花岗岩地区深基坑及隧道施工方法与施工技术探讨(修改稿).doc

花岗岩地区深基坑及隧道施工方法与施工技术探讨(修改稿) 花岗岩地区深基坑及隧道施工方法与施工技术探讨广州市地下铁道总公司地灾防控小组曾耀昌、莫庭斌在一般的民用建筑中，花岗岩地基具有很多优良的工程物理力学性能，它的中、微风化岩是高层建筑可靠的桩基持力层，它的风化土（包括残积土、全风化土）亦具有较强的地基承载力，可作为低层建筑的天然地基，因此在工程地质上很少把花岗岩地基作为“不良工程地质条件”作进一步的研究。 花岗岩地区所具有的独特的岩土特性及水文特征，使地铁深基坑施工、隧道掘进均遇到一定的风险、邻近建构筑物安全也受到一定的影响，迫使地铁工程对这类地区的深基坑、隧道设计方法及施工技术均需作进一步的检讨与研究。 一、花岗岩地区岩土特性与水文地质特征花岗岩是一种岩浆岩，主要矿物成分是石英、长石和黑云母，具有等粒状结构和块状构造。 按次要矿物成分的不同，可分为黑云母花岗岩、角闪石花岗岩等。 未经风化的花岗岩具有较高的抗压强度。 花岗岩在是在侵入到地壳一定深度上开始冷却，并在冷却收缩过程中产生三组节理裂隙一组由核（深）部向外（浅）部呈“洋葱”图1花岗岩形成机理示意图状的层状节理裂隙，另二组在平面上呈“X”状节理裂隙。 在长期的风化作用下，花岗岩所发育的三组节理裂隙一方面成为水渗入的通道加速了岩石的物理、化学风化，并因风化程度的差异形成残积土、全风化土、强风化岩、中风化岩及微风化、未风化岩，生成各类花岗岩的风化地貌（图 3、图4）。 花岗岩中的主要矿物组份长石在风化程度较高的残积土与全风化土中已风化成粘土、高岭土类遇水易软化、膨胀、泥化的矿物。 风化程度较高的残积土、全风化土中原发育的节理裂隙已被粘土、高岭土所充填，因此一般只含孔隙水、且含水量比较低。 另方面在风化程度较低的强、中风化岩带中这三组节理裂隙则成为了地下水赋存与富集的通道与“仓库”，它有较广的补给范围，水的流动与节理裂隙及其中的断裂发育方向相同、具较强的方向性；节理裂隙较发育的强、中风化花岗岩其渗透系数可类似中、粗砂层，所赋存的节理裂隙水具有承压性。 图2花岗岩的三组节理裂隙是形成球状风化的原因图 3、图4花岗岩球状风化的典型地貌 二、花岗岩地区的岩土、水文地质特性对深基坑及隧道设计与施工的影响 二、花岗岩地区的岩土、水文地质特性对深基坑及隧道设计与施工的影响在常规的基坑工程设计与施工，无论是采用“经典法”、“弹性地基梁法”、“有限元法”或“增量法”计算，只要所设计的支护结构能控制基坑周边土体的稳定与变形不达到极限状态，或者说支护结构有足够的强度与嵌固深度可以阻挡周边土体、地下水所产生的水土压力，防止砂土层所富含孔隙水渗入与绕流，实现对各工况（开挖与回筑）变形的控制，基坑开挖及邻近建构筑物的安全就有一定的保证。 但在花岗岩地区，由于节理裂隙水所赋存的岩层特性、渗涌水机理与砂土层的孔隙水、潜水不相同，渗涌后对花岗岩风化土特性的影响均与一般的碎屑岩地区不相同，如应对措施不当，深基坑及隧道开挖将产生如下的风险 1、花岗岩地区节理裂隙水的渗涌易使深基坑支护失稳深基坑中花岗岩强中风化岩的节理裂隙水渗漏机理如图5所示。 