全风化花岗岩浅埋富水隧道开挖施工技术

1、工程概况

隧道岩层主要为元震旦系变质板岩和黄茅园超单元黑云母二长花岗岩；斜井为剥蚀低山，主要出露岩性为黄矛园超单元桃树湾（TIT）细~中粒黑云母二长花岗岩，块状构造，矿物成分为钾长石、斜长石、石英和黑云母，岩体较硬、完整，局部沿断层和节理裂隙发育不均匀风化，断层带附近岩体风化强烈，隧道施工应加强防护措施。

斜井洞顶自XDK0+266～XDK0+559约293m现场地表为水田，线路纵向为25°～35°的缓坡，以阶梯稻田为主；斜井洞身在XDK0+240～XDK0+300线路穿越夹沟，夹沟为水田，旁有溪流汇合于下游30m开始，流经袁家溪村长冲组至沟渠。

2、工程施工难点

2.1 地下水丰富，围岩软弱自稳能力差

隧道洞身位于浅埋冲沟内，拱顶最小埋深7.0m，地表为淤泥质粉质黏土，厚 3~4.5m，以下为全风化、强风化、弱风化花岗岩。全、强风化花岗岩主要由黑云母组成。在掌子面开挖过程中，围岩表面有面状渗水，局部地方有股状流水，随着时间的延续，围岩表面渗水逐渐加大，在水的作用下，围岩易软化，围岩由硬塑变为软塑状态，甚至变为流塑状态，造成掌子面易溜坍，施工极其困难。

2.2 管棚，超前小导管及喷射砼施工难

钻机钻孔完成后，在清孔过程中，由于地下水的作用，孔壁表面的花岗岩颗粒脱落或塌孔，钻孔难于清理干净，导致管棚钢管或小导管顶进困难，注浆时，水泥浆也易被水流带走，注浆效果差。喷射砼时，围岩表面渗水，表面软化，喷射砼难于粘附在围岩上，喷上的喷浆料与表面的围岩一起滑落，喷砼难度大。

掌子面涌砂图

2.3 沉降变形大

隧道开挖采用三台阶七步法施工，虽然每台阶开挖在每侧拱脚增加了2组斜向45度的锁脚锚杆，拱顶下沉及收敛较大仍然较大，尤其是下台阶和仰拱开挖时，变形更大，仰拱施工完成后，拱顶下沉及收敛逐渐稳定。部份地段因变形过大，导致初期支护侵限，还需进行换拱等作业。

收敛过快加横向支撑图

3、施工方案确定

全风化、强风化花岗岩在干燥状态下，较为密实，自稳能力好，常采用环形开挖预留核心土法或三台阶法施工，每天可掘进2个循环。该隧道浅埋段位于冲沟内，洞顶为当地村民农田，地表水与地下水丰富，在隧道超前预支护施工中，管棚、超前小导管和径向注浆不能完全阻断地下水的渗出，围岩表面及裂隙渗、流水现象仍然明显，而且随着时间推移，渗水现象不断加大。在小导管施做过程中，常常会有积水从小导管内流出，围岩渗水明显。

洞身管棚图

由于围岩遇水软化，自稳能力差，初期支护变形大，隧道施工相当困难。根据隧道施工情况，结合地表地形地貌，确定了采用洞内超前注浆和井点降水的施工方案，隧道开挖采用三台阶开挖预留核心土法施工。隧道开挖后及时落底，封闭成环，施工仰拱砼，待初支稳定后，施工二衬砼。

4、超前注浆

普通水泥-水玻璃双液浆，它是以水泥和水玻璃为主剂，必要时在水泥浆中加入一定量的外加剂，用双液方式注入地层的注浆材料。这种浆液最主要的优点是流动性好，凝胶时间可控制，堵水率较高。

在掌子面施作超前小导管间距40cm，长度3.5m，全环布设，每环小导管搭接长度不小于1m，外插角控制在5°～10°为宜。

通过小导管注浆来稳固地层，防止隧道开挖爆破时造成的拱部坍塌。超前小导管采用长3.5m，型号为φ42×3.5mm的热轧无缝钢管，在钢管上钻孔，孔径10～16mm，孔距15cm，梅花形布设。注浆前对于强行打入的导管，先用高压水冲洗清除管内集物，然后再注浆。注浆由下向上进行。浆液用拌合机拌合，注浆机注浆。 

