花岗岩全风化富水地层开挖技术研究

中铁五局一公司赣龙指挥部

摘要：花岗岩全风化富水地层浅埋隧道施工，开挖后岩体遇水呈散粒及流塑状，松散，施工中扰动后易崩塌分解，易形成流砂，支护困难；支护后，支护结构易变形、沉降、开裂甚至坍塌。本文拟通过对石笋山隧道进口DK230+040～DK230+100段60mⅥ级围岩施工过程工程措施介绍，总结通过花岗岩全风化富水地层浅埋隧道的工程处理措施。

关键词：花岗岩；全风化；富水地层；石笋山隧道；开挖技术

1 工程概况

新建石笋山隧道为赣州至龙岩复线铁路一座双线隧道，起讫桩号：DK229+945～DK234+757，全长4812米。隧道进口端地质情况复杂，地质条件差。洞身围岩设计为粉质粘土，粗角砾土和全风化的二长花岗岩。开挖揭示的地层为全风化二长花岗岩和硅钙质粉砂岩的接触带，岩性不均变化大，遇水软化，承载力低，地层稳定性差。

隧道进口DK229+945～DK229+990采用明挖法施工，DK229+990～DK230+040采用护拱+钻孔桩整体支护体系后进行暗挖法施工；95m明洞基底均采取了注浆处理。DK230+040～DK230+100段埋深12～18米，采用浅埋暗挖法施工。在导向墙、洞口长管棚施工过程中，出现大量涌水、涌砂现象，已支护完善边仰坡、上方地表下沉开裂严重，山体局部失稳，危及洞口上方小村庄。

参建四方研讨决定：DK230+040～DK230+100段围岩级别由Ⅴ级调整为Ⅵ级，采取地表袖阀管注浆加固地层及封闭地下水，加强洞内施工工程处理措施。

2 隧道支护措施

石笋山隧道进口DK230+040～DK230+100段Ⅵ级围岩，分别采用地表袖阀管注浆、地表井点降水；超前支护采用30mφ159洞口管棚和30m φ108洞身管棚、填充面以上全环设置φ42TSS注浆小导管；临时支护采用掌子面φ42中空玻璃纤维锚杆、掌子面网喷混凝土封闭、三台阶临时仰拱；初期支护采用HW175型钢（设扩大拱脚）、网喷混凝土、φ42系统锚管并进行径向注浆；基底φ108钢管注浆等措施。采用三台阶九步开挖法安全通过，并且地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等限差均在预留变形量范围之内。Ⅵ级围巖支护措施如图1所示：

图1 Ⅵ级围岩支护措施

2.1 地表袖阀管注浆

采用地表袖阀管后退式注浆，以达到控制地表下沉、加固地层土体及封闭地下水的效果。见图2《地表袖阀管注浆断面图》。

注浆采用规格为φ48mm×3.3mm袖阀管后退式注浆，钻孔间距1.5m×1.5m，梅花型布置，注浆范围为拱顶以上5米及仰拱基底以下5米。注浆采用水泥-水玻璃双液浆。水泥浆配比为：水泥∶水=1：0.8～1∶1（质量比），水玻璃与水=1：3.27（质量比），水玻璃浆液与水泥浆按照1：1体积比注浆。注浆顺序按照先外圈后内圈，间隔跳孔施作。

注浆效果：全风化花岗岩自密性较好，注浆浆脉随着构造节理、裂隙呈树枝状，只能达到渗透注浆的效果，对注浆体的压密效果较小。

图2 地表袖阀管注浆断面图

2.2 开挖方法

三台阶临时仰拱九步开挖法是以弧形导坑预留核心土法为基本模式，分上、中、下三个台阶九个开挖面。各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的施工方法。与三台阶七步开挖法区别在于开挖步骤分台阶先分台阶施作完成临时仰拱后，在开挖下一台阶。

三台阶临时仰拱九步开挖法施工步骤及注意事项：

（1）上台阶核心土顶面距离拱顶保持在1.8m左右，保证掌子面稳定及作为上台阶立架的作业平台。由于该隧道为全风化花岗岩，偶有硅钙质砂岩俘虏体，全部采用人工施工，各级台阶预留长度宜3～5m为宜，缩短人工运渣距离。

（2）三台阶临时仰拱九步开挖法中、下台阶左右两侧超前导坑小断面施工，既确保掌子面稳定，又作为超前排水坑道，确保了后续核心土的开挖。

（4）上台阶核心土在确保掌子面稳定前提下，尽量缩短核心土长度，及时施作临时仰拱，保证拱顶下沉及水平收敛。

（5）中、下台阶左右两侧超前导坑不得超过上、中台阶临时仰拱，且长度不得小于2榀临时仰拱（1m）。

（6）超前导坑水源直接用软管引排至已成型中心水沟，减小对仰拱及墙脚的浸泡。

图3 三台阶九步开挖法步序图

2.3 控制掌子面先行位移和挤出位移

设计Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法。实际开挖后，掌子面不能自稳，发生挤出及拱顶崩塌现象。