从图5可以看出在深基坑施工中当围护结构未能穿过强、中风化花岗岩并嵌入微风化花岗岩，把基坑内外强、中风化岩中节理裂隙水分隔与封闭时；基坑开挖到一定深度时、赋存在花岗岩强、中风化岩中的节理裂隙水会从基坑底部渗、涌出；这种渗涌方式一方面改变了基坑内水土压力的平衡，使基坑支护结构的稳定性受到了影响；另方面也改变了基坑内外花岗岩残积土、全风化土的岩土性能，加剧了基坑支护结构失稳的风险，同时也使邻近建构筑物的地基性能变化而产生沉降与变形。 这种渗涌方式一方面改变了基坑内水土压力的平衡，使基坑支护结构的稳定性受到了影响；另方面也改变了基坑内外花岗岩残积土、全风化土的岩土性能，加剧了基坑支护结构失稳的风险，同时也使邻近建构筑物的地基性能变化而产生沉降与变形。 在花岗岩残积土、全风化土中含有大量的粘土、高岭土矿物，当基坑开挖或隧道掘进时产生卸载，强、中风化花岗岩中具有一定压力的节理裂隙水将向卸载面流动及涌出，它先使风化土及残积土中的粘土、高岭土类矿物膨胀、软化及崩解；随后把软化后的粘土、高岭土矿物带出流走，并使风化土中的孔隙率增大、水流通道更为畅通、渗涌量加大，软化泥化影响范围迅速扩展，基坑内被动土压力减少、支护结构将会出现“下沉”、“踢脚”等险情。 2、花岗岩节理裂隙水的渗涌易使隧道掌子面失稳、支护变形隧道开挖时强、中风化花岗岩的节理裂隙渗涌可导致隧道周边花岗岩残积土、全风化土软化、泥化，如下图（图6）所示碎屑岩类富水砂层淤泥承压的节理裂隙水微风化花岗岩中风化花岗岩强风化花岗岩图5碎屑岩与花岗岩地区基坑渗、涌水机理示意图通渠道当隧道掘进时产生卸载，强、中风化花岗岩中具有一定压力的节理裂隙水将向卸载面流动及涌出，它先使风化土及残积土中的粘土、高岭土类矿物膨胀、软化、崩解并带出流走；如隧道开挖不能控制这种渗涌、将使风化土的软化、泥化随节理裂隙发育方向不断扩大影响范围。 花岗岩风化土的软化、泥化使其物理力学性能明显变差，隧道风化土围岩出现软化、泥化，不仅使掌子面不稳、崩塌难以开挖，而且对破坏了隧道围岩的自稳能力，增加了隧道支护结构的荷载，使支护结构产生变形、开裂；即使在已建的盾构隧道如果管片外注浆不饱满留有地下水渗流通道、或管片间出现较大的渗漏也会因隧道围岩物理力学性能恶化，管片出现开裂等风险。 3、花岗岩的节理裂隙水渗涌将导致基坑外、隧道外建构筑物的中风化花岗岩地面建筑物建筑物桩基竖井强风化花岗岩粘土、高岭土流失方向节理裂隙水渗涌方向在建隧道图6花岗岩地区隧道掘进时地下水流动及粘土矿物流失示意图沉降与变形强、中风化花岗岩的节理裂隙水的渗涌也会导致基坑外、隧道外一定区域内地下水位的下降，残积土、风化土的粘土矿物随渗涌水而流失，残积土、风化土的孔隙率增大，土层也将发生再固结沉降，从而波及一定范围内的建、构筑物产生不同程度的变形与沉降；其影响范围与基坑、隧道渗涌水的时间、渗涌量及其节理裂隙发育方向密切相关。 三、花岗岩地区基坑安全的应对措施与方法从目前所掌握的资料看、当基坑规模较小、开挖深度较浅，基坑底下的风化土尚具有一定厚度可以抵御花岗岩节理裂隙水水压时，如一般民用建筑只具有二层地下室、基坑开挖深度小于7-8米时可采用加快基坑开挖速度、及时封底等方法防止基底土的软化与泥化。 但当基坑深度超过10米，不采用措施是较难控制基底土软化与泥化的发生。 