花岗岩蚀变地层隧道围岩坍塌与变形控制措施

花岗岩蚀变地层隧道围岩坍塌与变形控
制措施
摘要：大临铁路红豆山隧道、张家山隧道、茂兰隧道、中村隧道穿越花岗岩地层时，揭示长段落花岗岩蚀变体，局部节理面也存在蚀变现象，施工中多次发生围岩坍塌和支护变形，严重影响施工安全及进度。

文章总结了花岗岩蚀变围岩劣化为砂土状、块状、遇水呈泥状及围岩软硬不均等特点，并提出了如何有效预防和快速应对掌子面溜坍、支护变形的措施，有效解决了花岗岩蚀变带来的围岩坍塌和支护变形难题。

关键词：花岗岩蚀变；隧道；坍塌；变形；控制
引言
花岗岩蚀变带岩体是指原岩在晚期侵入的花岗岩热液作用下经蚀变后形成的岩体,花岗岩蚀变带岩体强度低，其中蒙脱石化蚀变岩中的蒙脱石具有吸水膨胀特点，可使结构紧密的蚀变岩松裂崩解。

加之后期花岗岩侵入蚀变带内，受多次构造作用及岩浆侵入影响，岩体节理裂隙发育、岩体破碎，岩体多呈松散碎石角砾、粉砂土状，稳定性极差，这种地质现象在国内外工程建设中较为罕见。

郭健、于新华等研究了蚀变花岗岩特性及工程特性[1-2]；王琨、沈乐、聂林等
研究了富水花岗岩蚀变带隧道大变形机理及控制技术[3-5]；蔡俊华研究了穿越花岗
岩蚀变带的隧道突涌机理及施工许可评价方法[6-7]；方星桦等研究了高地应力隧道
蚀变花岗岩地层围岩大变形特征及控制措施[8]。

总体而言，针对花岗岩蚀变的工
程特性和控制措施的研究成果仍然较少，加之花岗岩蚀变成因复杂、规律性极差，可借鉴的类似工程建设经验极少。

本文依托结合大临铁路红豆山隧道、张家山隧道、茂兰隧道、中村隧道花岗
岩蚀变的典型案例，总结了花岗岩蚀变围岩劣化为流沙状、块状、遇水呈泥状及
围岩软硬不均等特点，并提出了如何有效预防和快速应对掌子面溜坍、支护变形
的措施，有效解决了花岗岩蚀变带来的围岩坍塌和支护变形难题，可为同类工程
施工提供参考和借鉴。

1 工程概况
1.1线路概况
大临铁路位于云南省西南部地区，北起广大线大理站，经大理州巍山县，跨
越澜沧江后进入临沧市，经云县至临沧市临翔区，线路全长202.095km。

大临铁路红豆山（全长10616m）、张家山（全长2027m）、茂兰（全长
6641m）、中村隧道（全长3104m）位于临沧市云县境内，设计行车速度160km，
为客货共线单线铁路隧道。

隧道穿越勐海-临沧花岗岩台地，花岗岩蚀变分布规
律性差，蚀变类型复杂，岩体完整性差异大，局部富水，施工中多次发生花岗岩
蚀变岩体坍方、支护变形，严重影响施工安全及进度。

1.2地质概况
大临铁路穿行于云贵高原的西部边缘，为著名的横断山区南段，多为构造侵
蚀高中山、中山地貌。

线路翻越横断山云岭余脉锅底山、无量山、邦马山，跨越
澜沧江及其支流头道水河、南汀河，区内高中山与峡谷、中山与湖盆并存，地形
起伏剧烈，地形条件特殊困难。

总体北高南低，地势错综复杂。

线路横跨兰坪-思茅拗陷与昌宁-孟连褶皱带，地处印度板块与欧亚板块碰撞
缝合带附近，属我国著名的滇西南地震带，地震烈度高，深大活动断裂发育，水
热活动强烈，地质构造极为复杂。

