浅淡全强风化花岗岩地层隧道施工难点及防护措施

时间：2024-07-28

付伟庆

(中铁二十四局集团新余工程有限公司, 江西新余 338025)

付伟庆

(中铁二十四局集团新余工程有限公司, 江西新余 338025)

随着我国交通运输业的不断发展，铁路隧道逐渐向偏远山区及复杂地质段延伸。在富有全强风化花岗岩的地质段进行隧道施工时会遇到各种各样的施工难题，文章参考以往工程实践中隧道施工遇到的难题，结合大临铁路勐麻1号和勐麻2号隧道的施工过程，并根据现场施工经验对全强风化花岗岩隧道的施工难点及防治措施进行探讨，为类似工程实际提供理论依据和经验。

铁路隧道；全强风化；花岗岩；施工难点；防治措施

花岗岩是隧道施工中常见的一种地层岩性，在我国华南及西南地区分布较为广泛[1]。对于全强风化花岗岩，其节理裂隙发育，导致花岗岩的结构、构造遭到破坏，遇水后软化，且受开挖扰动后呈砂状，强度和稳定性也大大降低[2-3]。

在国内，针对全强风化花岗岩的力学特性、灾害控制、施工技术开展了很多的研究工作，王明年[4]等对厦门翔安海底隧道穿越全强风化花岗岩地段的CED法施工控制基准进行了研究，得出CRD1部和CRD3部拱顶竖直位移约为200 mm和130 mm;燕全会[5]基于莲花山1号隧道进口段的施工对富水全强风化花岗岩地段隧道施工技术进行了探讨，验证了双侧壁导坑法在该类岩石地层中施工的可行性，按此工法施工，平均月进尺可达35 m/月；袁敬强[6]等对全强风化花岗岩隧道突水灾害机制及治理技术进行了研究，提出了“以堵为主、堵排结合、分区治理、动态施工”的总体治理原则；汪珂[7]等对强风化花岗岩隧道水平旋喷桩预加固效果进行了分析，得出采用43根旋喷桩对隧道拱顶进行加固后拱顶围岩位移显著减少，提高了围岩的稳定性。

现阶段对于全强风化花岗岩地段隧道施工的研究尚有许多不足之处，对施工难点及其对应的解决措施研究相对较少，本文结合云南大临铁路勐麻1号和勐麻2号隧道的施工过程，根据其在施工过程中遇到的难题及解决措施等问题展开讨论，进而对全强风化花岗岩地段隧道设计和施工起指导作用。

1 工程概况

云南大临铁路是我国西部铁路交通发展的一条重要路线，其中勐麻1号和勐麻2号隧道位于云南省临沧市，勐麻1号隧道位于息铺站和临沧站之间，全长2 320 m，隧道洞身最大埋深约174 m，洞身有两处浅埋段，最小埋深约7 m，穿越全强风化花岗岩地层长2 057 m，约占总长89 %；勐麻2号隧道位于息铺站和临沧站之间，全长253 m，最大埋深约46 m，穿越全强风化花岗岩地层长253 m，占总长100 %。

隧道围岩主要包含粉质黏土、细圆砾土、卵石土、细粒含黑云花岗岩和细粒黑云斜长花岗岩，围岩级别为Ⅴ级，其物理力学参数见表1，其洞身的支护参数见表2、表3。

表1 围岩的基本物理、力学参数

表2 勐麻1号隧道结构支护参数

表3 勐麻2号隧道结构支护参数

2 施工难点

2.1 突水突泥

全强风化花岗岩在富水段进行隧道开挖时极易发生突水、突泥等灾害，且灾害一旦发生演化速度极快，影响范围较大。广西山心隧道在全强风化花岗岩地段施工时曾多次发生突水状况(图1)，其形式包含初支垮塌、掌子面涌水、洞内塌方、涌水突泥、特大突涌水以及地表坍塌等多种类型，在某次突水灾害中最大突水量达1 280 m3/h，期间累计突水量达25×104m3，淤积泥沙约2 500 m3，造成了巨大的经济财产损失与不良社会影响。该特大灾害的诱发因素为水压较大、地下水丰富且地层水稳定性差。

图1 广西山心隧道突水示意

厦深铁路梁山隧道全长9 888 m，埋深为26 m，在DK96+505～DK96+530里程段发育有富水全强风化花岗岩软弱带，长度约为25 m，隧道开挖到软弱带时发生了严重的突水突泥灾害，涌泥量高达3×104m3，淤积隧道长度230 m，致使地表塌陷，陷坑深度20 m。

2.2 边坡失稳

贵州省某高速公路隧道经过区间围岩多为全风化花岗岩，全风化花岗岩由于云母含量较高，结构松散，水稳性差，所以边坡容易发生滑坡，有些边坡在施工过程中出现失稳滑塌(图2)。

图2 贵州省某隧道边坡失稳滑塌示意

某高速公路位于安徽省南部山区，隧道切坡后形成大量全强风化花岗岩边坡，此类边坡岩体松散破碎，水稳性差，抗冲刷能力较弱。

在自然状态下，边坡岩土体处于受压状态，无明显拉应力区和应力高度集中现象，边坡多数能保持自身平衡；在开挖状态下，由于边坡所处地段岩体多为全风化花岗岩，岩体受开挖扰动而松动，当其扰动范围较大，边坡岩土体无法维持自身平衡稳定，就容易产生滑坡。在实际工程中，边坡失稳多数是由于开挖强度较大或者开挖后支护不及时造成的。

