膨胀岩隧道施工技术.doc

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膨胀岩隧道施工技术

1前言

1.1膨胀机理

膨胀岩问题是当今工程地质学和岩石力学领域中较复杂的世界性研究课题之一。

膨胀岩的膨胀取决于两方面因素，一是内因：

主要包括岩石成分（矿物成分、化学成分和粒度）、天然含水量和湿度状况、胶结程度等三种，这些决定了膨胀岩膨胀能力和膨胀潜势的大小；二是外因：

工程活动造成膨胀岩的水分得失和内应力、强度变化等，它决定了膨胀岩的实际膨胀程度。

很明显，工程活动过程中，膨胀岩产生膨胀的外部条件都不可避免地得到了不同程度的满足。

岩土膨胀的实质是由所含粘土矿物的亲水性造成的。

研究表明：

蒙脱石具有巨大的膨胀能力；其次是伊利石；而高岭石的膨胀能力最弱，几乎不具膨胀性。

另外，软岩的膨胀还与这些粘土矿物的含量有直接而密切的关系。

以往研究成果表明：

当蒙脱石含量达7%以上或伊利石含量达20%以上时，软岩即具有明显的胀缩特性，且其含量愈高，胀缩率愈大。

天然状态泥质膨胀性软岩的含水情况是决定其膨胀潜势的重要因素之一。

对膨胀性软岩而言，其天然含水量愈大，膨胀势愈头小；而天然含水量愈小，则膨胀势头愈大。

泥质岩胶结情况是决定其膨胀潜势大小和膨胀性发挥程度的关键因素之一。

胶结性越差的岩石其膨胀性越强。

国内膨胀岩岩性主要有：

灰白、灰绿、灰黄、灰红和灰色的泥岩、泥质粉砂岩、页岩、风化的泥灰岩、风化的基性岩浆岩、蒙脱石化的凝灰岩以及含硬石膏、芒硝的岩石等，岩石由细颗粒组成，遇水时有滑腻感。

1.2膨胀岩的特性

⑴超固结性

未经卸荷作用而处于原始状态的膨胀岩是稳定的，同时在水的作用下，膨胀岩大多具有原始地层的超固结特性，在岩体中储存较高的初始应力。

膨胀性岩层在开挖前，岩体没有受到扰动并处于三向受力状态，保持着空间平衡。

由于隧道开挖对膨胀岩体产生扰动，破坏了原有平衡，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。

同时，施工中不可避免地产生水与膨胀岩的接触，引起了膨胀岩化学状态的改变，使得内部应力变化、强度降低现象进一步加剧，使围岩产生变形破坏。

因此，膨胀岩开挖后将产生较大塑性变形。

⑵干缩湿胀性

膨胀岩裂隙发育，裂隙多充填灰白、灰绿色等富含蒙脱石的物质。

这些亲水性粘土矿物，因吸水而膨胀，失水而收缩。

干湿循环产生的胀缩效应：

一是使岩体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大；二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或是收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，并对支护结构产生较大的荷载。