2.3.1 超前支护

隧道DK230+040～+100段Ⅵ级围岩，由于全风化花岗岩遇水软化，呈流塑状，超前管棚施作后成拱效应较差，调整为管棚+Ⅱ型超前小导管，内轨顶面以上拱墙设Ⅱ型超前小导管注浆加固，环向间距0.40m，小导管长3m，纵向间距1m/环。洞口Φ159管棚施作30m，DK230+067、DK230+074、DK230+081三处洞身采用Φ108管棚，管棚每环长度10m、10m、20m，环向40根。采用管棚+Ⅱ型超前小导管施作后，超前小导管钻设角度控制到位，成拱效应特点明显突出，并且控制了超欠挖。

2.3.2 掌子面锚杆及掌子面喷混凝土

施工过程中，掌子面不能自稳，发生挤出及拱顶崩塌现象，掌子面采用φ42中空玻璃纤维锚杆注浆加固。玻璃纤维锚杆长6m，每4m一环，搭接2m，间距1.5m×1.5m，梅花型布设；玻璃纤维锚杆钻孔过程如有出水，出水锚杆不进行注浆封堵，可采用滤管引排至已施作仰拱地段。

掌子面开挖进尺0.5m，开挖后及时网喷C25混凝土封闭掌子面，喷射混凝土厚度10cm。

2.4 初期支护措施

初期支护采用HW175型钢钢架，间距0.5m/榀，各台阶连接处设置扩大拱脚，钢架每个连接处设置两对4根4m长φ42注浆锁脚锚管，基底边墙脚每榀钢支撑设置4根4m长注浆锁脚锚管，锁脚锚管应与钢架有效连接。有效控制拱脚下沉。

开挖进尺每循环0.5m，开挖后视岩体稳定情况，是否采取初喷工序，初期支护拱墙喷射C30混凝土，厚度26cm，φ6钢筋网（网格间距25cm×25cm）。

系统锚杆采用φ42注浆锚管，长度4m/根，纵环向间距1m×1m，注浆锚管应与钢架有效连接。喷射混凝土完成后施作，待监控量测稳定后采取径向注浆。

3 监控量测的应用

监控量测是一项系统工程，监测工作的成败与监测方法的选取及测点的布置直接相关。石笋山隧道进口DK230+040～+100段Ⅵ级围岩，采用三台阶临时仰拱九步开挖法施工。

3.1 拱顶下沉及净空变化测点布置

《铁路隧道监控量测技术规程》监控量测测点断面间距布置Ⅵ级围岩为5～10m，施工过程中实际布置断面间距为3m。拱顶下沉测点和净空变化测点布置于同一断面，三台阶临时仰拱法测点布置为拱顶下沉每段面一个，净空变化每台阶一条水平侧线。测点采用Φ20钢筋埋设，采用全站仪+反光贴片非接触量测法。

3.2 地表沉降测点布置

地表沉降测点布置前，首先放样布置测点里程及布点范围，然后对测点布点处地表注浆止浆板进行凿除，确保沉降测点布置到原地层，真实反映沉降数据。地表沉降测点和隧道内测点布置在同一断面里程。纵向间距3m，横向间距3m（45°角范围）。

3.3 拱顶下沉及净空变化规律

图4 工序施工监控量测变化规律

（1）上、中、下臺阶初期支护钢支撑未重合之前

上台阶拱顶下沉及水平收敛，中、下台阶左右两侧超前导坑未与上台阶初期支护钢支撑重合之前，拱顶下沉及净空收敛值均在允许范围之内。

（2）中、下台阶开挖

中、下台阶左右两侧超前导坑一旦开挖，拱顶下沉立即加大，甚至超限，施工过程中，必须严格控制各级台阶核心土长度，及时施作临时仰拱，确保各级台阶闭合成环。

（3）仰拱开挖

仰拱开挖过程中，监控量测频率改为30分钟/次，监控量测控制仰拱施工过程。钢支撑每个连接处缩脚锚管、临时仰拱、斜撑等设置后，仰拱开挖沉降变形值在允许范围之内。

4 施工注意事项

（1）隧道施工中，应严格按照监控量测实施要求及时进行量测工作，施工过程中严格坚持以量测数据指导施工。

（2）严格控制隧道安全步距，按照规范要求及监控量测分析结果，组织仰拱、二次衬砌封闭成环。

（3）预留核心土长度依据监控量测数据进行控制，监控量测数据超限时，及时施作临时仰拱。

（4）临时仰拱的安装与拆除必须依据监控量测数据指导实施，不得为了确保施工操作便利等随意拆除临时仰拱。

5 结束语

隧道通过花岗岩全风化富水地层，特别是洞口浅埋地段，地层加固注浆极其重要。为了达到控制地表沉降、加固地层及封闭地下水的效果，石笋山隧道采用水泥-水玻璃双液注浆，较好的控制了注浆冒浆的现象；高度重视监控量测在软弱围岩隧道施工的重要性，严格依据监控量测数据指导施工，特别是核心土的预留长度，临时仰拱的安装、拆除时间控制方面；采用三台阶临时仰拱九步开挖法较好的控制了掌子面稳定，超前坑道对掌子面地下水源的超前引排等。

参考文献：

[1]铁道部经济规划研究院.TZ204-2008，铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社：中国铁道出版社，2008.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程范[S].北京：中国铁道出版社：中国铁道出版社，2007.

[3]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术.人民交通出版社，2011年.

作者简介：

陈庚，性别：男，年龄：35岁，技术职称：工程师，工作单位：中铁五局一公司赣龙指挥部，联系电话（手机）：15185051799，通信地址：福建省龙岩市古田镇上郭车村中铁五局赣龙铁路GL-5标工程指挥部。