴加固、超前管棚”的綜合治理方案。在隧道富水地段增設(shè)排水溝，采用旋噴柱對拱頂進(jìn)行加固，或使用超前管棚對隧道進(jìn)行超前支護(hù)。經(jīng)試驗，采用旋噴加固拱頂并增設(shè)排水溝是最有效的防治措施，其涌水量從45 m3/d降低到7.8 m3/d，隧道整體穩(wěn)定性得到了很大的提高。

3.2 邊坡失穩(wěn)防治措施及實施效果

隧道邊坡防護(hù)應(yīng)抓緊防護(hù)，減少暴露面和暴露時間。安徽省南部山區(qū)某高速公路一級邊坡采用錨桿框架+綠化護(hù)坡支護(hù)形式；二級邊坡可采用砂漿錨桿對隧道邊坡進(jìn)行加固；對于三級邊坡，則采用掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、植草護(hù)坡。針對貴州省某高速公路隧道，其邊坡已經(jīng)出現(xiàn)裂縫或者垮塌，經(jīng)研究決定使用純水泥漿或者水泥砂漿進(jìn)行封堵，沿著裂縫或者垮塌面采用φ42鋼管注漿加固破面；在地下水較為豐富的地段，由于全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖水穩(wěn)性較差，若出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)或垮塌，需預(yù)留排水孔或排水溝進(jìn)行排水；而當(dāng)邊坡已經(jīng)垮塌時則采取重新刷坡方式進(jìn)行處理。經(jīng)有效地護(hù)坡及加固措施后，隧道洞身段及洞口段邊坡涌水量大大降低，不再出現(xiàn)在雨水和地下水的沖刷下失穩(wěn)滑坡等現(xiàn)象。

3.3 隧道洞室無法自穩(wěn)、坍塌、冒頂防治措施及實施效果

針對隧道坍塌變形、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，深圳市白石嶺大斷面公路隧道采用采用“高揚工法”進(jìn)行治理與防護(hù)。經(jīng)監(jiān)測，處理前拱頂累計下沉為76 mm，處理后拱頂累計下沉僅為12 mm，從而確保了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。經(jīng)實踐證明，該工法安全可靠，施工相對簡單，可在類似工程中推廣應(yīng)用。

此外，可采取旋噴樁對隧道拱頂進(jìn)行加固。旋噴樁在拱頂形成的混凝土殼體一定程度上提高了圍巖的整體性，使得隧道在開挖過程中的沉降變形主要表現(xiàn)為旋噴樁殼體的縱向撓曲變形。拱頂水平旋噴樁的沉降值主要發(fā)生在仰拱開挖機(jī)階段，而拱腳水平位移在3個開挖階段的變化并不明顯，說明設(shè)置一定數(shù)量的旋噴樁對控制上部圍巖的沉降是有明顯作用的。勐麻1號和勐麻2號隧道在全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層地段隧道的施工中，采取了適當(dāng)?shù)某邦A(yù)加固措施、選用合理預(yù)加固參數(shù)及注漿工藝對隧道進(jìn)行超前支護(hù)，并采取旋噴樁對隧道拱頂進(jìn)行加固處理，進(jìn)而有效地控制了隧道的坍塌、掉塊、大變形等災(zāi)害。目前勐麻2號隧道已經(jīng)貫通，其洞室變形已經(jīng)得到有效控制，勐麻1號隧道洞室坍塌、掉塊及無法自穩(wěn)現(xiàn)象也得到了改善。

4 結(jié)論

(1)全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段，圍巖多呈砂土狀，圍巖強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性較差，圍巖開挖易滑塌與蠕變變形，因此圍巖變形控制難度較大，施工風(fēng)險較高。全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地段進(jìn)行隧道施工建設(shè)時經(jīng)常出現(xiàn)突水突泥、邊坡不穩(wěn)、隧道蠕變坍塌以及支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形等問題，災(zāi)害一經(jīng)發(fā)生，演化速度極快，并且很難控制。

(2)針對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥災(zāi)害，可采取復(fù)合帷幕注漿、全斷面帷幕注漿以及增設(shè)排水溝等措施在疏導(dǎo)地下水的同時采取注漿堵水等措施，進(jìn)而減少隧道涌水量和滲水量。

(3)針對邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，首先應(yīng)對邊坡及時防護(hù)，減少暴露面及暴露時間。當(dāng)邊坡尚未出現(xiàn)裂縫及滑坡時，可采用錨桿+綠化坡、鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)外，當(dāng)邊坡已經(jīng)出現(xiàn)裂縫、垮塌時，則需采用采用鋼化管注漿加固坡面，必要時，可重新刷坡。

(4)針對隧道洞室坍塌變形、冒頂?shù)葹?zāi)害，可采用旋噴樁對拱頂進(jìn)行加固，在一些復(fù)雜地質(zhì)段需對隧道洞室進(jìn)行超前支護(hù)和超前注漿對隧道進(jìn)行加固，以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與正常施工。

[1] 李炳元，潘保田，程維明，等.中國地貌區(qū)劃新論[J].地理學(xué)報，2013,68(3)：291-306.

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付偉慶(1970～)，男，本科，工程師，主要從事鐵路工程施工與管理工作。

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[定稿日期]2017-03-13