从基坑底土层软化泥化的原因分析，防止基坑底土层软化泥化的发生可有以下二类方法 1、对基底强、中风化岩以上的风化土进行全面固结对基底强、中风化岩以上的风化土（包括残积土、全风化土）进行固结，既使其固结强度及抗渗性能可以抵抗强、中风化岩中所含的层压水水压，阻止地下水的渗涌，减少粘土矿物的流失。 基底风化土的加固在地铁五号线、三号线北延线部分车站基坑分别采用了搅拌桩、旋喷桩及注浆等方式进行加固，有一定效果并不理想。 一是花岗岩残积土、全风化土多呈硬塑坚硬，旋喷（搅拌）桩加固难以在这类地层中达到设计预想的桩径；即使“满堂红”布置，桩间的间隙仍是渗涌水的通道，当节理裂隙水水压较大时是无法抵御水的渗涌；三是所需的加固工作量大、造价高。 三号线北延线燕塘站六号线基坑深度为17m，采用地下连续墙作围护，地下墙嵌入基底强风化岩5m，基底采用旋喷桩加固，但在开挖到10m即出现基坑土软化、泥化现象，直至底板全部完成浇灌、仅剩余通向三号线的扶梯小基坑未完全封闭、每天的渗涌水量仍可达到250-300M3/天。 它的渗涌水已引塌了基坑端头建筑物的变形与沉降。 类似的情况在五号线大沙地站、三号线北延线南方医院站均有出图7 三、六号线燕塘换乘站基坑鸟瞰图图8（左图）采用搅拌桩加固的六号线基坑开挖至10m时基坑出现的泥化；图9（右图）六号线基坑开挖至14m时基坑出现的软化及泥化情况现，施工时对基底软化、泥化情况采用了开挖排水沟、设反滤层、预埋管注浆待底板及车站结构完成后再注浆充填固化等措施。 2、切断深基坑内外节理裂隙水的水力联系的方法切断基坑内外强、中风化岩的节理裂隙间的水力联系，使基坑内的节理裂隙水得不到补充而成为不能产生渗涌的“非承压水”，不仅基坑内风化土不会产生软化与泥化，基坑外的风化土也不因地下水的流失而产生再固结沉降。 切断深基坑内外节理裂隙水的水力联系的方法有二类 （1）围护结构有足够的深度能嵌入微风化花岗岩围护结构要嵌入微风化岩，从而切割基坑内外强、中风化岩间的水力联系。 六号线天河客运站基坑深度达32m，它离三号线支线天河客运站仅18-24m；由于基坑深度大，围护结构（地下连续墙）在大部分地段均需嵌入微风化花岗岩，从而切断了基坑内外强、中风化岩的节理裂隙水，因此基坑开挖虽然远超出三号线天河客运站的深度，但基坑却未出现泥化、软化及地面建构筑物变形与沉降的风险。 该基坑仅在个别地段由于微风化岩的埋深深度变化，个别槽段未能嵌入微风化花岗岩段，基坑内不仅出现局部渗涌水及软化、泥化现象，且在三号线天河客运站也监测到结构的沉降变形，承建商随即在该槽段外侧钻孔注浆封堵，切断了该地段基坑内外水力联系、控制了了车站的变形与沉降。 图10三号线天河客运站与六号线天河客运站基坑位置平面图 （2）采用注浆方法封堵节理裂隙切割基坑风外的水力联系燕塘站三号线基坑开挖深度达32m,中部换乘接点尚需考虑敷轨基地的特殊要求，基坑的周边尚有多幢天然地基的建筑物，因此不仅对基坑的防渗涌水要求很高，而且对其变形控制、安全稳定要求也很高。 但场区微风化花岗岩的埋深在45-55m，基坑围护结构（地下连续墙）从机械设备能力、工程造价以及工期均难以按微风化花岗岩的埋深进行设计与施工形成一个可切断基坑内外节理裂隙水的帷幕。 