全风化花岗岩铁路隧道施工关键技术研究

全风化花岗岩铁路隧道施工关键技术研究

丁飞

中煤第三建设（集团）有限责任公司安徽合肥230000

摘要：地下水侵蚀严重的全风化花岗岩地质，初始状态下虽保留岩石外貌，但内部结构已完全破坏，在开挖过程中极易垮塌，该类岩体渗透系数低，普通水泥注浆方法难以凑效。施工中，应对隧道围岩采取化学浆液劈裂注浆预加固，并施以长管棚预支护，洞身采用三台阶临时仰拱法施作，并结合实际适当采取其它疏水措施，可取得良好的效果。

关键词：全风化花岗岩隧道富水注浆

1、引言

近些年我国铁路建设快速发展，铁路隧道的建设任务逐年攀升，隧道成为了控制全线工期的关键节点。尤其在南方多山地区，各种复杂地质如高压富水、软岩破碎、裂隙断层等较为常见，由于技术储备的不足会导致塌方、突水、甚至关门等各种安全事故的发生。本文作者长期任铁路隧道工程技术总工，拥有较为丰富的复杂地质隧道现场处置经验，本文从基本理论切入、以工程实践为依托，阐述了软弱破碎围岩铁路隧道变形控制关键技术，希望值得广大技术人员参考借鉴。

2、全风化花岗岩的工程特性

花岗岩属火成岩，以石英、长石和云母为主要成分，新鲜的花岗岩体结构致密、质地坚硬，抗压强度达100N/mm2以上，我国东南山区分布较广。而由于受到各种地上及地下环境的影响，自然界中的花岗岩体会呈现出不同程度的风化，这种风化程度与岩体埋深并没有必然联系，主要与受侵蚀程度有关。

在铁路隧道建设领域中，最让技术人员头痛的是受地下水侵蚀严重的全风化花岗岩，其初始状态下岩体保留岩石外貌，但内部结构已完全破坏，仅留残余结构强度，同时由于地下水的参与，该类岩体在开挖过程中极其容易产生垮塌等安全事故。

技术人员在处理全风化花岗岩时，多数采用普通水泥注浆固结的方法，但收效甚微。主要原因在于全风化花岗岩体虽然强度低，但结构并不松散，渗透系数仅为0.05m/d左右。经工程实践，采用普通水泥渗透式注浆时，浆液无法达到满意的扩散效果。

3、全风化花岗岩隧道施工主要难题

富水全风化花岗岩地层隧道工程施工时，最先需要解决的是围岩的预加固，其次才是结构支护。也就是说，处理此类地质隧道时应先对围岩裂隙水进行适当封堵、引排，并使岩体固结获得一定的自稳能力，最后再加强支护增加结构整体抗变形能力。根据国内现有工程实践经验，全风化花岗岩地层隧道施工时需要注意以下问题：

拱顶大面积掉块，掌子面涌砂、失稳坍塌。

超前注浆难度大，浆液难以进入，效果差。

仰拱开挖后积水，围岩及初期支护结构下沉变形。

4、全风化花岗岩隧道主要工法

针对全风化花岗岩岩体隧道施工，按工艺逻辑顺序，采取如下工法

洞身开挖前，对掌子面前方及周边围岩采取化学浆液预加固，并施以洞身长管棚预支护。

洞身开挖时，采用三台阶临时仰拱法施作，其中中台阶、下台阶还可以进一步采取左、右交替的作业方式。

地下水充分发育的特殊地段，还应根据隧道的埋深等情况适当引用井点降水或其他疏水措施。

4.1超前周边围岩注浆工法预加固

4.1.1孔位布置：

超前周边预注浆就是要使浆液扩散到注浆孔周边范围所有岩层裂隙中，注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则，注浆孔以隧道中轴为中心呈伞形布置。