红豆山、张家山、茂兰、中村隧道均穿越花岗岩地层，花岗岩经历了华西力、印支、晋宁、燕山、喜山等期次，岩石类型复杂、多变，规律性差，地下水局部
发育。

隧道位于澜沧江以南，澜沧江断裂带与南汀河断裂挟持地带，与隧道相关
的断裂带有龚家推测断层、星源断层、关口断层、冬瓜村断层、南汀河断裂、晓街—大寨断裂。

受多期次强烈构造作用影响，澜沧江南岸岩浆活动异常强烈、广泛，岩浆活动具有多期多阶段持续活动的特点，时代不明岩脉发育。

2 花岗岩蚀变特性
2.1花岗岩蚀变整体情况
红豆山、张家山、茂兰、中村隧道施工中揭示了长段落的花岗岩蚀变，据统计，花岗岩蚀变段落长14402m，其中极严重段落长3325m、严重段落长7566m、
中度段落3321m、轻微段落长190m。

花岗岩蚀变引起的掌子面溜坍、支护变形等
地质灾害频繁，给施工安全、进度管理带来了极大威胁。

2.2花岗岩蚀变典型案例
2.2.1红豆山隧道DK120+749拱部溜塌
2020年02月25日，隧道出碴过程中掌子面DK120+749.8和拱部出现断断续
续溜塌并有股状浑水流出，之后DK120+740.2～DK120+749.8初支面渗水，喷混
凝土剥落，DK120+743和DK120+749里程拱部出现环线裂缝，缝宽约10～15mm，
掌子面出水量逐渐增大至430m3/h，后逐渐变清。

图1 红豆山隧道DK120+749拱部塌方
如图1，掌子面拱部塌方量约30m3，呈碎块石夹泥沙状；DK120+747.4～
+749.8段初支严重变形，喷射混凝土剥落，DK120+747.4处拱部出现环线裂缝，缝宽约50～90mm。

初支净空测量结果显示DK120+746断面监控量测拱顶初支侵线最大130mm，DK120+745断面监控量测拱顶初支侵线最大50mm，现场采取I18套拱的加固措施，施作完成后监控量测显示已基本稳定。

原因分析：DK120+740.2～+749.8段开挖揭示围岩为灰色块状弱风化黑云花岗岩，微张节理裂隙较发育，左侧部分裂隙面蚀变严重呈砂土状，岩体较破碎，左侧围岩自稳性差，拱部有少量掉块，裂隙面蚀变面流水。

围岩软硬不均，蚀变条带遇水易软化失稳，未蚀变花岗岩须爆破开挖，爆破震动使得节理裂隙发展利于地下水下渗，地下水软化围岩，加剧了围岩的失稳。

2.2.2茂兰隧道DK131+625溜塌
2018年7月19日，隧道掌子面施工至DK131+625，出碴时，左侧拱部发生断断续续溜塌。

如图2，溜塌形成纵向长度约6米，环向长度约6米，高度约10米的空腔，塌方量约120m³，塌体主要为碎石土。

图2 茂兰隧道DK131+625溜塌
原因分析：岩体微张～张开节理发育，节理贯通性强，节理面蚀变严重呈砂砾状，围岩呈碎石散体状，自稳性差。

上、下台阶同时爆破对围岩扰动较大。

2.2.3张家山隧道DK125+588拱部溜塌
2017年11月29日，掌子面施工里程为DK125+588，出渣结束时，上台阶拱顶偏左开始小面积掉块，现场采用C25喷射混凝土封闭掌子面围岩。

之后拱顶开
始出现大面积掉块，最后形成纵向3m，环向约5m，高约3m的塌腔，塌体约45m³。

如图3，溜塌体成分为花岗岩蚀变体，呈块碎石土状。

原因分析：掌子面围岩为全风化夹强风化黑云花岗岩，左右侧不均匀风化，
节理发育，有渗水，岩体破碎，掉落呈砂土状，自稳能力差，极易掉块溜塌。

图3 张家山隧道DK125+588拱部溜塌
2.2.4红豆山隧道DK121+680～+677右拱部～边墙初支变形
2019年2月27日，隧道掌子面施工至DK121+670.4处，上台阶喷浆完成准
备出渣，7时13分右侧拱脚及拱腰出现股状水，水较浑浊，水量约为260m³/h，
7时32分右侧拱脚出现涌水涌泥，并伴随右侧DK121+680～+677段初期支护变形
开裂，7时46分，右侧初期支护变形加剧。

如图4，DK121+680处右拱墙初支形
成宽约40cm的错台。

图4 红豆山隧道DK121+680～+677右拱部～边墙初支变形
初步原因分析为：花岗岩均质性差，部分节理面蚀变严重呈砂土状，遇水易
软化，右侧花岗岩蚀变严重，地下水发育，大管棚与斜插小导管加固效果不理想。