2.3 隧道洞室无法自稳、坍塌、冒顶

工程实践表明，当花岗岩处于全强风化程度时，其对隧道施工会造成系列工程难题，围岩呈砂土状，稳定性与含水量密切相关。当含水量较低时，围岩开挖易滑塌，当含水量较高时，围岩体现出蠕变特性，因此围岩变形控制难度较大，施工风险较高。此外，围岩致密，渗透系数较低，施工注浆固结效果难以控制。实际上，全强风化花岗岩地层隧道施工坍塌的工程实例也较为普遍，给施工造成极大的技术困扰。如依托工程云南大临铁路勐麻1号和勐麻2号隧道，在修建时大量的掌子面产生变形较大、坍塌等现象。如图3所示，在里程DK203+992.2处出现了严重的掉块与坍塌现象。深圳市白石岭大断面公路隧道，在全强风化花岗岩及第四坡系、残积土施工中遇到花岗岩微风化球体的不良影响，出现了大范围的洞室坍塌、冒顶等事故，导致隧道施工中断，大大影响工期。

图3 勐麻1号隧道洞室坍塌变形示意

3 对应解决措施和实施效果

3.1 突水突泥灾害防治措施及实施效果

针对广西山心隧道突泥突水灾害，经综合考虑隧道施工与地表生态环境安全，坚持“以堵为主、堵排结合、分区治理、动态施工”的总体治理原则，优化确定复合帷幕注浆、全断面帷幕注浆与动态施工的协同治理技术体系。帷幕注浆是指在具有合理孔距的钻孔中注入浆液，使各孔中注浆体相互搭接以形成一道类似帷幕的混凝土防渗墙，以此截断水流，从而达到防渗堵漏的目的。其中，对于轻微扰动及低水压地段可采用传统的全断面帷幕注浆，而对于扰动较大、水压较高，渗流速度快的地段则需采用复合帷幕注浆，即首先在隧道开挖轮廓面使用化学浆形成止水圈，然后使用水泥浆加固地层。经处理后，隧道开挖表明，掌子面中形如树根状的的浆脉相当密集，渗水量大大减小，堵水率高达90 %。

对于深埋隧道富水滑动型软弱带，如厦深铁路梁山隧道全强风化花岗岩软弱带的突水突泥灾害，采用“排水降压、旋喷加固、超前管棚”的综合治理方案。在隧道富水地段增设排水沟，采用旋喷柱对拱顶进行加固，或使用超前管棚对隧道进行超前支护。经试验，采用旋喷加固拱顶并增设排水沟是最有效的防治措施，其涌水量从45 m3/d降低到7.8 m3/d，隧道整体稳定性得到了很大的提高。

3.2 边坡失稳防治措施及实施效果

隧道边坡防护应抓紧防护，减少暴露面和暴露时间。安徽省南部山区某高速公路一级边坡采用锚杆框架+绿化护坡支护形式；二级边坡可采用砂浆锚杆对隧道边坡进行加固；对于三级边坡，则采用挂钢筋网、喷射混凝土、植草护坡。针对贵州省某高速公路隧道，其边坡已经出现裂缝或者垮塌，经研究决定使用纯水泥浆或者水泥砂浆进行封堵，沿着裂缝或者垮塌面采用φ42钢管注浆加固破面；在地下水较为丰富的地段，由于全强风化花岗岩水稳性较差，若出现边坡失稳或垮塌，需预留排水孔或排水沟进行排水；而当边坡已经垮塌时则采取重新刷坡方式进行处理。经有效地护坡及加固措施后，隧道洞身段及洞口段边坡涌水量大大降低，不再出现在雨水和地下水的冲刷下失稳滑坡等现象。

3.3 隧道洞室无法自稳、坍塌、冒顶防治措施及实施效果

针对隧道坍塌变形、冒顶等现象，深圳市白石岭大断面公路隧道采用采用“高扬工法”进行治理与防护。经监测，处理前拱顶累计下沉为76 mm，处理后拱顶累计下沉仅为12 mm，从而确保了支护结构的安全稳定。经实践证明，该工法安全可靠，施工相对简单，可在类似工程中推广应用。

此外，可采取旋喷桩对隧道拱顶进行加固。旋喷桩在拱顶形成的混凝土壳体一定程度上提高了围岩的整体性，使得隧道在开挖过程中的沉降变形主要表现为旋喷桩壳体的纵向挠曲变形。拱顶水平旋喷桩的沉降值主要发生在仰拱开挖机阶段，而拱脚水平位移在3个开挖阶段的变化并不明显，说明设置一定数量的旋喷桩对控制上部围岩的沉降是有明显作用的。勐麻1号和勐麻2号隧道在全强风化花岗岩地层地段隧道的施工中，采取了适当的超前预加固措施、选用合理预加固参数及注浆工艺对隧道进行超前支护，并采取旋喷桩对隧道拱顶进行加固处理，进而有效地控制了隧道的坍塌、掉块、大变形等灾害。目前勐麻2号隧道已经贯通，其洞室变形已经得到有效控制，勐麻1号隧道洞室坍塌、掉块及无法自稳现象也得到了改善。