膨脹性泥巖隧道明挖施工對隧道主體結(jié)構(gòu)的影響評價及對策研究

張大偉 張銳 王小江

中建隧道建設(shè)有限公司（401320）

膨脹性泥巖隧道明挖施工對隧道主體結(jié)構(gòu)的影響評價及對策研究

張大偉 張銳 王小江

中建隧道建設(shè)有限公司（401320）

這里通過研究膨脹性泥巖對隧道兩側(cè)土體的強度與穩(wěn)定性的影響，得出膨脹性泥巖對隧道主體結(jié)構(gòu)的影響，提出了明挖施工對隧道主體結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求以及對隧道兩側(cè)土體的支護和加固的方法。

膨脹性泥巖；隧道主體結(jié)構(gòu)；施工

膨脹性泥巖地層在我國有著較廣的分布，具有容易吸水膨脹以及泥化等特性，故在膨脹性泥巖施工前必須要對膨脹性泥巖進行預(yù)加固處理。如果在隧道施工的過程中遇到膨脹性泥巖底層，則處理起來比較困難。膨脹性泥巖隧道的破壞形式主要是初期支護出現(xiàn)變形，土體位移變化速率增大。而出現(xiàn)的變形如果不加以控制，很容易發(fā)生隧道斷面減小、混凝土出現(xiàn)裂縫，最終造成隧道初期支護的失敗。如此一來不僅增大了處理難度，而且延誤工期，這樣不利于節(jié)約成本以及影響了施工組織。因此在膨脹性泥巖地層中進行隧道工程施工，除了對泥巖進行預(yù)處理之外，還需要研究膨脹性泥巖明挖施工對隧道主體結(jié)構(gòu)的影響和膨脹性泥巖隧道兩側(cè)土體強度和穩(wěn)定性，并且提出對隧道兩側(cè)土體防水和支護方案。

1 膨脹性泥巖對隧道兩側(cè)土體強度和穩(wěn)定性的危害性研究

膨脹性泥巖隧道對隧道兩側(cè)土體即泥巖的強度和穩(wěn)定性有較高的要求，而這兩點對隧道主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及使用功能有著很大的影響，因此在進行膨脹性泥巖隧道施工時需要對泥巖進行預(yù)處理。影響膨脹性泥巖穩(wěn)定性的因素主要是地質(zhì)條件的優(yōu)良程度和設(shè)計、施工的合理性。實際上，膨脹性泥巖隧道的穩(wěn)定性受到多種因素綜合作用，比如地下水，地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素的影響。自然狀態(tài)下的膨脹性泥巖是處在擠壓狀態(tài)的，隧道開挖完成后膨脹性泥巖被挖出，形成了一個空間，沒有被挖出的泥巖發(fā)生松脹變形，如果泥巖的松脹力超過其極限承受力，那么泥巖就會脫落，隧道就很容易發(fā)生坍塌而造成工程事故。

膨脹性泥巖自然狀態(tài)下的初始應(yīng)力也會影響其強度。當(dāng)隧道的開挖深度增加，初始應(yīng)力隨之增大，一定范圍內(nèi)泥巖的強度沒有發(fā)生變化，而隨著開挖繼續(xù)加深，應(yīng)力持續(xù)增大，出現(xiàn)所謂的高應(yīng)力或及高應(yīng)力，隧道兩側(cè)土體很可能發(fā)生大變形甚至坍塌。在施工過程中遇到此類情形時應(yīng)根據(jù)實際情況降低圍巖的級別。

泥巖的工程性質(zhì)比較復(fù)雜，巖體的強度決定了隧道兩側(cè)土體的穩(wěn)定性，然而膨脹性泥巖吸水的特性會使巖體強度降低。水對泥巖穩(wěn)定性的影響很大，隧道施工過程中的塌方事故很多情況下是水造成的。水對不同的圍巖地質(zhì)的影響是不同的，膨脹性泥巖地質(zhì)尤其嚴(yán)重。膨脹性泥巖是由黏土脫水膠結(jié)而成，有遇水后膨脹的特點。在水的持續(xù)作用下,泥巖的結(jié)構(gòu)相應(yīng)地發(fā)生了變化，尤其是當(dāng)泥巖重復(fù)遇水—失水—遇水這樣的過程時,膨脹性泥巖容易液化或流動。近年來平均每年發(fā)生的滑坡災(zāi)害數(shù)次數(shù)在1萬起左右，其中80%以上發(fā)生在雨季。地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果也顯示，90%的滑坡事故是由降雨誘發(fā)。因此，水對泥巖的影響是巨大的，研究水對膨脹性泥巖的影響也有很大的現(xiàn)實意義。