2.2.5茂兰隧道DK129+484～DK129+513段初支变形
2019年7月30日上午12时04分，掌子面DK129+519.5处准备立架时，发
现DK129+484～DK129+513段初支线路左侧拱腰及边墙位置出现急剧变形、脱落（如图5），14:53监控量测数据显示左侧拱腰及边墙位置发生突变。

图5 茂兰隧道DK129+484～DK129+513段初支变形
原因分析：开挖揭示掌子面左侧为黑云花岗岩，张性裂隙较发育，裂隙面蚀
变严重为宽约3～5mm的砂土状软弱夹层，岩体较破碎，潮湿，围岩自稳性略好，偶见掉块。

连续下雨，地下水沿张性裂隙下渗，围岩主动压力逐渐增大，致掌子
面左侧初支突变侵限。

2.3花岗岩蚀特性
从红豆山、张家山、茂兰、中村隧道实际揭示花岗岩蚀变情况看，围岩蚀变
劣化主要表现出以下四方面的特点：
特点一：围岩劣化为砂土状。

围岩呈砂状，整体较密实，超前注浆浆液扩散
性差，预加固效果差，爆破扰动后，呈松散砂土状涌出，带动掌子面及周边围岩
溜坍。

特点二：围岩劣化为块状。

围岩呈直径20cm左右块石状，块石之间填充软
弱蚀变体，爆破振动引起充填的软弱蚀变体松动、掉落，围岩呈“涌石”状涌出，主要表现为掌子面上方及周边溜坍。

特点三：蚀变岩体遇水呈泥状。

掌子面围岩呈大面积蚀变体，围岩强度低，
手捏易碎，围岩本身含水量大，遇水后呈泥状，自稳性差，涌水量增大会造成呈
泥状涌出，引发突泥。

特点四：围岩软硬不均。

掌子面围岩均质性差，表现为左、右，上、下软硬不均，多见“镜面”擦痕，一侧围岩强度高，需爆破作业，另一侧蚀变严重，围岩强度及稳定性差，单侧爆破扰动易引起另一侧失稳溜坍。

3 花岗岩蚀变坍塌预防与处置
3.1掌子面溜坍预防
3.1.1合理选择开挖工法
选择固定的开挖工法。

针对蚀变劣化的Ⅳ级、Ⅴ级围岩，全部采用三台阶法施工，减小掌子面临空面，既可以满足频繁变化的围岩级别，又不会因为频繁调整工法造成间歇性的停工。

图6 三台阶法示意图
如图6，上台阶的高度控制在2.5～2.8m，出碴时，预留小部分洞渣作为上台阶的核心土，在喷射混凝土后扒断面时一起清理，可以减小掌子面临空面，方便作业，提高工效。

3.1.2控制超前支护和开挖进尺
充分发挥加深炮孔的重要作用。

技术人员全程跟踪，记录加深炮孔钻速、是否卡钻、顶钻，出水点位置等信息，提交工区总工，对加深炮孔预报结果进行分析；同时对加深炮孔司钻工进行考核奖励，凡是在钻孔过程中发现异常，及时避免了掌子面溜坍的，对司钻工进行奖励。