4.1.2钻孔

（1）先根据设计图孔位、钻孔参数，在工作面上放出钻孔位置，并用油漆标定。

（2）调整钻杆的仰角和水平角，移动钻机，将钻头对准所标孔位。

（3）将棱镜放在钻杆的尾端，用全站仪检查钻杆的姿态，并进行调整。

（4）根据探孔预测结果，决定是否采用孔口管。对探孔预测水压较高（P≥1.0MPa）、且水量较大区域，采用孔口管注浆，否则采用止浆塞止浆方式注浆。

（5）钻孔按先外圈、后内圈的顺序进行。钻孔时，严格作好钻孔记录，包括孔号、进尺、起讫时间、岩石裂隙发育情况、出现涌水位置、涌水量和涌水压力。施钻过程中，若单孔出水量小于30L/min，可继续施钻；若单孔出水量大于30L/min，立即停钻进行注浆。

4.1.3浆液选择及注浆方式

我国南方山区的全风化花岗岩地层富水可能性较大，一般较多采取分段前进式注浆，即钻孔过程中遇到涌水，停止钻孔，采取注一段钻一段的分段前进式注浆，直至终孔。

富水段全风化花岗岩注浆浆液应采用化学浆液劈裂式注浆，浆液由主剂、固化剂、溶剂、助剂等混合而成。主剂一般采用水泥或环氧浆液，固化剂为水玻璃，溶剂为水或丙酮，助剂为催化剂，各种材料配比根据工程试验确定。在此值得一提的是，曾闻煤矿建井领域有一种名为“波雷音”的材料，也可用于注浆固结软弱岩体，但由于本文作者并未亲身实践，其真实效果不得而知。

4.1.4注浆参数选择

每一循环注浆长度为30m，开挖25m，保留5m长止浆岩盘；第一循环采用5m厚C20混凝土止浆墙。

（1）注浆开孔直径110mm，长度为3m；孔洞剩余部分直径为91mm

（2）单孔有效扩散半径为3.0m

（3）注浆范围为隧道开挖轮廓线外5m

（4）注浆压力：在全风化花岗岩地层注浆，浆液都是在压力作用下，以劈裂的方式进入地层，形成树根状浆网，最终在水玻璃的作用下提前凝结硬化，起到固结岩体的作用。由于水玻璃作用时间迅速，如果没有足够的压力使浆液迅速到达岩体深层，那么浆液即会提前凝结硬化，从而使效果大打折扣。所以化学浆液的劈裂注浆压力需要经过多次试验获得，一般来说，全风化花岗岩地层注浆压力不低于1.5Mpa。

4.2洞身长管棚工法预加固

洞身长管棚不仅适用于地下水发育的全风化花岗岩地层，还适用于断层破碎带、浅埋偏压、易塌方地层。

4.2.1管棚设计参数

（1）钢管规格:热扎无缝钢管及钢花管，外径89mm，壁厚5mm，每节钢管两端均预加工成外丝和，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%。

（2）管距:环向间距中至中40cm。

（3）倾角:外插角3～5度，有条件设置管棚工作室时应优先设置，尽量减少管棚外插角，确保支护效果。

（4）钢管施工误差:径向不大于20cm，相邻钢管之间环向不大于10cm。

（5）钢管上钻注浆孔，孔径10～16mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段150cm。

4.2.2注浆参数

（1）水泥浆液水灰比:1:1（重量比）

（2）注浆压力:1.0～2.0MPa。

注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验。注浆结束后用M7.5水泥砂桨充填钢管，以增强管棚强度。

注浆量计算

注浆量Q=πR2Lαη

Q—单孔注浆量（m3），R—浆液扩散半径（m）取0.6倍管中心距；

L—注浆孔长（m），η—地层的裂隙（％），全风化取2%；

α—浆液在岩石裂隙中的充填系数，视岩石情况取0.85；

4.2.3施工要点

（1）管棚为超前预支护，应在隧道洞身开挖之前完成。

（2）管棚需按设计位置施工，注意运用测斜仪进行钻孔偏斜度测量，严格控制管棚打设方向，并作好每个钻孔地质记录。

（3）为保证管棚支护效果尽量减小管棚的外插角，可在型钢钢架腹板开孔以穿管棚。

（4）管棚注浆前，应向开挖工作面、拱圈及空口周边喷10cm厚混凝土，防止钢管注浆时浆液向开挖面缝隙跑浆。

（5）选用钻机首先应适合钻孔深度及孔径的要求，钻机要求平稳灵活,能在水平方向360度范围内钻孔，施钻时应有导向架。

（6）管棚施工地段，应根据《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》有关规定，加强监控量测保证施工安全。

