对隧道全强风化花岗岩围岩的认识

对隧道全强风化花岗岩围岩的认识一、全强风化花岗岩的特性花岗岩是地球上分布最广的结晶粒状深成岩，由石英、长石和云母组成。石英通常呈圆形粒状、无色透明。长石有肉红色的钾长石和灰白色的斜长石，可见到发育良好的解理。云母为片状的黑云母，有时也有白云母，以及少量黑色长柱状普通角闪石。花岗岩具有多种颜色，如灰白色、灰色、肉红色等，主要由长石的种类和颜色而定。根据组成花岗岩矿物粒径的大小分成粗粒、中粒、细粒花岗岩，长石与石英晶体特别粗大的称为伟晶岩。花岗岩常呈规模巨大的岩基或岩株产出。花岗岩形成时，岩浆往往以强注入形式侵入围岩地层中，这一过程使围岩块体进入岩体形成捕虏体。由于侵入的岩浆高温炽热，可能引起围岩热变质。花岗岩密度2.7ｇ/cm3，致密坚硬、孔隙度小、强度大。而全强风化花岗岩的密度为2.06ｇ/cm3，渗透系数为6×10-7cm/s，岩土渗透性等级划分当K1.16×10-6cm/s时为不透水。二、全强风化花岗岩对隧道施工的影响全强风化花岗岩在开挖出来后表现为砂（即石英）土（长石），类似于第四纪沉积物，但是在未开挖时却与砂土有本质区别，这种区别按照天然含水量不同，表现形式不同。当含水量＜8%时，即干燥状态，开挖时极易滑塌；当含水量＞13%时，表现为蠕变；介于二者之间，可表现为较好的稳定性。其中最难的是含水量较大时的围岩，而围岩中水的形式为裂隙水（非孔隙水，与第四纪沉积物区别），当埋深较大时，又表现为承压水，这样，水除了软化作用之外，尚有因流动而造成的突泥、突水危害。全强风化花岗岩表现为“松散的砂土”，所以，处理方法很容易想到注浆固结。而事实证明，全强风化花岗岩围岩的施工难度远比第四纪沉积物甚至人工堆积物围岩难，其原因就在于全强风化花岗岩其实并不松散，渗透系数为6×10-7cm/s，注浆、尤其注固体浆是无效的。很多资料总结全强风化花岗岩围岩注浆成功，据我个人经验，与事实有相当大的差距，主要表现为两个方方面。一是完全按照设计（通常为大管棚或小管棚、环向间距300mm～400mm）施工，然后坍塌（规模不等），再作管棚、注浆，如此反复，取得成功。试想，花岗岩无论风化与否，均非常致密，如果没有强有力的止浆措施，浆液如何能注入围岩？现场有没有施作止浆措施？而实质上，全强风化花岗岩坍塌后，其物理力学指标就与第四纪沉积物接近了，孔隙率增大了，一般注浆就可以实现了；此外，注浆坍塌后留下的空腔亦可以容易回填了。二是不完全按照设计施工，主要措施是“密排管棚”，仅进行回填注浆。这在低水压情况下是一个有效的方法。对全强风化花岗岩中注浆的难度，大多数人有了认识，为了改进注浆效果，采取了很多办法，如有资料讲，先用超细水泥进行劈裂注浆，然后改为普通水泥进行渗透注浆。在厦门海底隧道曾做过用超细水泥的注浆试验，试验结果只是形成一个10cm～15cm的柱体，没有任何渗透扩散，也没有人们的最低期望——树根状浆脉。见下图。这种注浆的作用应为挤压和加筋。三、全强风化花岗岩围岩隧道施工的几个实例1、广西平钟高速公路水冲口隧道该隧由武警水电总队施工，围岩为全强风化花岗岩，且干燥，采用二台阶（长台阶）开挖，掌子面稳定，但后方支护变形较大，未有效开展围岩监控量测，不知围岩变形情况，就作出了缩短台阶、尽快施作仰拱以闭合支护的决定，结果加速了支护变形，导致坍塌，至地表。看似岩石，实际上用手即可抓碎。无效的支撑。坍塌。至地表。