及时调整超前支护参数和开挖进尺。

根据加深炮孔判释地质情况，调整超前支护参数和开挖进尺，局部软弱部位加密小导管的间距；Ⅳ级、Ⅴ级围岩以2榀/循环为宜，遇到围岩强度低、稳定性差时，缩短开挖进尺。

3.1.3优化施工组织
掌子面开挖后迅速喷射混凝土封闭岩面，减缓围岩风化速度。

对于蚀变软弱
围岩，开挖后立即组织喷射混凝土封闭岩面，立架、喷浆后再组织出碴、施作锁脚、超前小导管等工序。

3.2掌子面溜坍处置
3.2.1快速反压回填。

一旦发生掌子面溜坍，果断采取措施，及早反压回填，抑制溜坍发展，减小溜坍造成的空腔范围，稳定掌子面。

3.2.2强化超前支护。

加密超前小导管，必要时采用双层、多层小导管注浆
加固。

3.2.3合理选择开挖方法。

以掌子面和周边稳定为原则，逐榀开挖支护；对左、右软硬不均情况，采用“简易CRD法”单边开挖支护，增加临时竖撑，另一
边支护完成后拆除临时竖撑。

3.2.4强化支护结构。

溜坍段围岩强度低、不能自稳，需采用型钢加强支护，提高支护刚度，避免后期变形。

3.2.5及时回填注浆。

溜坍段支护完成后，及时对初支背后进行回填注浆，
避免溜坍形成初支背后脱空。

4 花岗岩蚀变初支变形预防与处置
4.1花岗岩蚀变支护变形预防
4.1.1杜绝初支背后脱空。

安排专人盯控喷射混凝土施工质量，并签字确认；落实初支验证孔制度，杜绝初支背后脱空。

4.1.2调整预留变形量。

根据监控量测结果，及时分析同类围岩变形规律，
针对性调整预留变形量，避免因变形造成支护侵限。

4.1.3尽快封闭成环。

加快仰拱施工进度，尽快完成初期支护封闭成环，提
高初期支护整体受力能力。

4.1.4减少初支暴露时间。

加快二衬施工组织，缩短二衬与掌子面距离，减
少初期支护暴露时间。

4.2初支大变形处置
4.2.1落实监控量测预警机制。

建立监控量测预警机制和监控量测微信工作群，及时掌握初支变形情况，变形异常时及时下发预警通知单。

4.2.2径向注浆扩大加固圈。

初期支护变形初期阶段，采用小导管径向注浆，加固并扩大围岩稳定圈，发挥围岩自身的承载能力。

4.2.3套拱加大支护刚度。

当初期支护持续变形时，果断增加套拱，增加初
期支护的刚度。

5 结论
大临铁路红豆山、张家山、茂兰、中村隧道施工揭示长段落花岗岩蚀变体，
花岗岩蚀变分布规律性差，施工中多次发生花岗岩蚀变岩体坍方、支护变形。

通
过对花岗岩蚀变掌子面溜塌、初支变形案例的分析，总结花岗岩蚀变的特性，针
对性的采取溜塌、初支变形的预防和应对措施，解决了花岗岩蚀变的工程难题，
目前大临铁路已顺利开通运营。

（1）大临铁路穿越勐海-临沧花岗岩台地，区域内岩浆活动强烈而频繁，具
多期旋回活动的特点，经历了华西力、印支、晋宁、燕山、喜山等期次，岩石类
型复杂、多变。

花岗岩蚀变分布规律性差，蚀变类型复杂，岩体完整性差异大，
局部富水，隧道施工存在涌水、突泥风险，局部变形失稳等灾害。

（2）从红豆山、张家山、茂兰、中村隧道实际揭示花岗岩蚀变情况看，围
岩蚀变劣化主要表现为砂土状、块状、遇水呈泥状及围岩软硬不均等特点。

（3）合理选择施工方法、加强施工质量控制、优化施工组织，可有效预防
和快速应对花岗岩蚀变引起的溜坍和初支变形。

参考文献
[1]郭健,许模,张强.蚀变花岗岩特征及工程特性研究[J].甘肃水利水电技术,2009,45(09):27-29+42.
[2]于新华,翦波.蚀变花岗岩工程特性研究[J].西部探矿工程,2007(06):94-96.
[3]王琨.花岗岩蚀变带隧道大变形机理研究[D].西南交通大学,2011.
[4]沈乐.富水花岗岩蚀变带隧道变形机理及稳定性控制的模型试验研究[D].西南交通大学,2012.
[5]聂林.富水花岗岩蚀变带隧道大变形机理及控制技术研究[D].西南交通大学,2012.
[6]蔡俊华.穿越花岗岩蚀变带隧道的工程地质特征及突涌机理分析[J].公路工程,2018,43(02):246-252+256.
[7]蔡俊华.穿越花岗岩蚀变带的隧道突涌机理及施工许可评价方法研究[D].中国地质大学,2018.
[8]方星桦,杨曾,阳军生,彭学军,汤宇,刘伟龙.高地应力隧道蚀变花岗岩地层围岩大变形特征及控制措施[J].中国铁道科学,2020,41(05):92-101.
作者简介：高振斌（1986—），男，陕西渭南人，工程师，长期从事铁路、公路工程有关的施工至和技术管理工作。

基金项目：中国中铁股份有限公司科技研究开发计划2020-引导-315。