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(fēng)化花崗巖地層具有結(jié)構(gòu)松散、強度低、壓縮性高、穩(wěn)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(shè)的安全風(fēng)險高，變形控制困難，當(dāng)變形達到一定程度時，極易發(fā)生塌方、突水、突泥等事故，危及隧道結(jié)構(gòu)與人身安全[3-4]。為了確保富水軟巖隧道的施工安全，國內(nèi)眾多學(xué)者對全強風(fēng)化花崗巖的工程特性及施工技術(shù)進行研究。任文峰等[1]利用土工試驗結(jié)合監(jiān)控量測的方法，研究富水全風(fēng)化花崗巖地區(qū)隧道圍巖變形規(guī)律與力學(xué)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(yīng)力水平下的蠕變曲線，研究全風(fēng)化花崗巖的流變特性；劉金泉等[7]根據(jù)全風(fēng)化花崗巖注漿加固體抗沖刷特性的試驗結(jié)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(zāi)害治理工程，研究注漿措施對全風(fēng)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(fēng)化花崗巖進行一系列室內(nèi)試驗，研究其力學(xué)特性，并給出在全強風(fēng)化花崗巖地層中的注漿方案、工藝、參數(shù)等；洪軍等[10]以新考塘隧道為依托，通過建立數(shù)值模型，模擬研究全風(fēng)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(guī)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(nèi)圍巖水預(yù)處理、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖等方面分析研究全風(fēng)化富水花崗巖暗挖進洞的施工技術(shù)；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(fēng)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(shè)相較于其他隧道工程，地表塌陷發(fā)生的頻率更高，且具有突發(fā)性，事先不易察覺。依托某全強風(fēng)化花崗巖區(qū)域大斷面隧道工程，結(jié)合隧道監(jiān)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(jié)構(gòu)的變更方案及降排水措施。

1 全強風(fēng)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(guān)系[15]

風(fēng)化作用可以沿著花崗巖節(jié)理面向巖體內(nèi)部深入，使得花崗巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及整體性遭到破壞，其強度與穩(wěn)定性大為降低[13]。全強花崗巖風(fēng)化產(chǎn)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(shù)大大增加[14]。圖1，圖2分別為全強風(fēng)化帶在土樣不同飽和度條件下的抗剪強度與垂直壓力關(guān)系、黏聚力與飽和度關(guān)系。由圖1、圖2可知，全強風(fēng)化花崗巖的抗剪強度與飽和度呈非線性關(guān)系，當(dāng)Sr>60%時，全強風(fēng)化花崗巖抗剪強度均呈現(xiàn)下降趨勢。因此，在此類富水全強風(fēng)化花崗巖地區(qū)隧道建設(shè)過程中，極易因開挖擾動或持續(xù)降雨而使巖體軟化崩解。

圖3 工程地質(zhì)剖面

圖2 黏聚力與飽和度關(guān)系[15]

2 工程概況

2.1 隧道設(shè)計概況

某隧道位于福建省山區(qū)，設(shè)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(shè)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(zhì)情況

隧址區(qū)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(qū)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(jié)合巖石單軸飽和抗壓強度(Rc)及巖體完整性指數(shù)(Kv)，分析地下水、節(jié)理裂隙、圍巖應(yīng)力狀態(tài)等對圍巖的影響。依照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[16]計算出巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值為119.73，并確定隧道Ⅴ級全強風(fēng)化花崗巖的對應(yīng)里程號。

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

由此可知，隧道進出洞口均位于花崗巖全強風(fēng)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(fā)育。另外，進、出洞口處略有偏壓現(xiàn)象，工程地質(zhì)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(xiàn)第一次地表局部塌陷。據(jù)統(tǒng)計，隧道左右線開挖作業(yè)進行至70 m(埋深14 m左右)時，該進口段共計發(fā)生地表塌陷5次。