小导管图

注浆完成后，开挖时可以明显观察到注浆效果，滑层掉块及掌子面渗水现象减弱。

注浆效果图

5、井点降水施工

井点降水点的设置：隧道沿掌子面前进方向为10%的下坡，在掌子面沿隧道前进方向打设Φ108无缝钢管，钢管总长度为20m，在尾部5m钻5mm的小孔，间距30cm，梅花形布设，以便洞内积水渗入钢管之中，钢管位置设在掌子面右下方。在打设过程中，现场要做好不同深度的渣样记录。

井点降水及渣样图

6、隧道开挖及初期支护

井点降水实施后，洞内渗水现象明显减弱，掌子面较为干爽，隧道为单线铁路隧道，开挖断面小，采用环形开挖预留核心土方施工。环形开挖预留核心土法是在上部断面以弧形导坑领先，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法。在施工时环形开挖预留核心土每部开挖进0.6m（即按设计钢架间距为一榀），开挖完成后及时施作喷锚支护、安装钢架支撑，每两榀钢架之间采用钢筋连接，并加锁脚锚杆。上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开 3~5m 进行平行作业。

三台阶预留核心土开挖图

6.1 上台阶开挖及支护

上台阶开挖时，每三榀钢拱架施工一环长3.5m的φ42超前小导管，间距 30cm，外插角5~10 度，并进行超前注浆，单液水泥浆，注浆压力0.5~1.0mpa。注浆完成后，对隧道进行开挖修边，复核开挖轮廓线后，对围岩表面进行初喷4cm的喷射砼，施做径向中空注浆锚杆或砂浆锚杆，挂设钢筋网片，安装I16工字钢架支撑，钢架间采用Φ22纵向钢筋连接，并用锁脚锚管固定并注浆。

锁脚注浆图

6.2 下台阶开挖及支护

上台阶开挖3~5m后，施工下台阶，每次1榀，左右两侧错开，每榀钢拱架增设一对锁脚锚杆，以减小仰拱开挖时围岩下沉过大。

6.3 仰拱开挖及支护仰拱开挖长度控制在3m左右，开挖后喷射 10cm厚的喷射砼，然后连接仰拱钢拱架及纵向连接筋，复喷砼，绑扎仰拱钢筋，浇筑仰拱砼。

7、围岩监控量测 

7.1 浅埋段地表下沉量测

地表下沉量测断面宜与洞内水平净空变化和拱顶下沉在同一横断面内，横断面方向在隧道中心及两侧间距2~5m施设下沉点，每断面施设11个测点，监测范围在隧道开挖影响范围以外。地表下沉量测在开挖面前方隧道埋置深度与隧道开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。地表下沉量测频率和拱顶下沉和水平净空变化的量测频率相同。

7.2 净空水平收敛量测

隧道最大跨处及以上，左右两侧3m对称布置量测桩，每个量测断面设5个收敛桩，量测断面间距5m。采用全站仪进行量测，开挖后按要求迅速安装收敛桩并编号，初始计数在开挖后12h内读取，最迟不得大于24h，而且在下一循环开挖前获取初始读数，测点应牢固可靠，易于识别并妥为保护。

7.3 拱顶下沉量测

拱顶设一个下沉桩，量测断面间距5m。喷射砼在测点处设固定桩，采用全站仪进行量测，在两端洞口处各设一水准基点供洞内拱顶下沉量测用，量测频率及其它要求同净空水平收敛量测要求。

7.4 量测频率

净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的频率，如表 1。

表1（B 为隧道开挖宽度）

变形速度

结语 

在全风化花岗岩浅埋富水的隧道施工中，通过洞内超前注浆和井点降水措施，解决了洞内全风化花岗岩遇水软化的问题，保证了隧道开挖的正常施工。隧道开挖施工进度达到每天2个循环，施工进度接近正常段隧道开挖进度，施工进度大大提高，为今后类似地质情况隧道开挖提供了经验。