閆 旭 趙春偉

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

0 引言

花崗巖是一種在地殼中分布十分廣泛的巖漿巖，主要礦物成分為石英、長石和云母。突出地表的花崗巖在風(fēng)化作用下，除穩(wěn)定性較強(qiáng)的石英成分外，長石和云母均風(fēng)化為黏土礦物，根據(jù)風(fēng)化程度的差異，形成殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化等風(fēng)化帶。其中，全風(fēng)化花崗巖雖然外觀保留了巖石的結(jié)構(gòu)，但長石和云母已經(jīng)完全風(fēng)化為土，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低，手可捏碎成粉末狀。由于石英之間的空隙被黏土填充，原狀全風(fēng)化花崗巖表現(xiàn)出黏土的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低，滲透性差，經(jīng)擾動(dòng)后表現(xiàn)出砂的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散。這種“似土非土、似巖非巖”的巖石在干燥狀態(tài)下具有一定的自穩(wěn)能力，遇水后極易軟化崩解，喪失承載力。隧道工程中常常遇到全風(fēng)化花崗巖地層，如果不了解其特性，采用常規(guī)的處理方式，往往會(huì)引發(fā)工程事故，威脅人員安全，影響施工進(jìn)度，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于全風(fēng)化花崗巖這種不良地質(zhì)，研究人員進(jìn)行了大量探索，本文主要對(duì)前期的研究成果進(jìn)行總結(jié)、梳理和評(píng)價(jià)，為類似地質(zhì)條件下的隧道安全施工提供借鑒。

1 全風(fēng)化花崗巖的工程特性

全風(fēng)化花崗巖具有不同的成因和結(jié)構(gòu)組成，使其工程特性區(qū)別于一般粘性土和砂質(zhì)土，具有遇水軟化和崩解性、風(fēng)化不均勻性、易受擾動(dòng)性。研究表明含水率對(duì)原狀全風(fēng)化土體性質(zhì)影響較大，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水量增加而減小，彈性模量隨含水率的增大呈先增后減的趨勢，具有最佳含水率峰值[1]。

注漿是隧道工程中常用的堵水和地層加固手段，由于全風(fēng)化花崗巖表現(xiàn)為松散的砂土，因此通過注漿對(duì)土體進(jìn)行加固改良是比較容易想到的輔助施工措施。工程人員對(duì)全風(fēng)化花崗巖的注漿特性進(jìn)行了大量深入研究，結(jié)果如下：

1)注漿機(jī)理：與松散的砂性土和顆粒狀地層不同，由于全風(fēng)化花崗巖地層中含有大量小顆粒的高嶺土，導(dǎo)致地層孔隙率很低，滲透性很差，量級(jí)在10-4cm/s以下，漿液無法通過滲透作用在地層中擴(kuò)散，擴(kuò)散模式以劈裂注漿為主、壓密注漿為輔，最終形成支條狀的主次漿脈。

2)漿液選擇：由于高壓劈裂產(chǎn)生的土層縫隙寬度較大，對(duì)于采用超細(xì)水泥和普通水泥來說，注漿效果相差不大，將水泥和水玻璃按一定比例組成的雙液漿，可以通過調(diào)整配比控制凝結(jié)時(shí)間，對(duì)含水量較大的地層，堵水效果更好。

3)注漿工藝：一次性鉆孔注漿和袖閥管分段后退式注漿相比，一次性鉆孔注漿雖然施工簡便，但對(duì)于滲透系數(shù)不同的土層漿液注入不均勻，且容易發(fā)生漿液從注漿管與注漿孔間隙流出，無法達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力的現(xiàn)象，注漿地表需澆筑混凝土止?jié){盤，圬工量大；袖閥管注漿工藝相對(duì)復(fù)雜，但注漿效果能夠保證，可以分層重復(fù)注漿，保證地層中漿液填充率。

4)注漿效果：注漿對(duì)土體的抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗崩解性、滲透性等指標(biāo)均有改善，改善效果與漿液填充率有關(guān)，室內(nèi)試驗(yàn)表明，漿液填充率達(dá)到48%以上時(shí)，粘聚力可提高3倍，內(nèi)摩擦角可提高10倍，滲透性可降低至10-8cm/s量級(jí)[2]。

