寶豐隧道球狀風(fēng)化核堆積體進(jìn)洞施工技術(shù)

李子杰

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建 福州 350014）

1 概述

福建省地表分布著豐富的花崗巖巖體，占有量大約為總面積的近一半。風(fēng)化之后的花崗巖形成了相當(dāng)厚的花崗巖殘坡積土，其厚度一般在20到35米之間，為福建工程建設(shè)中最為常見(jiàn)的巖體之一。根據(jù)花崗巖殘坡積土不均勻風(fēng)化的特點(diǎn)，必然在地表分布著大量球狀風(fēng)化的孤石。這些球狀風(fēng)化孤石的存在，使得工程巖體的不均勻性急劇增加。同時(shí)，花崗石含有豐富的長(zhǎng)石，經(jīng)過(guò)風(fēng)化后形成了高嶺土，從而造成了花崗石殘坡積土遇水軟化、流失的特點(diǎn)。所以，給隧道、邊坡及基礎(chǔ)工程施工增加了很大的難度。

漳州沈海復(fù)線高速公路A5標(biāo)寶豐隧道出口就遇到含大量孤石的花崗巖殘坡積層，該段隧道同時(shí)還具有富水淺埋等不利因素，在隧道前期施工中出現(xiàn)了地表下沉量大、初期支護(hù)變形大、進(jìn)洞施工困難等工程問(wèn)題。在認(rèn)真分析后，采用了相應(yīng)的施工方案和有針對(duì)性的施工措施，經(jīng)實(shí)施后取得了較好的效果。

2 工程概況

圖1 開(kāi)挖過(guò)程中遇到的孤石及孔洞

圖2 CD法施工工序示意圖

寶豐隧道全長(zhǎng)430m，左右洞呈分離布置，左洞ZK30+204～ZK30+652，長(zhǎng)448米，右洞YK30+195～YK30+607，右線412米。寶豐隧道區(qū)屬剝蝕區(qū)丘陵地貌，地表植被發(fā)育，地形起伏變化一般，山體較圓緩，天然山體坡度約15°-30°。進(jìn)口處地面高程70-72m，出口處地面高程59-61m，進(jìn)口段自然坡度15°-20°，出口段自然坡度20°-30°。

寶豐隧道出口為淺埋隧道，埋深約3～15m，開(kāi)挖后邊仰坡極不穩(wěn)定。表層覆蓋薄層的坡積粘性土，洞身處圍巖以殘坡積土-花崗巖風(fēng)化層為主，球狀風(fēng)化現(xiàn)象發(fā)育。圍巖呈碎、裂狀松散結(jié)構(gòu)，為軟～極軟巖，易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌。

同時(shí)球狀風(fēng)化核堆積體（大量孤石無(wú)序堆疊形成巖堆體）孤石間存在較大孔洞（見(jiàn)圖1），對(duì)邊仰坡穩(wěn)定造成較大影響。此外，地下水位較高，地下水豐富，且為沖溝匯集地，對(duì)進(jìn)洞施工造成了很大的困難。

3 主要工程問(wèn)題

3.1 前期施工方法簡(jiǎn)介

隧道施工初期，將開(kāi)挖外露的球狀風(fēng)化核堆積體孔洞封閉，并在拱頂鉆孔進(jìn)行注漿密實(shí)處理，由于孔洞及孤石較多，地質(zhì)情況不明，注漿未到達(dá)預(yù)期效果。之后采用套拱+大管棚支護(hù)，強(qiáng)行進(jìn)洞施工。

圖3 出口仰坡地表測(cè)點(diǎn)位置布置圖

表1 寶豐隧道出口地表仰坡測(cè)點(diǎn)位移表

由于開(kāi)挖后，邊仰坡土體自穩(wěn)性較差，且正處于福建閩南地區(qū)雨季期間，為保證套拱和管棚的施工，在開(kāi)挖的邊仰坡坡腳處打設(shè)2排間距、排距50cm的Φ108鋼管抗滑樁（在鋼管樁中插設(shè)2根Φ25鋼筋并灌注砼以增加其剛度）進(jìn)行防護(hù)。套拱管棚施工完畢后，采用原設(shè)計(jì)CD法進(jìn)洞施工（見(jiàn)圖2）。施工中初支采用I 20b工字鋼拱架，間距0.5m，噴射28cm厚C25混凝土，系統(tǒng)錨桿采用Φ25中空錨桿。單側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)洞至K30+582處發(fā)生局部塌方，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)洞施工。