2、温福铁路刘洋寨隧道温福铁路刘洋寨隧道由中铁十二局施工，进口为全强风化花岗岩，裂隙水发育，最大埋深约30m，隧道拱部无水，中、下台阶有水，主要采取密排小管棚的方法，仰拱开挖也采取密排管棚，中台阶施作临时仰拱，月进度约15m～20m。掌子面干燥，稳定。洞口尽管套拱已落底，但任然下沉较大。仰拱开挖前密排小导管。中台阶施作临时仰拱，有积水。仰拱施作前，作密排小导管。3、厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道进口右线由中铁二十二局施工，围岩为全强风化花岗岩，洞口设计为40m长管棚，仰坡约10m，设计为10m长预应力锚杆，采用CRD法施工，洞口最大变形约60cm。开挖1/4，掘进约18m，即开始变形。施作中隔壁。加快明洞进度，早回填以稳定仰坡。洞顶开裂。洞顶水沟。仰拱渗水。锚固掌子面，以期施作二次衬砌。地表注浆。二次衬砌直抵掌子面。进洞约15m处坍塌。洞顶大管注浆后回填。四、对厦深梁山隧道1#斜井右侧迂回导坑的认识1、基本认识新增迂回导坑远离正洞，选择未扰动围岩通过，似乎这样就可以确保万无一失了，理由就是——未扰动，如果认真考量“未扰动”，其实它带来的不仅仅是有利条件，以上经验证明，“未扰动”全强风化花岗岩的荷载较扰动过的小，裂隙水量较扰动过的小，而水压一样，这是“未扰动”带来的好处，其最大的问题是渗透系数低，可注浆性能差。如果按照一般施工方法，坍塌与注浆反复交替，有可能成功，但是，其不成功的后果十分严重。所以，对方案的制定必须建立在理论解释得通以及亲身亲历的施工经验两个必要条件之上，这个行业的许多总结与实践差距较大，如果方案的制定主要以某资料和想当然为依据，则表面上看措施十分强大，其实不堪一击，因为设计效果无法实现。2、导坑通过软弱带的方法如果采用静压注浆，则必须对全强风化花岗岩进行物理力学试验，对注浆工艺、材料进行试验，否则，风险很高。水平旋喷的原理是优于静压注浆的，只不过在设备、材料、工艺上需要研究探讨，所以，目前对水平旋喷的怀疑，应只限于设备、材料、工艺，以及高压流体对围岩的微观作用原理，绝不应全面怀疑；高压、高速流体的运动形式绝不同于低压、低速流体，如旋喷切割围岩后并不像按照低压、低速流体作用后出现空腔以及旋喷柱体呈椭圆，实践证明水平旋喷后的柱体呈圆形断面且与围岩密贴。水平旋喷应是隧道技术工作者的奋斗目标，不是反对目标。通过在本隧前期的水平旋喷经验看，从固结效果、施工进度等都取得了比较大的进步，从注浆施工前的工艺试验要求的方面讲，水平旋喷通过前期的试验、实践已经具备实施条件；此外，导坑断面采取水平旋喷注浆为主的支护模式，对于下一步正洞的水平旋喷可取得更为有利的参数和施工经验。最近提出的“新意法”可作为此处断面设计的参考。“新意法”主要措施就是全断面开挖、支护一次闭合成环，其实“新意法”并不像“新奥法”那样有权威机构命名，而其实质就是“新奥法”。新奥法的创始人之一，奥地利的L·米勒（L·Muller）教授根据多年来新奥法设计、施工与实践的经验教训、存在的问题与对策，于1978年总结出新奥法基本原则22条。其中第（16）条：“隧道开挖后，破坏了原岩应力状态，围岩应力重新分布。为了不使应力重新分布过程复杂化并损坏岩体，应该采用全断面一次开挖。”再参照盾构法，其管片厚度最大为550mm，所以采取三环水平旋喷+一环密排大管棚+掌子面旋喷锚固+HW175钢架（@500mm）+网喷混凝土的支护结构可以满足要求，且工序简单，进度快，建议采纳。支护断面图掌子面锚固布置图剧仲林2011年1月15日星期六于福建漳浦