1.3膨胀岩的判别和分级

1.3.1膨胀岩的判别

膨胀岩的判别目前还没有统一的标准，国内外大多采用反映膨胀性能的指标来进行判别。

铁路工程通过膨胀岩的野外地质特征及室内判定指标（自由膨胀率、膨胀力和饱和吸水率）进行判定。

膨胀岩判定指标见表1－1。

表1－1 膨胀岩试验判定指标

试验项目

判定指标

自由膨胀率（％）

不易崩解的岩石

≥3

易崩解的岩石

≥30

膨胀力（kPa）

≥100

饱和吸水率（％）

≥10

注：

①对于不易崩解的岩石，取轴向或径向自由膨胀率中较大值进行判定。

②对于易崩解的岩石将其粉碎，过0.5mm的筛去除粗颗粒后，比照土的自由膨胀率试验方法进行试验。

③当有2项符合表中所列指标时，在室内可判定为膨胀岩。

1.3.2膨胀软岩的分级

在判定为膨胀性软岩的基础上，有必要进行膨胀潜势分级，以便对不同级别的膨胀性软岩，采用相应的工程设计、施工及防护措施，保证工程的安全性和稳定性。

膨胀软岩分级标准可以参考表1－2判别。

表1－2 膨胀性软岩分级标准

名  称

极限膨胀率（％）

膨胀力（kPa）

饱和吸水率（％）

自由膨胀率（％）

非膨胀性软岩

＜3

＜100

＜10

＜30

弱膨胀性软岩

3～15

100～300

10～30

30～50

中膨胀性软岩

15～30

300～500

30～50

50～70

强膨胀性软岩

＞30

＞500

＞50

＞70

2膨胀岩隧道施工的原则

根据膨胀岩的机理和作用特性，施工时以排水和控制围岩变形为重点，严格遵循“方案合理，措施有力；刚柔并举，宁强勿弱”的原则。

①方案合理，措施得力：

在明确隧道掌子面前方岩体膨胀性指标的基础上，制定合理的施工方案，在合理方案的前提下，细化各施工步骤的技术措施，有效的控制围岩变形。

②刚柔并举，宁强勿弱：

在隧道开挖后，根据膨胀岩实际情况，选择合适的支护方式，要一定程度上允许地应力适当释放，同时又必须遏制其过度释放而导致过大的围岩变形。

因此，在支护方式上，一般采用先柔后刚、先让后顶、分层支护的方法。

就支护强度而言，需要有足够的安全系数，避免在已支护洞段在极大的膨胀压力作用下造成支护的破坏。

③快速支护，及时封闭成环是有效地控制膨胀岩变形的关键。

针对膨胀岩初期变形大、发展速度快，稳定性受地下水影响大等特点，施工的关键在于各施工工序的连续性及紧凑性，特别是仰拱施工尽可能提前，以降低水对隧道底板的作用，同时支护形成环状受力。

3膨胀岩隧道施工要点

3.1洞口处理

膨胀岩隧道洞口浅埋段易出现地表开裂现象，在降水的影响下极易对隧道造成破坏，主要采取以下处理措施。

⑴首先施作洞口完善天沟，截流山体坡面水。

有大的流水要尽可能远引排流。

⑵夯填洞口附近隧道顶的大坑槽和洼地，避免积水下渗。

⑶洞口边仰坡采取喷砼及时封闭。

3.2开挖方式的选择

膨胀岩隧道的开挖以最大限度地减轻对围岩的扰动为原则，根据围岩情况，一般选用机械开挖或钻爆法开挖，开挖遵循少分部、短进尺、多循环的原则。

根据围岩状况和隧道设计断面大小，采用全断面法开挖或分部开挖。

3.3初期支护要点

采用锚喷支护能有效的控制围岩变形及应力释放，防止较大的膨胀压力作用在二次衬砌刚性支护上，产生巨大的破坏作用。

膨胀岩隧道的初期支护主要由喷射砼、锚杆或锚索、钢筋网、钢架等组成。

⑴喷射砼

①喷射混凝土分层施工，以达到控制围岩变形及应力释放的目的。

一般来说，喷射砼分2次以上实施。

②开挖后及时喷射砼封闭开挖面，及时约束围岩变形，降低水对膨胀围岩的作用。

③膨胀岩喷射砼一般采用添加纤维的混凝土，并设置钢筋网及钢架。

⑵锚杆（管）

①对膨胀岩体的锚固，原则上采用“边支边让”的原则，支是指借助一定的锚固力，约束围岩的自由膨胀变形，让是指由锚固约束的变形控制在一定范围以内，起到卸压的作用。

必要时对掌子面进行锚固。

锚杆（管）长度根据松弛圈确定。

②锚杆的安设在喷射砼封闭开挖面后及时进行。

③根据膨胀岩的实际情况，通常采用锚固方式有：

普通锚杆，预应力锚杆，可拉伸锚杆，预应力锚索等。

结构可拉伸锚杆通过杆体结构的设计，使其在工作状态时，能提供一定的伸长变形，达到控制变形的目的，结构拉伸式锚杆能适应较大的变形岩体的支护；结构可拉伸式锚杆主要有机械结构滑动式、杆体套筒式、孔口结构式、挤压式等。