3.2 施工過(guò)程中出現(xiàn)的主要工程問(wèn)題

前期施工方法在施工中出現(xiàn)了下列主要問(wèn)題：

1）由于花崗巖殘坡積土富水飽和，漿液注入量少，注漿加固達(dá)不到要求；

2）花崗巖殘積土在地下水的作用下軟化流失，強(qiáng)度低，自穩(wěn)性差，開(kāi)挖面極易坍塌；

3）地表出現(xiàn)嚴(yán)重的下沉（見(jiàn)表1）和開(kāi)裂（如圖4所示），且套拱下沉位移日益加大并產(chǎn)生裂紋；

4）初支變形大，部分初支砼產(chǎn)生裂紋。

5）CD法施工，中隔墻處孤石處理困難，且較為危險(xiǎn)。

3.3 成因分析

經(jīng)分析，施工過(guò)程中出現(xiàn)以上工程問(wèn)題主要是由下列原因引起的：

1）地層不均勻遇水軟化，土體自穩(wěn)性較差?；◢弾r殘坡積土風(fēng)化程度愈強(qiáng)，殘坡積土中高嶺土含量愈高。高嶺土吸水性強(qiáng)，遇水后易膨脹、軟化，強(qiáng)度急劇降低，自穩(wěn)性下降。

2）隧道埋深3～15m，屬于淺埋隧道。由于洞頂覆土層較薄，圍巖軟弱，自穩(wěn)能力差，施工時(shí)隧頂覆蓋層的擾動(dòng)很快影響到地表。在其影響下，一方面地表發(fā)生變形、開(kāi)裂，另一方面，受擾動(dòng)的洞頂覆土透水性增強(qiáng)，更加有利于地表水的滲入及地下水的流動(dòng)，加劇了花崗巖殘坡積土的軟化流失。

圖4 寶豐隧道仰坡裂縫照片

圖5 洞內(nèi)初支裂縫照片

圖6 套拱拱腳處裂縫照片

3）拱腳圍巖長(zhǎng)期受地下水浸泡，強(qiáng)度很低，易引起拱腳土體坍塌懸空、拱架持續(xù)下沉，表現(xiàn)為較快的拱頂下沉速率及較大的累計(jì)下沉量。

4）圍巖的不均勻性，導(dǎo)致球狀風(fēng)化孤石周邊地層松散，孤石向洞室方向移動(dòng)，引起初期支護(hù)局部應(yīng)力集中。受力不均及局部應(yīng)力集中加劇了初期支護(hù)的變形和破壞。

4 施工方案的選定

上述分析表明，隧道出現(xiàn)較大的地表沉降及初期支護(hù)變形，主要是由于圍巖的不均勻性（孤石較多），且圍巖在水的作用下軟化、自身穩(wěn)定性下降，強(qiáng)烈擾動(dòng)隧頂覆土，使透水性增強(qiáng)，洞頂仰坡位移增大，沉降開(kāi)裂。

根據(jù)分析的原因，可得出解決問(wèn)題的關(guān)鍵，一是抑制邊仰坡的位移變形，二是減少水對(duì)圍巖的不利作用。控制邊仰坡的位移變形，必須實(shí)施明洞先行施工的方案，使得邊仰坡體在明洞的支撐下達(dá)到穩(wěn)定的效果。減少水對(duì)圍巖的不利作用，可在進(jìn)洞前打設(shè)降水井并做好洞內(nèi)排水措施，將地下水排出，同時(shí)做好洞頂邊仰坡地表水的排除措施。

4.1 明洞施工方案

由于寶豐隧道出口邊仰坡土體松散且?jiàn)A有大量孤石，邊仰坡自穩(wěn)性較差，施工明洞仰拱必須先對(duì)邊仰坡土體進(jìn)行加固處理。經(jīng)過(guò)比較后，選擇了沿邊仰坡坡腳打設(shè)2排間距和排距為50cmΦ108鋼管（呈梅花型布置），在鋼管中加入鋼筋并灌注砼增加其剛度，達(dá)到穩(wěn)定邊仰坡的作用。同時(shí)，在施工明洞仰拱的過(guò)程中，為防止邊仰坡土體坍塌滑移，可跳槽進(jìn)行開(kāi)挖仰拱基礎(chǔ)，每次開(kāi)挖施工仰拱基礎(chǔ)3～5m，切忌大開(kāi)挖施工。明洞仰拱施工完成后，推入二襯臺(tái)車(chē)綁扎明洞鋼筋，澆筑明洞砼。待明洞砼養(yǎng)護(hù)齡期滿后，對(duì)明洞洞頂進(jìn)行回填壓實(shí)后，再進(jìn)洞進(jìn)行施工。

4.2 進(jìn)洞開(kāi)挖方案

采用原設(shè)計(jì)CD法進(jìn)洞施工，由于上下臺(tái)階較高，對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成較大影響。同時(shí)，由于孤石堆積體較多，處于中隔墻位置時(shí)，施工困難，且危險(xiǎn)性較高。故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法施工。

圖7 三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法工序示意圖

4.2.1 三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法

寶豐隧道三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法是以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開(kāi)挖面，有必要時(shí)可增加臨時(shí)支撐仰拱，各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)、平行推進(jìn)的隧道施工方法。

三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法具有下列技術(shù)特點(diǎn)：

1）施工空間大，方便機(jī)械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質(zhì)地段可以采用挖掘機(jī)直接開(kāi)挖，工效較高。

2）在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法。

3）適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支護(hù)工序操作便捷。

4）在臺(tái)階法開(kāi)挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，左右錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，利于開(kāi)挖工作面穩(wěn)定。

