淺談膨脹性圍巖對隧道施工的影響

【摘要】我國的膨脹性巖層分布面積、區(qū)域非常廣泛，主要分布在我國的西南、西北、長江和黃河下游以及東南海沿海地區(qū)。在膨脹性的地層中間挖掘隧道，會導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生形變，或者因?yàn)榻l(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致在膨脹性圍巖中的隧道設(shè)施發(fā)生了位移，從而引發(fā)圍巖失去穩(wěn)定性以及襯砌破壞。本文對膨脹性的圍巖的特點(diǎn)進(jìn)行分析，在隧道施工中膨脹性圍巖的影響以及膨脹性圍巖的隧道施工的防護(hù)措施，對隧道施工的安全穩(wěn)定進(jìn)行有極大的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】膨脹性圍巖；隧道施工；影響分析

一、膨脹性圍巖的特點(diǎn)

（一）膨脹性圍巖的濕脹干縮往復(fù)變形特點(diǎn)。干燥型的膨脹性圍巖的巖層比較堅(jiān)硬，容易脆裂，其垂直和水平放向的裂隙非常明顯。圍巖裂縫隨著深度變深，其寬度和變化的速度會減少并逐漸消失。但是這種裂縫被水浸濕之后，巖層就會慢慢收縮導(dǎo)致裂隙變窄或閉合，其強(qiáng)度大大降低。膨脹土質(zhì)一般粒土顆粒的含量比較豐富，可塑性較高，土的結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)，大多是中等的壓縮土。其礦物中最主要的成分是蒙脫石黏土以及伊利石和多水高嶺土這些親水性的礦物，這些礦物的化學(xué)成分有二氧化硅以及氧化鋁和氧化鐵的化合物。這種組成的礦物吸水后會出現(xiàn)非常明顯的膨脹和軟化情況，當(dāng)它失水時(shí)就會收縮并硬化，總言之，就是濕脹干縮特性比較明顯。

（二）膨脹性圍巖的潛在應(yīng)力特點(diǎn)。軟質(zhì)的膨脹性圍巖有很多種，例如頁巖、泥巖凝灰?guī)r、蒙脫石質(zhì)泥巖和有地?zé)崽囟ǖ耐临|(zhì)底層。這些軟質(zhì)的膨脹性圍巖的特點(diǎn)是當(dāng)它們因?yàn)閿嗔鸦蛘唏薨欁饔眯纬傻钠扑閹?，在隧道施工挖掘之后會直接暴露出來，?jīng)歷風(fēng)化和雨水作用，其體積就會膨脹，從而對隧道支撐和襯砌產(chǎn)生不利。尤其是當(dāng)膨脹性圍巖的破碎地帶、節(jié)理和縫隙中存在黏土填充物時(shí)，由于其本身的成分中含有活動性的礦物成分，所以會在隧道挖掘暴露之后立即膨脹，特別在吸收雨水之后，膨脹速度非?？?。

二、膨脹性圍巖對隧道施工的不利影響

膨脹性圍巖由于自身的特殊地質(zhì)性質(zhì)和圍巖的壓力特點(diǎn)，會在隧道挖掘不久就會產(chǎn)生膨脹壓力，隨后圍巖繼續(xù)風(fēng)化、軟化、甚至開裂，從而向內(nèi)部擠壓和膨脹并造成底部隆起。這種形變發(fā)生的速度快且延續(xù)的時(shí)間比較長，導(dǎo)致增加了整治的難度，隨時(shí)間的推移，這種形變會愈演愈烈從而引起嚴(yán)重的后果。

（一）普通開裂現(xiàn)象。隧道開始挖掘之后，由于隧道上面的膨脹土體的原始張力逐漸釋放會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，加上表層的土暴露在外受到風(fēng)化的影響產(chǎn)生收縮裂縫。這兩種上下的因素會擴(kuò)大膨脹性圍巖的裂縫寬度，特別是拱部圍巖部分會產(chǎn)生更大的影響從而形成一種叫做“脫離區(qū)”的拱部局部變形區(qū)。

（二）坑道下沉現(xiàn)象?？拥老鲁连F(xiàn)象是由于坑道下半部分的膨脹土體承載能力較弱，以及坑道上半部分的壓力太大而導(dǎo)致的。另外，在挖掘隧道的時(shí)候要分部進(jìn)行，當(dāng)后面工序中由于圍巖的暴露出現(xiàn)膨脹問題，會產(chǎn)生很大的收縮地壓力，當(dāng)坑道下沉變形之后，會因?yàn)檫^度的支撐導(dǎo)致變形甚至折斷失效，最后導(dǎo)致圍巖土體的坍塌。