2 全風(fēng)化花崗巖引發(fā)的隧道工程病害

1)邊仰坡失穩(wěn)。

花崗巖地質(zhì)隧道洞口一般覆蓋有殘積土和全風(fēng)化花崗巖，且隧道邊仰坡常用噴錨防護(hù)，洞口淺埋段施工不可避免要對(duì)邊仰坡造成擾動(dòng)，引起地表及防護(hù)坡面微裂縫，如洞口排水不良，大氣降水沿地表裂隙滲入邊仰坡土體，一方面造成全風(fēng)化花崗巖軟化崩解，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低，另一方面，滲水將軟化后的石英砂粒沖走，使微裂縫寬度加大，形成滲水通道，噴錨面與被防護(hù)坡面之間形成空腔，造成坡面下沉開裂，如此惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致邊仰坡土體失穩(wěn)滑移。全風(fēng)化花崗巖隧道產(chǎn)生的邊坡失穩(wěn)事故比較常見，且往往發(fā)生在雨季，如福建漳州沈海復(fù)線高速公路A5標(biāo)寶豐隧道、長昆鐵路客運(yùn)專線湖南段寨子崗隧道、十堰至天水高速公路茶條嶺隧道等在修建過程中均發(fā)生過洞口邊仰坡失穩(wěn)情況。

2)洞內(nèi)塌方。

隧道掌子面開挖導(dǎo)致原狀全風(fēng)化花崗巖受到擾動(dòng)，圍巖進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整過程中產(chǎn)生塑性變形，致密的原狀圍巖產(chǎn)生裂隙后相互剝離形成砂性土，自穩(wěn)能力降低，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足或支護(hù)不及時(shí)，圍巖變形過大無法控制，容易導(dǎo)致坍塌。洞內(nèi)坍塌一般發(fā)生在拱肩、拱頂和掌子面，拱肩和拱頂坍塌主要原因是原狀全風(fēng)化花崗巖結(jié)構(gòu)致密，滲透性差，超前注漿效果達(dá)不到要求，無法形成承載拱，掌子面塌方的主要原因是未及時(shí)進(jìn)行封閉，臨空面內(nèi)壓力較大，或遇到上軟下硬圍巖，下部圍巖爆破對(duì)上部圍巖擾動(dòng)較大。實(shí)際工程中，隧道遇到全風(fēng)化花崗巖產(chǎn)生坍塌的例子并不鮮見，如岑溪至梧州高速公路牛嶺界隧道、深圳鹽田到壩崗高速公路段大梅沙隧道、河北省承德市隆化縣喇嘛梁隧道、北京八達(dá)嶺高速公路潭峪溝隧道、蕉嶺廣福至梅縣城東段廣福隧道、通平高速公路姜源嶺隧道、廣西平鐘高速公路水沖口隧道、江西大廣高速公路龍楊段九連山隧道、田師府至桓仁鐵路工程摩天嶺隧道等在修建過程中均發(fā)生過洞內(nèi)塌方情況。

3)涌水涌砂。

當(dāng)隧道周邊圍巖含水量增加時(shí)，全風(fēng)化花崗巖在水浸泡下不斷軟化崩解，當(dāng)含水量達(dá)到流塑狀態(tài)時(shí)，富水圍巖就會(huì)以清水或含砂水的形式沿隧道薄弱處涌出，形成涌水涌砂事故。發(fā)生涌水涌砂事故的隧道大多存在能夠持續(xù)補(bǔ)給的水源，如持續(xù)性暴雨、隧道周邊地表存在高位水塘、存在富水地層或存在斷層破碎帶等均可能導(dǎo)致隧道發(fā)生此類事故。貴廣鐵路東科嶺隧道、廈門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、廈門翔安海底隧道等在修建過程中均發(fā)生過涌水涌砂情況。

3 全風(fēng)化花崗巖隧道安全施工實(shí)例

為降低全風(fēng)化花崗巖不良地質(zhì)段的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，工程人員不斷分析以往隧道發(fā)生邊仰坡失穩(wěn)、洞內(nèi)塌方和涌水涌砂事故的原因，在實(shí)踐中獲得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一系列安全施工措施，并在后續(xù)類似工程中不斷完善和推廣，解決了許多隧道工程難題。

1)江門隧道[3]。

廣珠鐵路江門隧道洞身需下穿玉龍湖泄洪道，洞頂覆土小于3 m，屬于超淺埋大斷面隧道，穿越地層為上軟下硬全風(fēng)化花崗巖富水地層，施工難度極大，坍塌涌水風(fēng)險(xiǎn)極高。施工中采取了如下措施：在地表設(shè)置隔水層，保證地表水源暢通流過洞頂，防止地表水下滲；洞內(nèi)采用水平高壓旋噴樁+大管棚復(fù)合地層超前預(yù)支護(hù)措施，增大了洞頂土體強(qiáng)度，形成了止水帷幕；針對(duì)隧道掌子面圍巖上軟下硬的特點(diǎn)，開挖采用臺(tái)階法，控制臺(tái)階循環(huán)長度；增加鎖腳錨桿，加強(qiáng)監(jiān)控量測，控制爆破，減小擾動(dòng)。采用上述措施后，該隧道在通過泄洪道的開挖過程中，沒有發(fā)生任何事故，在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下，開挖進(jìn)度達(dá)到了0.6 m/d。

