膨脹性圍巖隧道施工技術研究

高學華GAO Xue-hua

（中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶404100）

0 引言

一般膨脹性圍巖指的是在水的物理化學作用下發生體積膨脹的圍巖。比較常見的具有膨脹性質的巖石有頁巖、云母、無水芒硝、泥巖、長石、蛇紋巖和含硬石膏鈣芒硝等巖石以及主要由強親水性礦物組成的粘土等，由于其具有遇水膨脹的特性，在這類巖體中開挖隧道經常會產生較多的病害。隧道在膨脹圍巖中常見的病害包括圍巖變形過大、開裂、坍塌冒頂、隧道底部隆起，襯砌變形乃至支護結構破壞等。

中國已經建成通車的膨脹巖隧道有崔家山隧道、關角隧道、桃坪隧道、引灤入津隧洞、南嶺隧道、云臺山隧道等。影響膨脹巖隧道的性能的因素有很多，其中較為重要的包括膨脹性礦物的成分及含量、地下水、襯砌結構剛度和施工方案、物理力學指標等。由于我們對膨脹巖的認識還未成熟，尤其是在判別膨脹巖等級、膨脹壓力和膨脹量方面國內外還未形成統一標準，加之隧道工程的復雜性，在膨脹巖體中的隧道施工仍有許多問題得不到有效解決。本文結合湖北宜（昌）巴（東）高速公路界嶺隧道在施工中的經驗，對膨脹巖體中的隧道施工技術進行了探討和研究，以期能夠為以后類似工程提供可以借鑒的經驗。

1 膨脹巖的基本特征及對隧道穩定性的影響

1.1 膨脹巖的基本特征 膨脹巖內含伊利石、蒙脫石等粘土礦物，這類礦物親水性強，導致膨脹巖體具有極強的親水性，遇水后對水產生強烈的吸附作用，使顆粒間粘結力大大削弱、間距增大、體積膨脹，膨脹率高、膨脹壓力大，同時，遇水之后膨脹巖強度降低，崩解性強，對隧道穩定性及其維護十分不利。

1.2 膨脹巖對隧道穩定性的影響 進行隧道掘進開挖時，隧道圍巖應力場重新分布，膨脹巖隧道周邊發生變形進入塑性狀態，圍巖松動，裂隙擴展，孔隙度增大。膨脹圍巖在自有的含水量或施工用水引起含水量變化條件下產生膨脹變形，如果隧道不及時支護或支護形式不當、支護強度不足，就會引起隧道過大的變形、最終造成結構破壞，若隧道圍巖未進行加固且支架為剛性，則圍巖膨脹產生的膨脹壓力便作用在支架上，隨著膨脹含水量的增加和時間的延展，膨脹的圍巖巖體范圍越來越大，支架所受的膨脹壓力也隨之增大，支護結構破壞。同時，圍巖松動圈繼續增大，裂隙進一步增大，為深部圍巖充填水分提供條件，從而又引起深部膨脹巖體膨脹，進而導致隧道支護結構的穩定性惡化，出現隧道崩坍。

2 膨脹巖隧道施工基本原則

處治膨脹巖的基本原則：加固圍巖、先柔后剛、先讓后頂、變形留夠、底部加強、分層支護。通過對隧道掌子面做進一步的地質勘查，詳細了解到膨脹巖的分布及走向情況，其影響隧道邊墻及拱腳，采取如下措施：

①優化隧道洞室開挖斷面。為適應四周均受壓的應力狀態，避免應力集中，支護結構形式采用圓順的近圓形斷面。適當調整設計預留變形量。

②超前預支護。超前支護采用管材為φ42熱軋無縫鋼管，壁厚3.5mm，長度3.5m，縱向間距1.6m，環向間距40cm，仰角10°，布設于拱頂150°范圍內。

③加固圍巖。結合圍巖及施工的實際情況，對于左側邊墻及拱架處于膨脹巖中和局部松散破碎的圍巖，采用徑向加長加密小導管注漿加固。

④柔性支護。鋼筋網噴射23cm厚C25混凝土，內設可伸縮性的U29型鋼拱架，拱架縱距80cm。噴射混凝土層在可伸縮性節點處設置環向伸縮縫。對于變形量大的巖面，噴射混凝土層環向每5m布設一條寬10cm的縱向變形縫。

⑤仰拱封閉。上半斷面開挖完成后，施作上臺階臨時仰拱，待下臺階開挖完成后，及時施作鋼筋混凝土仰拱襯砌。

⑥剛性支護。待初支變形速率＜0.2～0.5mm/d時，施作剛性二襯。二次襯砌采用50cm厚鋼筋混凝土結構。

⑦疏導排水，控制好施工用水，減少水的漫流和積水浸泡，以達到“保濕防滲”，減少巖體濕漲干縮對隧道產生不利影響。采用保持原巖濕度狀態，阻隔施工用水及施工開挖引起的地下水流入隧道左側的膨脹巖中，引發圍巖膨脹加力。

⑧施工順序。拱部小導管注漿超前支護，上半斷面挖掘機爬渣開挖支護，左右錯開下挖馬口，施作下部支護，下部機械開挖，人工修整，跳槽施作仰拱及填充，最后拱墻襯砌。

3 工程實例

湖北宜（昌）巴（東）高速公路界嶺隧道進洞口位于宜昌市夷陵區霧渡河鎮，出洞口位于興山縣水月寺鎮。該隧道采用分離的獨立雙洞雙向四車道公路隧道，隧道凈空采用三心圓曲墻斷面（拱半徑R1=5.60m，曲墻半徑R2=8.10m，仰拱與側墻采用R3=1.0m的小半徑圓弧連接，仰拱半徑R4=15.00m），設計凈寬10.25m，凈高 5.0m，其中左洞全長 5653m，右洞全長5681m。