经反复研究决定在地下连续墙外侧采用钻孔注浆设置抗渗墙的方法来切断基坑内外的水力联系，控制基坑内的渗涌水、控制基坑内风化土因软化及泥化后被动土压降低而造成变形超限的风险。 在建六号线车站三号线天河客运站图11三号线天河客运站基坑开挖时出现软化、泥化主支撑严重变形失稳的险情图12六号线天河客运站基坑开挖至32m尚未出现软化与泥化现象所设计的防渗墙上部与地下连续墙底搭接一米，下部进入微风化花岗岩0.5-1米。 防渗墙采用二排间距3米、呈梅花型布置的注浆孔组成，注浆方法采用前进式劈裂注浆。 防渗墙设置后使深达32m的基坑顺利开挖到底，仅在换乘节点由于锚索施工影响了防渗墙的实际效果，基坑局部出现少量的渗水，但周边建构筑物的变形与沉降均在规范容许范围。 图13燕塘站三号线基坑设置防渗墙的钻孔布置平面图图14（左图）燕塘站三号线基坑加设防渗墙后开挖至32m时基坑土尚未出现泥化；（右图）车站底板已顺利完成浇灌基坑的成功开挖说明了采用防渗墙处理的三号线超深基坑与采用旋喷（搅拌）桩加固的六号线浅基坑呈现完全不同的结果，说明了处理措施的适宜性。 三、花岗岩地区矿山法隧道施工防渗涌措施花岗岩地区所具有的独特工程地质特性不仅影响深基坑的施工安全，同样对隧道的掘进与隧道周边建构筑物也存在安全的问题。 如在二号线纪越区间、越秀公园站台主隧道围岩为花岗岩、混合花岗岩，开挖卸载后引起富存于强、中风化带中的节理裂隙水渗出而出现软化、泥化，掌子面难以稳定。 三号线北延线XX区间矿山法段开挖时、赋存在强、中风化花岗岩中的节理裂隙水大量的流出，每天的涌水量可达5001000方，引起了周边楼房的沉降、变形。 即使是已建隧道存在渗漏水引起围岩（土）物理力学性能变差，隧道结构开裂，如在三号线XX区间由于局部地段尚存在渗漏水，已引起围岩（土）的软化，增加了盾构管片的土压力，少量管片出现了开裂现象。 花岗岩地区矿山法隧道开挖需采用的措施 1、采用帷幕劈裂注浆封闭围岩节理裂隙水花岗岩地区矿山法隧道开挖需采用的措施 1、采用帷幕劈裂注浆封闭围岩节理裂隙水燕塘站三号线车站至风机房约有40-50m的站台主隧道需采用矿山法进行掘进。 站台主隧道（拱顶）埋深约22m，隧道直径9m，隧道围岩主要为强风化花岗岩，隧道掘进将会出现围岩渗涌水、风化土软化与泥化的情况，不仅会引起掌子面难以稳定、坍塌的风险，而且会使邻近建构筑物、道路、管线产生变形与沉降的风险。 图15隧道开挖前所打的注浆孔注浆前的涌水情况为防止上述风险的产生，采用在隧道外侧布设了“桶状”注浆帷幕，控制隧道围岩水的渗涌。 图16（上图）隧道“桶状”帷幕注浆分布纵剖面示意图图17（下图）隧道“桶状”帷幕注浆分布断面示意图车站结构强风化花岗岩站台主隧道隧道“桶状”帷幕注浆孔分三类型布设第一类（深蓝色注浆孔）布设在隧道外侧成“桶状”形成帷幕；第二类（浅蓝色注浆孔）为加强仰拱截水效果增设的注浆孔；第三类（绿色注浆孔）为加固隧道掌子面风化土的固结而布设的注浆孔。 根据上述布孔原则、每条站台主隧道（隧道直径约9米）需布设47个注浆孔。 经注浆后，布置了多个检查孔，仅有少量的渗水。 