膨脹土圍巖隧道施工技術(shù)要點研究

張勇

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院土建系，四川 南充 637131）

膨脹土是在工程上一種特殊地質(zhì)的土體，往往會給工程項目帶來一定的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。膨脹土中親水性礦物的存在，使其具在吸水時體積增長和失水時體積減小兩種特性。膨脹土的脹縮變形量大小受膨脹土中諸如蒙脫土、黏粒含量等親水性的大小和離子交換量的控制，這也是膨脹土發(fā)生脹縮變形的根本原因。鑒于其脹縮特性，給工程設(shè)計、施工、運(yùn)營等產(chǎn)生嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，了解膨脹土的工程特性、成因、分布，掌握膨脹土地區(qū)保障隧道穩(wěn)定的施工控制措施，解決膨脹土圍巖帶來的工程問題，是膨脹土圍巖隧道研究的重要議題。

一、膨脹土圍巖的工程特性

常見的膨脹性圍巖一般有長石、泥巖、云母、頁巖、蛇紋巖、無水芒硝等巖石以及主要親水性礦物組成的粘土等。在膨脹土地區(qū)的修建隧道，常常會遇到隧道開挖后圍巖因應(yīng)力松弛而產(chǎn)生變形或因圍巖受水侵蝕發(fā)生膨脹擠壓變而出現(xiàn)圍巖形塌等現(xiàn)象。隨著時間推移，隧道拱頂和側(cè)墻向內(nèi)部變形加劇，隧道底部土體向上鼓起，使得圍巖斷面面積不斷減小，影響隧道設(shè)計斷面凈空面積。膨脹土圍巖具有復(fù)雜的工程性質(zhì)，具體表現(xiàn)在以下五方面。

（一）脹縮特性

圍巖就是巖土體，膨脹土圍巖的礦物組成和含量多少、圍巖結(jié)構(gòu)密實程度及強(qiáng)度大小、圍巖結(jié)構(gòu)組成類型等是其脹縮變形的物質(zhì)基礎(chǔ)也是內(nèi)因。而水是誘導(dǎo)膨脹土圍巖出現(xiàn)膨脹和收縮變形的根本所在。膨脹土在吸水時發(fā)生明顯膨脹現(xiàn)象，失水時干縮開裂，不論是膨脹還是收縮，土體的強(qiáng)度都會出現(xiàn)明顯下降，都將破壞圍巖的穩(wěn)定性。除此之外，影響膨脹土脹縮開展程度因素還有膨脹土的初始含水量、初始應(yīng)力、親水礦物含量、土體密度等。

（二）裂隙發(fā)育

結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育是膨脹土圍巖常見的特征表現(xiàn)。在原始狀態(tài)下，膨脹土具有高強(qiáng)度特性，邊界支撐平衡狀態(tài)會隨著隧道開挖逐漸被打破。不及時進(jìn)行襯砌施工，減少圍巖暴露時間，從而會使得膨脹土圍巖風(fēng)干收縮開裂，使圍巖強(qiáng)度急劇衰減。膨脹土中裂隙的大量存在，破壞了圍巖的連續(xù)性和整體結(jié)構(gòu)，影響圍巖的穩(wěn)定，使得膨脹土圍巖的工程性質(zhì)變得復(fù)雜而且對隧道安全建設(shè)產(chǎn)生不良影響。

（三）超固結(jié)特性

膨脹土圍巖在先期固結(jié)壓力作用下處于相對密實的超固結(jié)狀態(tài)，圍巖中集聚了較高的原巖應(yīng)力。隨著坑道的施工，圍巖壓力釋放，打破了圍巖的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，為獲得新的應(yīng)力平衡，圍巖會以變形壓密的方式或者坍塌的方式獲得新的平衡，加之施工期間膨脹土圍巖中水的變化，也影響著圍巖強(qiáng)度和變形的開展。

