淺析隧道膨脹土施工技術(shù)

張義民

摘 要：膨脹土是一種特殊性質(zhì)的高塑性粘土，隨含水量變化具有吸水膨脹、脫水收縮的特征，膨脹土的力學(xué)特性隨含水量變化發(fā)生巨大改變。文章根據(jù)哈布特蓋隧道施工情況，對(duì)隧道施工中如何應(yīng)對(duì)膨脹土問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。通過(guò)實(shí)踐總結(jié)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，隧道膨脹土問(wèn)題不能單純靠加大初期支護(hù)的剛性來(lái)限制變形，應(yīng)改限制變形為允許變形，采用“先讓后頂”剛?cè)峤Y(jié)合的方法綜合治理，并在施工中注意早發(fā)現(xiàn)，早處理，對(duì)二襯進(jìn)行必要的加強(qiáng)及早施作。文章以新建伊敏至伊爾施鐵路哈布特蓋隧道為例，對(duì)膨脹土隧道施工技術(shù)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：隧道；膨脹土；施工技術(shù)

1 哈布特蓋隧道膨脹土施工情況

哈布特蓋隧道是新建伊敏至伊爾施鐵路中長(zhǎng)度最大的隧道，位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市境內(nèi)，鐵路穿越呼倫貝爾草原，全長(zhǎng)185公里，隧道全長(zhǎng)3.4公里，大部分圍巖較好，部分地段圍巖破損，節(jié)理較發(fā)育，地下水豐富，施工難度較大。

施工可分為未確認(rèn)膨脹土隧道初期支護(hù)變形處理階段和確認(rèn)為膨脹土后施工階段。

1.1 未確認(rèn)膨脹土前隧道初期支護(hù)變形處理階段

由于沒(méi)有想到變形是由膨脹土引起，所以，處理原則采用的是強(qiáng)支護(hù)，限制圍巖變形的思想，通過(guò)加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度，達(dá)到限制圍巖變形的目的。

隧道出口掌子面施工至DK133+072時(shí)，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反映DK133+110-DK133+095段拱部下沉處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊收斂值較大，累計(jì)最大處達(dá)到61毫米。為防止變形進(jìn)一步擴(kuò)大，確保初支結(jié)構(gòu)安全，對(duì)變形地段采用了橫向架設(shè)Ⅰ18工字鋼進(jìn)行支撐，限制收斂變形?，F(xiàn)場(chǎng)檢查隧道內(nèi)情況，圍巖級(jí)別為五類，地質(zhì)為黃褐色粉質(zhì)粘土，地下水比前一地段明顯加大，未變形地段初期支護(hù)混凝土處于干燥狀態(tài)，而變形段為濕潤(rùn)狀態(tài)，局部出現(xiàn)滲流，線滴現(xiàn)象。

加設(shè)橫向支撐后隧道周邊收斂并未減弱，變形繼續(xù)加大，且有加速的趨勢(shì)，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，此階段收斂速率達(dá)到每天10多毫米。鐵路隧道施工規(guī)范第9.0.11第2條規(guī)定，凈空變化速率小于0.2mm/d時(shí)圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)圍巖位移速率不斷上升時(shí)，圍巖處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

直到12天后DK133+095位置收斂已達(dá)185毫米。滲水量進(jìn)一步加大，初支結(jié)構(gòu)收斂變形明顯，出現(xiàn)大量縱、橫向裂縫，拱架出現(xiàn)嚴(yán)重變形，局部初支砼呈破碎狀態(tài)，且有進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)。

為防止變形進(jìn)一步加大，施工中陸續(xù)采取了加設(shè)I18工字鋼支撐，并進(jìn)行環(huán)向小導(dǎo)管注漿等方法。壓注水泥水玻璃雙液漿，使圍巖土體迅速固結(jié)，強(qiáng)制土體穩(wěn)定，同時(shí)可以盡量減弱地下水滲出。

通過(guò)加固處理，收斂變形逐漸趨于穩(wěn)定，才逐漸對(duì)侵限地段拆除了橫撐，進(jìn)行了換拱處理。

掌子面繼續(xù)開挖施工時(shí)，由格柵鋼架改為I18工字鋼型鋼拱架，但實(shí)際效果并不理想，無(wú)法抵御圍巖變形，初支結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了較大收斂并出現(xiàn)裂紋，局部型鋼拱架出現(xiàn)變形，繼續(xù)采取了加固，換拱措施。

1.2 確定膨脹土后的處理措施

發(fā)生變形6個(gè)月，為找出變形真正原因，制定可行的施工方案，確保安全，掌子面始終處于停工狀態(tài)。

期間，請(qǐng)有資質(zhì)的單位對(duì)臨時(shí)加設(shè)的橫向工字鋼支撐進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)定，結(jié)果顯示支撐型鋼承受的應(yīng)力達(dá)80Mpa多。