4.3三台阶临时仰拱工法开挖

三台阶临时仰拱工法适用于V级围岩浅埋、全风化岩层，断层破碎带等地段。该工法在大变形风险隧道施工中有明显的效果。

4.3.1施工工序

（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护，开挖上台阶核心土；紧接施作上部导坑周边的初期支护，即喷射混凝土，钻设锚杆、挂网、架立钢架；再施作上台阶部临时仰拱，导坑底部铺设钢支撑，喷混凝土，最后在上台阶中部设置竖向支撑。

（2）在滞后于上台阶一段距离后，开挖中台阶核心土；紧接施作导坑周边的初期支护，即喷射混凝土，钻设锚杆、挂网，架立钢架；再施作中台阶临时仰拱，导坑底部铺设钢支撑，喷混凝土，最后在中台阶中部设置竖向支撑。

（3）在滞后于中台阶一段距离后，开挖下台阶核心土；紧接施作导坑周边的初期支护，即喷射混凝土，钻设锚杆、挂网，架立钢架；最后开挖仰拱，及时封闭初期支护。

（4）浇筑仰拱混凝土。

（5）浇筑仰拱填充。

（6）根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后,利用模板台车一次性浇筑二次衬砌衬砌。

4.3.2施工要点:

（1）施工时应坚持“短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

（2）上台阶每循环开挖支护进尺不应大于一榀钢架同距，边墙每循环开挖支护进尺不得大于两榀钢架间距；隧道开挖后，初期支护应及时封闭成环，距离掌子面不大于35米。

（3）及时进行仰拱施作，仰拱每循环开挖进尺不得大于3m,仰拱与掌子面的距离不大于40m。

（4）二次衬砌距掌子面的距离不大于70m。

（5）工序变化处钢架应设锁脚钢管且注浆。

5、疏水、堵水措施

5.1疏水

当对掌子面前方围岩已采取各种注浆加固，但洞身开挖后围岩表面仍然有大股水流时，应采取“以疏为主”的原则，避免封堵水路。并根据股水流量，采用不小于其通道过水断面的PVC管（外套钢管），沿隧道开挖线外缘分别连通被截断的进、出水口，并做好好管口连接点的密封，连接管与隧道初期支护外缘间应有不小于5cm的喷砼层。

5.2堵水

当洞身开挖后，围岩仅有裂隙股状出水（如图-2）或点、线、面状淋水（如图-3）时，可采用注浆堵水措施。

注浆堵水注浆参数如下：

（1）孔口间距1～1.5m，注浆孔孔径为50mm，根据现场情况可造当调整。

（2）单孔扩散半径2m，注浆孔与出水裂隙面尽量大角度相交。

（3）注浆压力0.5～1.0MPa。

（4）注浆材料，可用纯水泥浆液或特种浆液，如无收缩多液固堵剂、发泡注浆抢堵剂、TGRM固结剂等。

（5）注浆完成后，在出水点中心打设检查孔，检测注浆效果，检查孔直径52mm，长度约2m，平均出水量<0.2L/min为合格。

结语：

我国国土面域广大，地质环境复杂多样，全风化花岗岩地质是隧道建设领域施工最困难地质条件之一，经工程实践，采取化学浆液超前预注浆，劈裂注浆压力使浆液扩散到注浆孔周边范围所有岩层裂隙中并凝结硬化，对增加掌子面前方岩体的整体稳定性有良好效果；采取三台阶临时仰拱开挖法，能够在岩体开挖完成后，对洞身周边围岩作最强的支撑补偿，降低垮塌等安全事故风险。

技术人员在施工全风化花岗岩地质隧道时，应当根据实际情况综合判断，坚持“短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则，将隧道施工风险降到最低。

参考文献：

[1]肖广智.不良、特殊地质条件隧道施工技术,2015,(6):203-205.

[2]赵队家.孙志杰.宿钟鸣.董立山.软弱破碎围岩长大隧道变形控制技术,2017,(5):8-14.

[3]中铁四院.时速200公里双线隧道施工工法、辅助施工措施，南龙隧参04.