2)磨把公隧道[4]。

滬昆客專湖南段磨把公隧道洞身需下穿農(nóng)田及民房區(qū)，洞頂覆土最薄處僅有4.8 m，地表存在山間小溪和稻田積水，屬于高風(fēng)險(xiǎn)富水超淺埋全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)隧道。施工中采取了如下措施：將稻田積水排干、晾曬，對(duì)松軟地表進(jìn)行壓實(shí)，修筑截排水溝，對(duì)山間小溪、山坡匯水等地表徑流進(jìn)行改道，采用袖閥管對(duì)洞頂淺覆土體進(jìn)行地表注漿加固，洞頂實(shí)施井點(diǎn)降水，將地下水位降至隧道基礎(chǔ)以下，加強(qiáng)觀察，及時(shí)封閉地表裂縫；洞內(nèi)采用密排超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，環(huán)向間距25 cm，縱向間距50 cm，僅進(jìn)行填充注漿；對(duì)開挖輪廓線外3 m土體進(jìn)行徑向注漿，填充初期支護(hù)背后空隙，改良初期支護(hù)背后土體；對(duì)鋼架、鎖腳錨管等支護(hù)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)，局部變形較大地段增設(shè)臨時(shí)仰拱，增大預(yù)留變形量，避免初支變形侵限后換拱風(fēng)險(xiǎn)；做好洞內(nèi)引排水工作，容易積水的反坡地段設(shè)集水井進(jìn)行抽水；開挖采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，人工配合挖掘機(jī)進(jìn)行，控制循環(huán)進(jìn)尺，加強(qiáng)監(jiān)控量測。通過采取以上措施，本隧道施工期間未出現(xiàn)坍塌事故，施工進(jìn)度達(dá)到36.5 m/月，保證了施工安全。

3)夏茂隧道[5]。

向莆鐵路夏茂隧道出口段存在105 m長全風(fēng)化花崗巖不良地質(zhì)淺埋段，出口洞頂存在沼澤，常年有地表徑流，地下水位高于洞頂2 m，且洞口存在偏壓，為防止坍塌，施工中采取了多項(xiàng)綜合技術(shù)措施：洞口段采用40 m長大管棚，通過控制套拱剛度、管棚鉆孔方位和注漿飽滿度保證管棚打設(shè)質(zhì)量；洞外設(shè)置明溝截排水，洞內(nèi)采用鋼管超前引排水，洞內(nèi)設(shè)集水井抽排水，有效減少了洞內(nèi)積水；將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入施工管理，探測掌子面前方圍巖和富水情況，提前做好施工預(yù)案；保證超前小導(dǎo)管、拱架接頭及鎖腳錨管、縱向連接筋等細(xì)節(jié)的施工質(zhì)量；采用優(yōu)化的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，采用小型機(jī)械初步開挖，人工修邊，控制進(jìn)尺，及時(shí)支護(hù)閉合。通過以上綜合措施，本隧道安全進(jìn)洞，平均開挖進(jìn)度達(dá)到25 m/月～35 m/月，有效控制了地表沉降和凈空收斂值。

4 安全穿越全風(fēng)化花崗巖段的技術(shù)措施

通過總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)和筆者的工程實(shí)踐得出，當(dāng)隧道遇到全風(fēng)化花崗巖不良地質(zhì)時(shí)，確實(shí)容易引發(fā)工程地質(zhì)災(zāi)害和隧道病害，但成功案例表明，只要工程人員能夠引起重視，從設(shè)計(jì)、施工和管理方面采取措施，安全穿越全風(fēng)化花崗巖不良地質(zhì)段是完全可行的。具體措施如下：

1)合理選線，永臨結(jié)合，降低隧道邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

隧道線位的選擇應(yīng)盡可能避免長距離穿越全風(fēng)化花崗巖地層，如地表存在沖溝等容易積水的區(qū)域，應(yīng)盡可能避開，如無法避開，應(yīng)采取強(qiáng)有力的地表截排水和降水措施；應(yīng)合理選擇隧道明暗交界位置，避免高仰坡刷坡進(jìn)洞，可適當(dāng)接長明洞，待明洞施工完成，山體穩(wěn)定后再進(jìn)行暗洞施工；判定存在邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的洞頂滑坡體，應(yīng)采用土方卸載的方式，盡量選擇較緩的坡比，刷坡過程中盡量減少對(duì)洞頂原有植被的破壞，刷坡完成后應(yīng)進(jìn)行邊坡防護(hù)，噴錨臨時(shí)防護(hù)可局部使用，不宜大面積采用，永久防護(hù)可采用掛三維網(wǎng)噴播植草，不宜采用錨桿格梁防護(hù)。