通過(guò)對(duì)圍巖取樣試驗(yàn)，確定圍巖土體為膨脹土，土樣自由膨脹率達(dá)60%多。隧道初支變形的真正原因才終于找到。

經(jīng)過(guò)分析，論證，調(diào)整了思路，改剛性支護(hù)為柔性支護(hù)，“先讓后頂”，改限制圍巖變形為允許圍巖產(chǎn)生較大變形，在施工初期支護(hù)時(shí)預(yù)留圍巖變形空間，釋放土內(nèi)的壓力，并采取對(duì)周圍土體進(jìn)行注漿加固，加強(qiáng)二襯等措施，加強(qiáng)圍巖變形觀測(cè)，待變形達(dá)到基本穩(wěn)定后，再進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

本階段，由于所剩余膨脹土地段長(zhǎng)度較小，并且膨脹土地層逐步上移，初支結(jié)構(gòu)收斂變形并不是十分劇烈，基本上未采取第二次加固措施，收斂變形就處于穩(wěn)定狀態(tài)。

此圖為膨脹土DK133+050斷面從初期支護(hù)完畢到變形趨于穩(wěn)定的過(guò)程。從圖中可以看出變形速率處于明顯下降狀態(tài)，表明圍巖處于逐步穩(wěn)定狀態(tài)。

2 膨脹土對(duì)初支結(jié)構(gòu)影響原因分析

膨脹土的顯著特點(diǎn)和危害就體現(xiàn)在體積遇水膨脹，失水干縮上，由于隧道開挖，破壞了原有地下水的平衡狀態(tài)，改變了徑流方向，隧道內(nèi)成為水壓力最小方向，大量地下水向洞內(nèi)方向匯集，隧道周圍高塑性粘土含水量升高，體積發(fā)生膨脹，向壓力小的方向（隧道洞內(nèi)）產(chǎn)生位移，靠初支結(jié)構(gòu)的剛度難以抵御，使初支結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。

3 膨脹土施工措施

3.1 加強(qiáng)膨脹土預(yù)報(bào)觀察，早發(fā)現(xiàn)，早處理

在設(shè)計(jì)、施工中對(duì)高塑性粘土地段要高度重視，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況結(jié)合試驗(yàn)，確定是否為膨脹土。一般情況在地下水小的區(qū)域施工中由于土體含水量變化不大，膨脹性表現(xiàn)的并不明顯，一旦地下水量發(fā)生變化，就要密切注意隧道收斂情況，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，盡早確定粘土是否具有膨脹性，盡早制定切實(shí)可行的施工法案。

3.2 水是引起膨脹土破壞的根本原因，施工時(shí)要密切注意地下水的變化。施工中要根據(jù)實(shí)際情況探尋解決地下水的方法。

3.3 采取先讓后頂?shù)脑瓌t，先采用柔性支撐，待發(fā)生一定的變形后再增加初支結(jié)構(gòu)剛度

膨脹土含水量一旦發(fā)生變化，其引起的強(qiáng)大內(nèi)聚力，單靠增加初支結(jié)構(gòu)的剛度不但很難限制圍巖變形，還會(huì)大大增加成本。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，不可能無(wú)限制的增加初支結(jié)構(gòu)的剛度。因此出于思想應(yīng)允許變形，給與一定的變形空間，膨脹土體積變化一定程度后，內(nèi)力就得到了一定的釋放，變形和壓力也會(huì)逐漸減小，此時(shí)，再對(duì)初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理，采用對(duì)初支結(jié)構(gòu)補(bǔ)噴混凝土，加設(shè)臨時(shí)支撐等方法，增加支護(hù)剛度，初支結(jié)構(gòu)承受的壓力比開始就提高剛度要小很多，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。施工時(shí)可以采用格柵鋼架密支撐噴砼，再掛鋼筋網(wǎng)補(bǔ)噴砼或加工字鋼支撐的方法進(jìn)行。預(yù)留變形量要視膨脹土膨脹情況進(jìn)行調(diào)整，一方面滿足圍巖膨脹要求，另一方面還要為初支變形后二次處理預(yù)留空間，保證二襯厚度。

3.4 由于膨脹土遇水后，土體處于變形不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行注漿處理，采用環(huán)向錨管，縱橫間距根據(jù)土體情況和實(shí)際效果調(diào)整，對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行固結(jié)，考慮用水泥水玻璃雙液漿，加快凝結(jié)時(shí)間，加固隧道周圍土體，減弱變形發(fā)展。

3.5 二襯結(jié)構(gòu)要適當(dāng)加強(qiáng)，并及早施作

對(duì)二襯結(jié)構(gòu)要進(jìn)行加強(qiáng)，增加配筋，在穩(wěn)定后及早施作，并注意加強(qiáng)對(duì)二襯變形進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，分析收斂情況和二襯受力情況。

3.6 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，通過(guò)變形觀測(cè)，及時(shí)反饋圍巖變化信息，對(duì)施工情況和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)真分析，檢驗(yàn)圍巖的穩(wěn)定情況和施工方案的實(shí)際效果，根據(jù)圍巖變化情況確定下步施工方案。

膨脹土對(duì)隧道施工危害極大，水是產(chǎn)生變形的核心，要在經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，采用“先讓后頂”的原則，加強(qiáng)在設(shè)計(jì)施工各環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確調(diào)查，及早發(fā)現(xiàn)，及早應(yīng)對(duì)，綜合處理。