3.4施工排水

由于膨胀岩具有吸水膨胀、失水收缩的特性，所以在施工中加强现场排水尤为重要。

对开挖后暴露围岩，采取早封闭，各道工序紧密衔接，连续施工的方法，尽量减小洞内水对膨胀岩的影响。

⑴膨胀性围岩隧道施工中对水的处理，基本原则是：

严格管理洞内施工用水，及时引排洞内渗水积水，坚决抵制洞外积水下渗。

⑵膨胀岩地段的防排水，应以防为主，防、堵、截、排相结合的原则，并结合当地的气象、水文、地质，因地制宜进行。

⑶及时施作锚喷支护，封闭暴露围岩。

防止施工用水和水汽浸入岩体。

隧道浅埋段的地表低洼处必须填平，小河沟（槽）采用浆砌封闭，防止地表水下渗。

⑷在有水地段，如断层破碎带，节理发育、地下水丰富地段，应采取全断预注浆封堵。

⑸拱脚、墙脚不积水，及时施作仰拱，围岩暴露地段采用设置管道、木槽或浆砌排水沟排水，避免水漫流。

⑹洞内渗漏水点，及时施作盲沟或采用弹性软式水管，将水引入排水沟，排出洞外。

3.5二次衬砌

二次衬砌最佳施作时间根据围岩的收敛速度和总变形量的大小来决定。

在初期支护变形基本稳定后进行。

⑴各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定。

⑵已产生的各项位移已达到预计总位移量的80%～90%。

⑶周边位移速率小于0.1～0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d。

⑷当围岩变形过大、长时间都不能收敛时，要提前施作二次衬砌，并对二次衬砌采取加强措施。

3.6施工监测

膨胀岩土本身的遇水膨胀，失水收缩的特性对膨胀性岩土隧道施工极为不利，具体表现在收敛急剧扩展、拱顶下沉加大，甚至坍塌等，所以对膨胀岩隧道的监测预警显得尤为重要。

监控量测的结果综合反映了围岩动态，加强施工监测，才能对围岩和支护情况作出正确评价。

施工监测主要项目是指：

隧道内周边位移（主点为洞腰收敛位移、拱顶下沉、底鼓位移）、浅埋段地表位移，以及洞内地质与水文的观测与设计对比。

3.7膨胀岩隧道施工特殊情况处理措施

3.7.1大变形处理措施

在膨胀压力引起大变形情况下，喷射砼层会出现剥落、掉块和破坏，或钢架扭曲、锚杆拉断等现象。

为适应大变形的要求，初期支护可采取下列措施：

⑴预留纵向变形缝的喷射砼支护，变形缝10～30cm；

⑵采取可缩式钢架，每榀钢可设2～5个可缩接头，每个接头可缩10～20cm左右；

⑶同时加密、加长高强度锚杆，以抗御膨胀压力。

3.7.2底鼓的处理措施

隧道未作底部支护时，隧道底便成为围岩应力释放的集中部位。

另外，由于底部的积水，使围岩浸泡软化，吸水膨胀，从而产生底鼓现象，如不及时加以控制，便会产生墙脚内移、边墙剪断、拱圈破损、坍塌而导致整个支护衬砌破坏。

底鼓的防治措施如下：

⑴施工期间及时施作仰拱。

膨胀性围岩隧道在施工期间及时施作仰拱，使支护尽早形成闭合结构，同时防止水流浸泡基底。

⑵采用长锚杆加固底部围岩。

底鼓现象严重的层状岩层，采用长锚杆加固底部围岩，可提高节理裂隙面上的抗剪强度和岩体的整体刚度。

在松散破碎围岩可采用注浆加固，以增加岩体的强度和整体性。

⑶作好隧底的防排水工作。

不让水浸泡底部围岩。

4保证质量和安全的措施

根据国内外的施工经验，针对膨胀岩隧道施工中开挖面失稳、支撑下沉、断面挤入、衬砌开裂等破坏现象，采取以下措施。

⑴稳定开挖面的措施

在开挖面喷混凝土并设置锚杆，为方便开挖，可在掌子面打设玻璃纤维锚杆，以稳定开挖面。

⑵加强基脚的措施

向底部地层注浆加固；向两侧打底部锚杆，支撑加底板及横向肋；或设临时仰拱。

⑶防止边墙挤入、底部上鼓的措施

在两侧边墙增打加长锚杆，锚杆长度要超过围岩塑性区范围；设底部横撑、打底部锚杆；修筑仰拱；缩短台阶长度，及早闭合；下半断面、仰拱同时施工；设纵向伸缩缝，采用可缩性支撑。

⑷防止开裂的措施

采用钢纤维喷混凝土；设加强钢筋；设纵向伸缩缝。

⑸临时卡口梁

当围岩或支护收敛变形较大或开挖软弱地段下部时，在起拱线或地面以下50cm处增设型钢卡口梁，局部地段在地面以下施作钢筋混凝土卡口梁。

⑹套拱

施作套拱也是限制围岩变形的措施之一。

当围岩或支护收敛变形较大或增长加快时，沿初期支护内缘套设型钢钢架，并在拱墙脚打锁脚锚杆，与其焊接在一起。

⑺加强衬砌

在开挖时发生坍塌或围岩支护变形很大，长期不能趋于稳定情况下，征得设计同意，采取加强衬砌措施以确保隧道结构安全。

膨胀岩隧道施工中的不利现象的处理措施见表4-1。

5工程实例

5.1隧道概况

乌鞘岭特长隧道全长20050m，设计为两座单线铁路隧道，线间距40m，线路坡度为11‰的下坡。

隧道通过地层岩性复杂，沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类共存，且以沉积岩为主，在隧道1号斜井工区右线YDK163+600～YDK164+700的1.1km范围内为第三系上新统膨胀性泥岩夹砂砾岩地层，岩层软弱，成岩作用差，遇水易软化和风化，风化物成土状，其蒙脱石含量17.53％～22.54％，自由膨胀率42.98