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

2.4 隧道圍巖變形原因分析

通過地質(zhì)水文條件和圍巖變形監(jiān)測，結(jié)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(qū)間段，兩個月內(nèi)累計發(fā)生2次地表局部塌陷。受連續(xù)陣雨影響，土體整體穩(wěn)定性差，土體浸水后自穩(wěn)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(qū)間段，累計發(fā)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(cè)邊坡出現(xiàn)崩塌的原因主要是受臺風(fēng)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(wěn)定性變差，且邊仰坡被嚴(yán)重沖刷，邊仰坡防護被破壞。

圖4 左右線靠近塌陷區(qū)地表沉降監(jiān)測曲線

表1 隧道進口段圍巖地表塌陷區(qū)統(tǒng)計

3 富水軟巖大斷面隧道的施工技術(shù)研究

隧道進口段圍巖屢次出現(xiàn)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(yīng)通過多項施工技術(shù)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(lián)合超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固，中隔壁法開挖。

(1)邊、仰坡開挖施工

按設(shè)計坡度，每開挖一段進行錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土支護，邊坡開挖要嚴(yán)格按設(shè)計控制坡度比，并應(yīng)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(yù)支護，管棚為φ108×6 mm熱扎無縫鋼管，節(jié)長3 m、6 m，如圖6、圖7所示。環(huán)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(zhǔn)確，采用C25混凝土套拱作長管棚導(dǎo)向墻(在明洞外輪廓線以外施作)，套拱內(nèi)埋設(shè)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(dǎo)管注漿施工

超前小導(dǎo)管采用外徑50 mm，壁厚5 mm的無縫鋼管，鋼管長5 m，環(huán)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(dǎo)管尾端應(yīng)與初期支護鋼拱架進行焊接，以增強整體剛度，發(fā)揮其最佳支護效果。

圖9 超前小導(dǎo)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(cè)上導(dǎo)坑開挖→左側(cè)上導(dǎo)坑初期支護→施工上臺階鎖腳錨桿→左側(cè)下導(dǎo)坑施工→右側(cè)上導(dǎo)坑施→右側(cè)下導(dǎo)坑施工→拆除中隔臨時支護→分步施工防排水系統(tǒng)，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(fù)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(qū)間： CD法開挖至27 m發(fā)生兩次地表塌陷，變更開挖工法為“六導(dǎo)坑法”，開挖至52 m后發(fā)現(xiàn)圍巖變形仍然較大，且局部出現(xiàn)滲水，再次變更為“三臺階法”施工至77 m，開挖過程中發(fā)現(xiàn)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(qū)間：CRD法開挖施工至93 m，地表出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的變更

(1)為抑制拱部上方圍巖塑性區(qū)的變形，將原設(shè)計大管棚聯(lián)合單排小導(dǎo)管的超前支護變更為φ89 mm中管棚(20 m/循環(huán))輔助配合15°和45°外插角雙排超前小導(dǎo)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(shè)計復(fù)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(shè)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(lián)合支護承載力，減少隧洞拱頂下沉，將原設(shè)計φ22鎖腳砂漿錨桿變更為φ50×5 mm鎖腳小導(dǎo)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(dǎo)管注漿的超前支護形式可有效改善隧道支護結(jié)構(gòu)受力，提高圍巖的穩(wěn)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(shù)方案的變更合理有效。

3.4 降排水措施

每循環(huán)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(shè)置4根9 m長的平孔排水管并用土工布包裹，開挖時根據(jù)開挖長度進行割除(露出巖面1.0 m)。

富水全強風(fēng)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(jié)論

(1)根據(jù)富水軟弱圍巖狀態(tài)、隧道埋深、氣候條件、地質(zhì)條件等，靈活地轉(zhuǎn)換CD法、六導(dǎo)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(yīng)隧道施工環(huán)境的動態(tài)變化，減少隧道變形，確保安全施工。

(2)施工中應(yīng)采取中管棚聯(lián)合雙排超前小導(dǎo)管進行超前支護，增大初期支護鋼拱架剛度、混凝土標(biāo)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(wěn)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。