（四）遇水崩解性

膨脹土中親水礦物吸水后體積膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，以致圍巖發(fā)生剝蝕崩解現(xiàn)象。膨脹土的膨脹潛勢類型不同其崩解程度是不一樣的，無側(cè)限條件下，膨脹潛勢強(qiáng)的膨脹土崩解速度很快且比較完全，一般幾分鐘就崩解完成。膨脹潛勢弱的膨脹土浸水后崩解速度慢且崩解的并不完全。膨脹土的初始含水量也影響其崩解特性，對干燥土而言浸水崩解速度較快且崩解比較徹底，崩解的速度相對緩慢且崩解的并不完全是較濕潤土地的特點。崩解特性是直接影響隧道施工中人員機(jī)械的安全，開挖隧道后應(yīng)及時施做襯砌封閉圍巖，可有效避免巖塊掉落危及施工安全。

（五）強(qiáng)度衰減性

一般來說未開挖的膨脹土圍巖的強(qiáng)度較高，隧道開挖后土體遇水軟化或干縮開裂后強(qiáng)度降低。天然膨脹性巖土的超固結(jié)性使得其峰值強(qiáng)度高，由于蒙脫土、伊利石等親水性粘土礦物的存在，土體吸水膨脹軟化，強(qiáng)度急劇衰減。減少的速度與幅度，與膨脹土中的礦物組成、土的結(jié)構(gòu)和含水程度等有關(guān)。原始狀態(tài)下，膨脹土具有較高的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)其吸水后，體積急劇增加，密實程度下降，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角降低，其中粘聚力的減少是其強(qiáng)度衰減主要來源，內(nèi)摩擦角的變化較小，對強(qiáng)度的影響也小。根據(jù)庫侖定律可知，抗剪強(qiáng)度參數(shù)減小，其抗剪強(qiáng)度也會降低。脹縮變形會隨圍巖含水量增減變化往復(fù)發(fā)生，以致強(qiáng)度衰減持續(xù)發(fā)展。

二、膨脹土圍巖隧道施工技術(shù)要點

在膨脹土地區(qū)修建隧道，應(yīng)堅持“擾動少、襯砌快、量測勤、封閉緊、治水嚴(yán)，防治結(jié)合、綜合治理”原則，保障隧道施工的安全和穩(wěn)定，具體可以采用以下施工控制措施。

（一）加強(qiáng)膨脹土開挖前的圍巖穩(wěn)定措施

隧道工程施工前應(yīng)詳細(xì)開展工程地質(zhì)調(diào)查，查閱文獻(xiàn)資料，開展實地調(diào)查掌握膨脹土分布范圍、體量、地下水分布情況，對膨脹土不良地質(zhì)情況做全面了解和分析，選擇合理的的施工方法。監(jiān)控量測是現(xiàn)代隧道工程及地下工程施工質(zhì)量和安全的重要技術(shù)手段，是直觀、可靠的評價圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的的技術(shù)方法，是掌握圍巖動態(tài)過程的必要手段，是進(jìn)行工程設(shè)計、施工、驗收的重要依據(jù)。施工過程中密切關(guān)注和觀測對圍巖壓力及其流變情況，適時調(diào)整施工進(jìn)度，改變施工方法和襯砌支護(hù)措施，對保證圍巖穩(wěn)定、工程質(zhì)量和施工安全有重要的作用。膨脹土圍巖可能在隧道開挖前就積累了較多裂隙，隨著隧道的開挖，應(yīng)力解除，強(qiáng)度降低，極容易發(fā)生錯臺、坍塌的危險，可通過超前工程地質(zhì)勘探技術(shù)，掌握膨脹土的分布和體量，采用超前錨桿、超前注漿、超前管棚等超前支護(hù)措施，填充裂隙，固化土體，降低膨脹特性，增強(qiáng)膨脹土圍巖抗剪承載力，確保施工安全。