2)洞外截水、井點(diǎn)降水、注漿堵水、鉆孔排水，多種措施防止圍巖軟化。

水是隧道最大的敵人，能否有效的對(duì)地表水和地下水進(jìn)行防排堵截，關(guān)系到隧道施工的成敗。對(duì)洞頂存在地表徑流的情況，可通過洞頂截水溝、導(dǎo)水墻等進(jìn)行截排，可在溝底鋪一層防水土工布，防止水流沿水溝裂縫下滲；對(duì)地下水位較高或存在持續(xù)性降水的富水區(qū)域，可通過洞頂井點(diǎn)降水措施降低地下水位標(biāo)高；洞內(nèi)出水量不大時(shí)，可通過注漿進(jìn)行堵水，漿液宜采用雙液漿；當(dāng)水量較大時(shí)，應(yīng)通過超前鉆孔排水，并盡快排至洞外，避免洞內(nèi)積水。

3)地表注漿、密排導(dǎo)管、洞內(nèi)管棚、高壓旋噴樁，超前預(yù)支護(hù)增大土層強(qiáng)度。

對(duì)無法成拱的淺埋段，強(qiáng)有力的超前預(yù)支護(hù)是保證洞內(nèi)施工安全的關(guān)鍵所在。全風(fēng)化花崗巖雖然表現(xiàn)為松散的砂土，但其實(shí)原狀土層并不松散，常規(guī)地表注漿作用不大，袖閥管分段后退式高壓劈裂注漿對(duì)該類地層適應(yīng)性較強(qiáng)，但筆者做過現(xiàn)場試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，注漿效果并沒有文獻(xiàn)[6]中的效果好，因此地表注漿不宜單獨(dú)使用；密排導(dǎo)管、洞內(nèi)管棚、水平高壓旋噴樁均有成功案例，預(yù)支護(hù)效果呈增強(qiáng)趨勢，造價(jià)也呈增長趨勢，實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)業(yè)主的承受能力及施工單位的施工水平合理選擇，施工中可通過現(xiàn)場試驗(yàn)段綜合確定超前支護(hù)方式。

4)加強(qiáng)支護(hù)，減少擾動(dòng)，合理選擇施工工法。

對(duì)于全風(fēng)化花崗巖不良地質(zhì)段，設(shè)計(jì)均會(huì)采用加強(qiáng)支護(hù)的措施，如采用雙層小導(dǎo)管、雙層初期支護(hù)、增加二襯厚度等，除此之外，要加強(qiáng)鎖腳錨管的強(qiáng)度和數(shù)量。隧道掘進(jìn)應(yīng)采用擾動(dòng)次數(shù)較少的施工工法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然是公認(rèn)的軟弱圍巖控制沉降和變形能力最強(qiáng)的方式，但工法繁復(fù)，作業(yè)空間小，支護(hù)閉合時(shí)間長，對(duì)施工單位的工藝水平要求高，對(duì)全風(fēng)化花崗巖隧道來說并非是最好的工法，特別是存在上軟下硬圍巖的情況，工法的選擇應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件綜合比選后確定，通過筆者的實(shí)踐，CRD法、側(cè)壁導(dǎo)坑法及環(huán)形開挖預(yù)留核心土法均可與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行比選。

5)加強(qiáng)管理，注重細(xì)節(jié)，深刻領(lǐng)會(huì)貫徹十八字方針。

對(duì)于全風(fēng)化花崗巖這種軟弱圍巖隧道，應(yīng)嚴(yán)格按照淺埋暗挖法的基本原則“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”進(jìn)行施工和管理，這十八字方針是隧道工作者在長期的工程實(shí)踐中以巨大的代價(jià)換來的軟弱圍巖隧道施工經(jīng)驗(yàn)，如果管理者能夠嚴(yán)格監(jiān)管，施工單位能夠貫徹執(zhí)行，就能夠以最小的代價(jià)安全快速通過不良地質(zhì)段，否則很可能因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致出現(xiàn)垮塌事故。

5 結(jié)語

全風(fēng)化花崗巖是一種不良地質(zhì)，具有孔隙率低、穩(wěn)定性差、易受擾動(dòng)、遇水軟化崩解等特性，當(dāng)隧道穿越該不良地質(zhì)層時(shí)容易出現(xiàn)邊仰坡失穩(wěn)、洞內(nèi)塌方及涌水涌砂事故。本文介紹的各項(xiàng)措施可以幫助工程人員安全度過不良地質(zhì)段，可為同類工程提供參考。