浅埋大跨度隧道出口花岗岩残积层形成原因分析

浅埋大跨度隧道出口花岗岩残积层形成原因分析

0工程岩体残积土问题花岗岩广泛分布在福建省，占全省总面积的40%。花岗岩风化后形成很厚的风化壳(即花岗岩残积土),其厚度在福建地区一般为20～35m,它是福建省工程建设中遇到的主要岩体之一。花岗岩残积土不均匀风化的明显特征是,存在大量的大孤石。这些大孤石的存在,加剧了工程岩体的不均匀性。此外,由于花岗岩富含长石,长石风化后成为高岭土,致使花岗岩残积土具有遇水软化、随水流失的特点,因此,给隧道、边坡及基础工程施工带来了较大的难度。象山隧道出口就遇到含大量孤石的花岗岩残积层,该段隧道同时还具有浅埋、地下水发育等不利因素,隧道前期施工中出现了地表下沉量大、初期支护变形大等工程问题。在认真分析后,对施工方案进行了优化,经实施后取得了较好的支护效果。1隧道围岩地质概况龙厦铁路象山隧道位于龙岩、漳州境内,采用左右单洞单线、两条隧道并行的方案,左线隧道全长15898m,右线隧道全长15917m。隧道出口属浅埋小间距渐变段,隧道埋深5～20m。围岩为全风化中细粒花岗斑岩残积层夹大量大孤石(如图1所示),围岩极不稳定,变形大,易坍塌。隧顶为稻田,地表积水及降雨很容易渗至开挖面。因此,本段隧道具有埋深浅、地层极不均匀、地下水发育等诸多施工不利因素。2主要技术问题和原因分析2.1拱部超前支护隧道施工初期,洞身采用环形开挖、预留核心土法施工(如图2所示)。软弱围岩采用人工配合挖掘机开挖,每循环开挖进尺0.6m,下断面左右错开施工,上台阶长度保持在5m左右,仰拱施工和下断面间距在15m以内。拱部超前支护采用4.0m长、ϕ42小导管注浆,环向间距30cm;初支采用Ⅰ18工字钢拱架,间距0.6m,喷射25cm厚C25混凝土,系统锚杆采用ϕ42注浆锚管,仰拱亦施作ϕ42锚管并注浆。2.2初期支护体系缺陷上述方法在施工过程中出现了下列主要工程问题:1)由于花岗岩残积土富水,浆液注入量少,注浆加固效果不理想;2)花岗岩残积土在地下水的作用下软化,呈流塑状,强度低,开挖面极易坍塌;3)受地下水影响,花岗岩残积土出现大量的流失现象(如图3所示),导致台阶难以形成、拱架背后出现空洞、拱脚悬空、锁脚及系统锚杆失效,无法形成受力结构;4)地表出现严重的下沉和开裂(如图4所示),最大累计下沉值达603mm;5)初支变形大,在初期支护未封闭成环前,拱顶下沉速率最大达21mm/d,水平收敛速率最大达47mm/d;拱顶下沉累计最大值达440mm,水平收敛累计最大值达525mm。2.3原因分析隧道施工过程中出现上述工程问题主要是由下列原因引起的:2.3.1矿物成分及风化象山隧道隧址区分布的黑云母花岗岩及中细粒花岗斑岩均含有大量的钾长石和斜长石(见表1)。花岗岩残积土的矿物成分决定于母岩:无色透明的石英分解为砂砾,浅肉色;长石风化成高岭土;黑云母风化成褐色斑点。风化程度愈强,残积土中高岭土含量愈高。高岭土吸水性强,遇水后易膨胀、软化,强度急剧降低,受水浸泡时成灰白色泥浆并随地下水流动而流失。2.3.2初期支护受力分析隧道埋深5～20m,属于典型的浅埋隧道。由于洞顶覆土薄,围岩软弱,自稳能力差,施工时隧顶覆盖层的扰动很快波及地表。在其影响下,一方面地表发生变形、开裂,另一方面,受扰动的洞顶覆土透水性增强,更加有利于地表水的入渗及地下水的动,增大了洞内出水量,加剧了花岗岩残积土的软化和随水流失。花岗岩残积土的软化及流失产生下列后果:1)锁脚锚杆及系统锚杆失去受力基础,锚固力降低,达不到预期的加固效果。2)拱脚围岩长期受水浸泡,强度很低,加之较长时间的围岩流失,引起拱脚悬空、拱架持续下沉,表现为较快的拱顶下沉速率及较大的累计下沉量。3)围岩的不均匀导致洞室周边围岩流失也不均匀,有些部位由于围岩流失量大,初期支护背后出现空洞,使初期支护受力不均匀;有些部位细颗粒的围岩随水流失,导致孤石周边地层松散,大孤石向洞室方向移动,引起初期支护局部应力集中(如图5中左拱腰A点所示)。受力不均及局部应力集中加剧了初期支护的变形和破坏。4)初期支护变形及围岩流失产生较大的地层损失,大量的地层损失引起地表的严重沉降、开裂。3初期支护失稳问题及支护原则前述分析表明,隧道出现较大的地表沉降及初期支护变形,主要是由于围岩在水的作用下软化、随水流失引起的,而围岩随水流失在很大程度上又是由于初期支护大量变形、强烈扰动隧顶覆土,使透水性增强,洞内出水量增大引起的。初期支护变形越大、围岩随水流失越多,地层损失越大,地表变形也越大,地表水越易渗入地下,花岗岩残积土软化和随水流失越严重,如此相互作用,形成恶性循环。通过上述分析可得出解决问题的关键,一是控制洞室变形,二是减少水对围岩的不利作用。