（二）合理選擇施工方法

不合理的膨脹土地區(qū)隧道施工方法，會直接影響隧道的穩(wěn)定和安全，出現(xiàn)坍塌、地面沉陷等工程病害。合理的施工方法對保障膨脹土圍巖隧道的穩(wěn)定性有著極其重要的作用。膨脹土圍巖隧道應(yīng)減少對圍巖擾動，其開挖可采用擾動較小的人工掘進(jìn)或小型鉆機(jī)。不宜采用大擾動的礦山施工方法。開挖過程中，采取必要措施如及時進(jìn)行襯砌施工，封閉圍巖減少暴露時間，恢復(fù)洞壁約束。開挖方法宜采用臺階開挖法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD 工法。對于跨度小的隧道可以采用正臺階法，該施工方法分部較少，各分部之間的相互干擾較小，且可以保障早封閉圍巖的要求。對于跨徑較大的隧道可采用側(cè)壁導(dǎo)坑法或CRD 工法，通過開挖導(dǎo)坑，探索前方地質(zhì)情況，適時調(diào)整施工方法和進(jìn)度，可以有效減少圍巖變形。

（三）膨脹土開挖過程中的水處理措施

水是膨脹土圍巖要發(fā)生脹縮變形就必須要有水的變化，因此圍巖中水的變化直接影響圍巖強(qiáng)度和體積變化，決定膨脹土圍巖隧道病害開展程度。膨脹土地區(qū)開挖隧道控制圍巖含水量變化，總的來說就是要做好“嚴(yán)于治水，疏堵結(jié)合”施工，隧道開挖后，暴露的圍巖不論是失水還是吸水，圍巖變形都會加劇，影響圍巖穩(wěn)定和安全。隧道在未施工底部支護(hù)前，如若坑底頻繁積水，土體軟化，吸水膨脹，產(chǎn)生底鼓力，出現(xiàn)底部隆起。如不及時處理，就會產(chǎn)生邊墻受剪力發(fā)生剪切破壞、墻腳向內(nèi)移動、拱圈破損甚至導(dǎo)致整個支護(hù)體系破壞。所以及時噴射混凝土，封閉暴露圍巖，防止地表水、地下水、施工用水等侵入圍巖就顯得尤為重要。滲流地段的隧道可采取注漿堵水措施防止地下水浸濕膨脹土圍巖，隧道內(nèi)設(shè)置地下滲溝、排水溝等排水措施排除圍巖周圍地下水。同時做好地表水疏排工作，可以在膨脹土圍巖地表周圍設(shè)置截水溝攔截、排水溝排除地表水，減少地表水下滲到隧道膨脹土圍巖中。

（四）膨脹土開挖后及時施作襯砌封閉圍巖

在膨脹土地區(qū)修建隧道，宜采用帶仰拱的圓形斷面或接近圓形的馬蹄形斷面，并宜采用復(fù)合式襯砌支護(hù)措施。一是要“早支護(hù)、柔支護(hù)、及時成環(huán)封閉圍巖”，就是要盡快施工初期支護(hù)，采用噴錨支護(hù)等柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)來封閉圍巖，提供一定的支護(hù)抗力，允許圍巖有一定的塑性變形，又不至于發(fā)生松散掉落。“及時成環(huán)封閉圍巖”就是施作整個隧道斷面的襯砌，封閉圍巖，使圍巖在一次襯砌控制條件下產(chǎn)生圍巖變形，以充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。二是分層支護(hù)，剛度逐漸加大，在圍巖發(fā)生一定變形后控制變形增長。三是選擇合理的二次襯砌施作時間，過早則不利于充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力；過晚則不利于變形控制，變形過大、隧道凈空得不到保證，不滿足設(shè)計斷面要求。

結(jié)束語：綜上所述，鑒于膨脹土具備的超固結(jié)特性、裂隙發(fā)育、脹縮特性、遇水崩解特性、強(qiáng)度衰減特性等工程性質(zhì)給膨脹土圍巖隧道帶來的風(fēng)險和挑戰(zhàn)，施工單位采取必要工程措施，做好膨脹土地區(qū)隧道穩(wěn)定性控制，是預(yù)防圍巖開裂、襯砌變形、坑道塌陷、地面沉陷、洞底鼓起等隧道病害的根本保障，是確保工程施工安全和整體質(zhì)量的重要手段。