2 根據(jù)膨脹性泥巖對隧道兩側(cè)土體的清渡河穩(wěn)定性的危害提出隧道明挖施工對隧道主體結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求

1）隧道兩側(cè)土體必須足夠堅硬。如果有松動部位必須進行加固或剔除,以保證混凝土的正常澆筑。混凝土澆筑應(yīng)注意清理基底雜物、積水和浮碴,按設(shè)計要求裝設(shè)止水帶并自檢防水系統(tǒng)設(shè)置情況。澆筑混凝土要按照規(guī)范要求，采用自下而上、先墻后拱、對稱澆筑的原則進行澆筑。加強在澆筑過程中對混凝土密實性的技術(shù)措施,采用高頻振搗器振搗，輔以附著式震動器。

2）隧道兩側(cè)土體表面應(yīng)覆防水隔離膜。此舉防止膨脹性泥巖從澆筑的混凝土中吸水膨脹，發(fā)生物理化學(xué)作用，最終導(dǎo)致泥巖體積膨脹、破碎和分解，以致圍巖強度降低，完整性下降，軟化崩解。最終隧道大面積的變形，并導(dǎo)致了支護系統(tǒng)遭到了破壞,甚至造成隧道兩側(cè)土體坍塌事故。此外，泥巖吸水膨脹會對新澆筑的混凝土主體產(chǎn)生較大的側(cè)壓力。若泥巖對混凝土的側(cè)壓力不均勻，則在混凝土初期強度低的情況下會導(dǎo)致混凝土開裂事故。

3）主體混凝土結(jié)構(gòu)中配置的鋼筋，在配筋率一定的情況下，宜采用直徑較小的鋼筋。此舉可縮小鋼筋間的間距，其間距最好不要超過150 mm。混凝土在收縮過程中鋼筋對混凝土限位影響較大，故應(yīng)將鋼筋分散布置，如一層變兩層或單根均布，同時減小護層厚度,減少混凝土表面與內(nèi)部的差異，脹縮均勻，這樣有利于提高混凝土的抗裂能力以減少裂縫的產(chǎn)生。

3 膨脹性泥巖隧道加固和支護方法

根據(jù)膨脹性泥巖自身強度低、易吸水膨脹的特性，隧道開挖前要對泥巖進行超前支護和加固。加固方法宜選用管棚法。管棚法是在擬開挖的地下隧道或結(jié)構(gòu)工程的襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先鉆孔并安設(shè)慣性力矩較大的厚壁鋼管，以起到臨時超前支護作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進與后續(xù)支護工藝安全運作。管棚法支護距離長、施工快、工期短、安全性高。管棚的特點是在開挖之前先將鋼管沿隧道開挖輪廓線外打入上部圍巖中，外露端支承焊接在立好的鋼拱架上，一般情況下，鋼管主要布置在隧道上斷面。開挖面上形成了一個由鋼管作為骨架的“保護棚”，在隧道開挖面形成的管棚整體受力，發(fā)揮拱環(huán)效應(yīng)，對上部圍巖坍方和地表下沉起到了一個良好的約束作用，對圍巖的穩(wěn)定性和隧道開挖施工安全地提供了有力的保障。其簡圖如圖1所示。

圖1 管棚法施工簡圖

4 膨脹性泥巖隧道施工的處置對策

為避免圍巖對隧道主體結(jié)構(gòu)的影響，通過管棚法施工，提前加固泥巖，使泥巖的狀態(tài)處在可以保證不會對隧道主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻擠壓，減少隧道主體混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與施工的安全。開挖過程中應(yīng)注意避免對泥巖的擾動，保證圍巖的穩(wěn)定性，減少圍巖坍塌事故。在施工過程中避免膨脹性泥巖受到水的侵蝕。加強監(jiān)控量測的力度，時刻注意圍巖與隧道主體結(jié)構(gòu)的變形情況，以保證隧道施工安全順利地開展。

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