在成因分析的基础上,提出下列支护原则:1)及时封闭成环,改善初期支护受力条件,缩短拱脚暴露时间,减少支护收敛变形及拱脚围岩在水的作用下软化、流失;2)实施超前预注浆加固,减少拱顶围岩变形及洞内出水;3)改善洞内排水条件,减少水与围岩的接触;4)适当加强横向支撑。3.1提前排水左线因象山隧道出口左、右线净距仅2～5m,左右线施工相互影响较大,考虑到左线靠近山体,为避免山体渗水2次影响施工,决定先施工左线,达到提前排水的目的。开挖方法根据现场实际情况采用微台阶留核心土加临时仰拱或单侧壁导坑法。3.1.1多仰拱体施工将正洞断面划分为3个台阶施工:第1个台阶高2.5m,人工开挖,土方量较小,同时便于施钻及喷射混凝土,也利于及时封闭,在该台阶拱脚位置设置临时仰拱;第2个台阶高4m(施工时将该台阶分为2部分开挖,各2m);第3个台阶高3m,主要为人工配合挖掘机开挖,开挖方法如图6所示,台阶长度控制在3～4m;仰拱及仰拱填充每循环施工3～5m,初支仰拱分左右施工,减少坑底暴露时间。采用上述开挖方法后,施工期间围岩及拱架应力的实测结果表明,临时仰拱对控制下台阶变形有利,使得拱腰围岩及拱架应力增长,对抑制初期支护水平方向变形有十分明显的效果。3.1.2水平台阶微台阶法支护随着隧道施工的推进,围岩埋深逐渐增大,孤石更加增多,且主要集中在中下台阶位置。针对这一实际情况,在孤石集中区设置单侧壁导坑,导坑先行,在导坑贯通后再进行扩挖。扩挖方法仍采用微台阶法加临时仰拱。导坑采用上下台阶法开挖,下台阶开挖高度为仰拱底,使其初期支护封闭成环。开挖方法如图7所示。3.2支出计划的优化3.2.1小导管注浆拱部120°范围采用ϕ89超前管棚+ϕ42超前小导管注浆支护,管棚及小导管交错布置;小导管壁厚5mm,长度4.0m,外插角5～10°,环向间距40cm,纵向2m设置一环。边墙部位设置ϕ42超前小导管预注浆,长度4.0m,外插角径向按5～10°设置,相邻导管环向间距50cm,纵向1.5m设置一环。超前管棚及小导管注浆采用水泥浆液,注浆压力为0.5～1.0MPa,水灰比1︰1。小导管注浆按下述方法及要点进行:1)小导管加工。小导管采用外径ϕ42mm、壁厚5mm的无缝钢管制作,端头加工成圆锥形并封焊密实,管身设4排溢浆孔,孔径8mm,孔距15cm,梅花型布置,后端1m范围内不设溢浆孔。管尾焊接ϕ8钢筋加强箍。2)钻孔并安装小导管。出口段主要为全风化花岗斑岩,直接用风钻将导管顶入设计位置,而后用高压风进行清孔。小导管顶入后外露初支面20～30cm,便于连接注浆管路。而后将小导管就近焊接于拱架上。3)注浆。为防止压力过大,压裂作业面,注浆达到设计量即可停止;当孔口压力达到规定值但注浆量不足设计量时也应停止。3.2.2临时津贴1喷射混凝土32钢筋上台阶底部增设临时仰拱,临时仰拱支护参数:I18工字钢,喷射C25混凝土,厚度25cm,钢架间采用ϕ22钢筋纵向连接,连接筋间距1.0m。在拱顶下沉比较严重时,可增设竖撑和扇形支撑。2钢筋网全断面布置ϕ42注浆小导管,间距1.0m×1.0m,梅花形布置,长4.0m;挂设ϕ8钢筋网,网格20cm×20cm;喷射C25混凝土10cm厚。为了能够排水,封闭掌子面后设置泄水孔。3.2.3钢筋网喷播初期支护采用拱架锚喷支护,工字钢架采用I20a工字钢,榀间距0.5m,焊接ϕ22连接钢筋,环向间距1.0m,挂设ϕ8钢筋网,网格间距20cm×20cm,喷射C25混凝土27cm。将原设计的中空锚杆及系统锚杆变更为ϕ42注浆锚管,通过注浆加固围岩的同时起到系统锚固的作用,并在每个拱脚位置增加2跟长4.0m的ϕ42注浆锚管。3.3其他措施1设置水排放器为了减少拱部渗水对中下部施工的影响,拱部设置独立的排水系统,在临时仰拱上设置小型积水坑,直接将水排至衬砌端头,减少围岩与水的接触。2拱墙挡墙衬砌修复拱墙施工紧跟掌子面,台阶长度控制在3m,每2～3m施工1个循环,衬砌每4～5m施工1个循环,保证拱墙距离掌子面为15m左右。3人力资源公司衬砌和开挖混岗安排人员,在施作衬砌时掌子面停止施工,既达到了统一协调,又合理利用劳动力,使开挖及衬砌作业达到合理调配。3.4仰拱封闭情况下,拱架的稳定性好,拱架的整体稳定性好,拱架的注在采用上述开挖方法后,围岩虽有变形,但在仰拱封闭后很快便达到稳定,拱架整体稳定性较好,未出现拱架因挤压变形而使支护需要置换的情况。4整体施工及降水控制1)花岗岩残积层中的大孤石加剧了地层的不均匀性,其内长石风化而成的高岭土易软化和随水流失,在此类地层中进行隧道施工一定要控制好地层变形,减弱围岩扰动导致的地层透水性增强、洞内出水量增大及孤石向洞室周边移动;此外,洞内应做好排水,尽量减少水与围岩的接触,减弱洞内渗水对拱脚、台阶底部的浸泡、软化及水土流失。2)在这类地层中施工,初期支护应尽快封闭,开