图18完成“桶状”帷幕注浆后所打的检查孔基本无水渗涌注浆方法采用前进式劈裂注浆，注浆浆液可挤入强风化花岗岩的节理裂隙，不仅起到封封节理裂隙的空间、切断水的通道，而且可对花岗岩风化岩起到进一步的加固作用。 图19采用劈裂注浆后浆液插入强风化花岗岩的状况在地铁二号线已采用上述注浆方法完成了纪（念堂）-越（秀公园）区间隧道开挖的安全。 2、采用系统注浆控制围岩节理裂隙水的渗涌在花岗岩地区除需注意隧道开挖的安全外，尚需从巩固帷幕注浆效果、注意做好围岩的系统注浆工作，防止因隧道开挖围岩产生松驰、已经帷幕注浆封堵的节理裂隙水的渗涌复活，确保隧道在今后的运营中的安全与稳定。 系统注浆主要是针对节理裂隙比较发育的强、中风化的围岩。 系统注浆多采用小导管穿过初期支护结构打入围岩3-5米进行注浆，使围岩外侧形成一个经注浆加固的固结体。 四、采用防渗墙、跟踪补偿注浆等综合措施保护建构筑物安全基坑开挖及隧道掘进一般都会产生岩土应力的松驰及地下水的流失，从而造成邻近建、构筑物的沉降与变形。 由于基坑及隧道开挖会有较长的作业期，因此邻近建构筑物的沉降与变形式会随基坑、隧道的开挖过程不断产生与发展，当这种沉降与变形一旦超过房屋结构安全容许限度、房屋结构将出现破损甚至倒塌。 因此防止上述情况出现的有效方法就是想法补偿地应力损失产生的变形与沉降、减少与堵截地下水的渗涌及对已松驰软弱的地基土进行固结。 （1）采用“跟踪补偿注浆”保护建筑物的安全“跟踪补偿注浆”可不断补偿地应力的损失，不断通过注浆堵塞渗漏水的通道，减少与控制地下水的流失，固化松驰软化的地基土。 补偿注浆孔的布置、注浆压力及注浆量的大小需建立在对建构筑物的沉降变形进行准确监测基础上进行，在基坑开挖或隧道掘进全过程中、仅容许邻近建构筑物的沉降与变形在结构安全的状况下；在施工完成后，可根据情况稳定变形、沉降，甚至恢复到原来的状态。 “跟踪补偿注浆”注浆孔的布置层位需根据建筑物的沉降情况、桩基类型、桩基埋深及持力层性质综合考虑设置。 “跟踪补偿注浆”需做到“及时”与“均衡”；“及时”是指当建构筑物出现一定的沉降速率或一定的沉降量即及时地注浆让其稳定不发展；“均衡”是指建构筑物的基础不能出现波浪状或不均匀的沉降与变形，要掌握“多沉多注、小沉小注、不沉不注”的原则尽量使其基础控制在同一平面上的沉降与变形； （2）采用防渗墙与跟踪补偿注浆控制建构筑物沉降与变形如由于隧道掘进引起房屋的沉降与变形，可采用“截水帷幕”与“跟踪补偿注浆”相结合的办法。 图20XX副楼采用了跟踪补偿注浆与防渗墙相结合控制沉降的发展上图反映为控制某大厦副楼由于隧道开挖失水产生地基土固结再沉降产生的变形与沉降所采用的措施防渗墙与补偿注浆相结合。 防渗墙的设置起到防渗墙与补偿注浆相结合。 防渗墙的设置起到阻隔隧道开挖失水继续对副楼地基的影响；控制注浆浆液扩散范围，使补偿注浆尽快发挥效益。 中风化花岗岩大厦副楼副楼桩基地铁竖井强风化花岗岩地铁隧道节理裂隙水涌出方向节理裂隙水涌出方向跟踪补偿注浆孔防渗墙楼房沉降控制需与隧道掘进时的围岩注浆相结合浆及楼房持力层跟踪补偿注浆同步进行楼房沉降控制需与隧道掘进时的围岩注浆相结合浆及楼房持力层跟踪补偿注浆同步进行。 （1）隧道围岩石的注浆堵水在花岗岩地区引起楼房沉降的主因是隧道开挖失水，因此控制楼房沉降的关键是做好隧道围