5）當(dāng)圍巖變形較大或突變時(shí)，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時(shí)間。

三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法可分為以下主要步驟：

1）上部弧形導(dǎo)坑環(huán)向開(kāi)挖，施做拱部初期支護(hù)；

2）中、下臺(tái)階左右錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖（相錯(cuò)2～3m），施做墻部初期支護(hù)：

3）中心預(yù)留核心土開(kāi)挖、隧底開(kāi)挖，施做隧底初期支護(hù)。每部開(kāi)挖后均應(yīng)及時(shí)支護(hù)，隧底初期支護(hù)后應(yīng)及時(shí)施做仰拱，盡早封閉成環(huán)。

4.3 支護(hù)方案

4.3.1 超前預(yù)加固

拱部120 ° ～150 °范圍內(nèi)采用φ50超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，小導(dǎo)管壁厚5mm，長(zhǎng)度5.0m，外插角15 °，環(huán)向間距30 cm，縱向3 m設(shè)置一環(huán)。超前小導(dǎo)管注漿采用水泥漿液，注漿壓力為0.5～1.0MPa，水灰比1：1。

小導(dǎo)管注漿按下述方法及要點(diǎn)進(jìn)行：

1）小導(dǎo)管加工。小導(dǎo)管采用外徑50mm、壁厚5mm的無(wú)縫鋼管制作，端頭加工成圓錐形并封焊密實(shí)，管身設(shè)4排溢漿孔，孔徑8㎜，孔距15cm，梅花型布置，后端1m范圍內(nèi)不設(shè)溢漿孔。管尾焊接φ8鋼筋加強(qiáng)箍。

2）鉆孔并安裝小導(dǎo)管。出口段主要為全風(fēng)化花崗巖，直接用風(fēng)鉆將導(dǎo)管頂人設(shè)計(jì)位置，而后用高壓風(fēng)進(jìn)行清孔。小導(dǎo)管頂人后外露初支面20～30cm，便于連接注漿管路。而后將小導(dǎo)管就近焊接于拱架上。

3）注漿。為防止壓力過(guò)大，壓裂作業(yè)面，注漿達(dá)到設(shè)計(jì)量即可停止；當(dāng)孔口壓力達(dá)到規(guī)定值但注漿量不足設(shè)計(jì)量時(shí)也應(yīng)停止。

4.3.2 初期支護(hù)

初期支護(hù)采用拱架錨噴支護(hù)，工字鋼架采用I20b工字鋼，榀間距0.5 m，焊接Φ25連接鋼筋，環(huán)向間距1.0m，掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20cm×20cm，噴射C25混凝土28cm。打設(shè)Φ25中空系統(tǒng)錨桿，通過(guò)注漿加固圍巖的同時(shí)起到系統(tǒng)錨固的作用，并在每個(gè)拱腳位置增加2根長(zhǎng)4.5m的φ50注漿錨管。

4.4 其他措施

1）排水。為使隧道中下部施工過(guò)程中不受到供部滲水的影響，應(yīng)在拱部設(shè)置獨(dú)立的排水系統(tǒng)，如在核心土位置上增設(shè)小型積水坑，將水直接排出洞外，能有效的降低圍巖與水的接觸。2）人員組織。采用襯砌和開(kāi)挖可混崗施工的作業(yè)人員，在施工襯砌時(shí)停止掌子面開(kāi)挖，這樣就能做到統(tǒng)一協(xié)調(diào)，保證人力的合理使用。

3）臨時(shí)封閉掌子面。

全斷面掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20cm×20cm；噴射C25混凝土10cm厚。為了能夠排水，封閉掌子面后設(shè)置泄水孔。

4.5 施工效果

采用措施后，隧道圍巖變形基本得到控制，取得了較好的效果。

5 結(jié)論

1）花崗巖殘坡積層中的球狀風(fēng)化孤石增加了地層的不均勻性，其內(nèi)長(zhǎng)石風(fēng)化而成的高嶺土遇水易軟化，在此類(lèi)地層中進(jìn)行隧道施工，首要要控制好地層變形，減弱圍巖擾動(dòng)導(dǎo)致的地層透水性增強(qiáng)、洞內(nèi)出水量增大以及孤石向洞室周邊移動(dòng)；此外，洞內(nèi)外均應(yīng)做好排水，盡量減少水與圍巖的接觸，減弱圍巖滲水對(duì)拱腳、臺(tái)階底部的浸泡、軟化及產(chǎn)生局部坍塌。

2）根據(jù)目前的施工情況分析，在這類(lèi)地層中施工，初期支護(hù)應(yīng)盡快封閉，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法有利于孤石的處理。

3）宜采用超前、徑向小導(dǎo)管注漿等加固措施提高圍巖自承能力，同時(shí)做好洞內(nèi)外排水措施，減少洞內(nèi)滲水。

[1]鄒振華，唐達(dá)昆，彭鋒.粘土孤石淺埋隧道施工技術(shù)[J].西部探礦工程，2001增刊（21）.

[2]隧道工程[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001（12）.