隧道左幅在掘進至ZK79+254處時掌子面左側曲墻及拱腳部位圍巖揭露巖性為片麻巖、云母片巖的全～強分化產物，巖體遇水后迅速軟化，呈半巖半土狀，強度極低，手捏即碎，顏色以灰白色為主。對圍巖取樣試驗分析其礦物成分中含有親水礦物——伊利石、蒙脫石，該礦物遇水膨脹，失水收縮，體積變化大，漲縮可反復交替，采用自然堆積法試驗所測其自由膨脹率Fs=70%，屬中等偏強膨脹。膨脹性圍巖性狀變化主要由巖體含水量變化引起，若能保持開挖前的含水量，通常不具備膨脹特性，但開挖后膨脹性圍巖迅速干燥失水，再遇水便要膨脹崩塌，其干燥失水越多，遇水膨脹變形也越大，膨脹壓力即會增加，同時巖體軟化，承載力降低。原設計并未對該段特殊地質作出說明，按剛性工字鋼鋼拱架+超前小導管支護施工日后必然會隨膨脹壓力的增大導致拱墻初支錯臺侵限進而發展到洞室坍塌，對隧道安全性產生影響。

圖1 膨脹巖區域襯砌結構形式

4 施工技術要點

4.1 超前支護 局部膨脹巖及拱頂巖體松散破碎，隧道拱部沿設計開挖線采用φ42注漿小導管做超前支護，環向施設加密加長小導管注漿加固圍巖，以提高松散軟巖的強度及膨脹巖的粘聚力和內摩擦，降低其孔隙率，并起堵水防滲作用。

圖2 U29型鋼拱架總裝圖

4.2 適當加大預留變形量 施工中適當加大預留變形量由10cm增大至30cm，以保證設計凈空，防止侵界現象出現，也可以在變形中釋放殘余應力。

4.3 隧道開挖 界嶺隧道膨脹巖為含親水礦物——伊利石、蒙脫石的片麻巖、云母片巖，巖體風化破碎，遇水后迅速泥化膨脹，呈半巖半土狀，強度極低，手捏即碎。根據這一圍巖特征，采取留核心土環形開挖法。嚴格控制進尺，每循環進尺不超過90cm，開挖方法采用挖掘機爬渣成洞，人工修整。開挖完成后，選用C25噴射混凝土初噴3cm厚進行掌子面封閉。

4.4 初期支護鋼架的選取 為符合膨脹巖處治的原則，初支采用U29型鋼加工的鋼拱架。U29型鋼拱架比工字鋼拱架、H型鋼拱架及格柵拱架制作復雜，通常是通過生產廠家按設計圖制作好運往工地，現場組裝較為迅速、簡單（詳見U29型鋼拱架總裝圖）。縱向間距為80cm，連接筋采用B22螺紋鋼，環向間距50cm，在拱架后鋪設一層A8鋼筋網，網格尺寸為15×15cm。

4.5 底板及仰拱施工 對于未封底的隧道，膨脹極易引起隧道底鼓，隧道左側膨脹及其他周邊圍巖的綜合應力向底板傳遞，底板在強烈的應力作用下首先失穩，故底板及仰拱施工顯得尤為重要。底板及仰拱采用棧橋法進行全幅施工，全幅灌注。

4.6 二襯襯砌 按照新奧法原理，隧道二次襯砌只是作為受力的安全儲備，但因膨脹地段圍巖內應力大，圍巖膨脹變形具有長期性，所以二次襯砌比正常圍巖段厚，結構配筋率大。二次襯砌施作，應在圍巖和初期支護變形基本穩定后進行，變形基本穩定符合：隧道水平收斂（拱腳附近7d平均值）小于0.2mm/d，拱部下沉速率小于0.15mm/d；采用液壓襯砌臺車整體澆筑，每襯砌段長10m。

5 監控量測

由于膨脹巖的特殊性質會給隧道施工帶來很大的影響，容易產生變形過大、支護結構破壞等工程問題，必須在隧道開挖過程中對其進行有效的監控量測，以便及時采取相應措施予以控制。

圖3 膨脹巖地段監測點位布置圖

在本工程中，對膨脹巖地段的監測項目如表1所示。

6 施工注意事項

①膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性對于隧道施工來說極為不利，特別是在地下水豐富，地表降水大的條件下，隧道極易失穩，所以對膨脹土隧道的監控量測就顯得尤為重要。

②開挖掌子面應預留3～4m的核心土，防止膨脹土開挖應力釋放導致掌子面崩塌。

③膨脹土隧道施工工序盡可能的緊湊，開挖完畢后盡快支護。

表1 膨脹巖區域監測項目

④及時的施作仰拱，盡量減小仰拱施作與掌子面的距離。

⑤由于膨脹土本身穩定性非常差，錨桿對于提高圍巖穩定性和整體性有著重要的作用，所以必須及時搭設錨桿。

7 結語

膨脹土隧道施工的關鍵在于在正確的依照設計施工的基礎上，擴大監控量測的范圍，根據隧道圍巖變形及受力的情況及時的調整施工工藝。從本實例隧道施工效果來看，施工方案是完全合理的，希望本隧道在膨脹巖中的順利施工能夠為類似工程提供有用經驗。

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[3]JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術細則[S].

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