（三）膨脹凸出和坍塌現(xiàn)象。隧道坑道在挖掘過程中和挖掘之后會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致周圍的膨脹土體向隧道內(nèi)部膨脹，導(dǎo)致挖掘斷面變小。當(dāng)膨脹體系受到的支撐力量不夠時(shí)，圍巖壓力和膨脹壓力的雙重作用力，會造成圍巖土體發(fā)生局部破壞甚至產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象。

（四）隧道底部隆起現(xiàn)象。在挖掘隧道底部時(shí)，洞底的圍巖向上的壓力消失，當(dāng)沒有仰拱支護(hù)體進(jìn)行約束時(shí)，其膨脹壓力會逐漸釋放，導(dǎo)致洞底的巖層發(fā)生卸荷膨脹；由于隧道內(nèi)部容易積水，洞底的土體由于吸水會進(jìn)一步發(fā)生膨脹，就會導(dǎo)致嚴(yán)重的洞底隆起形變。

（五）襯砌的形變現(xiàn)象。在隧道的挖掘過程中，采用先做襯砌的拱部后做側(cè)墻時(shí)，拱部襯砌完成之后圍巖的壓力和膨脹作用，會導(dǎo)致拱腳向內(nèi)移動，當(dāng)其受力不均并下沉?xí)r，拱腳的支撐作用力會變大，最終形成向上扭曲的形變身子發(fā)生折斷現(xiàn)象。

三、膨脹性圍巖的隧道施工的防護(hù)措施

（一）對圍巖的壓力和流變進(jìn)行精細(xì)測量。在膨脹性圍巖中進(jìn)行隧道挖掘，不僅要在施工前對其特性和規(guī)模進(jìn)行調(diào)研，參考其它類似工程實(shí)例，按照其設(shè)計(jì)文件中的技術(shù)要求進(jìn)行技術(shù)規(guī)范，而且在施工的過程中要對圍巖壓力和流變進(jìn)行精細(xì)的測量和分析。另外，還要探明地下水的分布情況，分析地下水對隧道施工產(chǎn)生影響的程度，然后根據(jù)圍巖的動態(tài)采取匹配的施工措施。

（二）施工方法要合理。由于膨脹性隧道圍巖中的壓力會對圍巖和支護(hù)襯砌的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，為保證隧道的穩(wěn)定性以及施工過程中的安全性，就一定要采取科學(xué)合理的施工方式。1、使用短臺階法或者中央導(dǎo)坑法進(jìn)行挖掘。使用這種方法進(jìn)行挖掘時(shí)，開挖的部分應(yīng)該加以控制，在開挖后立即對圍巖采取約束措施，利用拱架式的柵欄進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)膨脹壓力很大時(shí)，應(yīng)該在隧道的底部設(shè)置錨桿并在隧道的頂部斜向頂入錨桿或小導(dǎo)管，形成一種閉合的環(huán)路。打設(shè)斜向錨桿時(shí)，要按照公路隧道施工技術(shù)規(guī)范嚴(yán)格控制錨桿的傾斜角度、錨桿長度、錨桿間的距離。2、采用鋼纖維混凝土噴射混凝土層。為提高噴層的抗拉、抗剪能力，應(yīng)該采用鋼纖維混凝土。襯砌的拱部應(yīng)該與側(cè)墻同時(shí)施工，仰拱應(yīng)該在前期快速完成，另外仰拱和側(cè)墻的連接處最好做成圓弧形狀。當(dāng)圍巖的壓力很大、形變難以控制時(shí)，就應(yīng)該在上臺階或者中央導(dǎo)坑的底部建筑臨時(shí)的混凝土仰拱進(jìn)行支撐，等到形變不在繼續(xù)時(shí)，開始對下步臺階進(jìn)行施工。在施工過程中，為減少對圍巖的擾動和水的浸濕干擾，就應(yīng)該采取無爆破的掘進(jìn)方法，例如采用掘進(jìn)機(jī)、液壓鎬等設(shè)備進(jìn)行挖掘。在挖掘過程中，要縮短圍巖的暴露時(shí)間，并及時(shí)的進(jìn)行襯砌支撐，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的圍巖膨脹變形。

（三）加強(qiáng)支撐設(shè)備的設(shè)置。1、在膨脹性圍巖處挖掘隧道時(shí)，要盡早噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。2、當(dāng)圍巖的膨脹壓力比較大的時(shí)候，可以根據(jù)工程的實(shí)際情況和圍巖的形變程度，采用不同類型的型鋼、鋼管或者鋼筋格柵進(jìn)行支撐。3、采用木支撐或鋼木混合支撐時(shí)，要將其間距縮短，用模板或鋼板和楔子填塞支撐圍巖；上導(dǎo)坑和拱部擴(kuò)大的支撐之間要預(yù)留一些沉落空間。4、在拱圈進(jìn)行灌注之后，拱腳部分要及時(shí)設(shè)置強(qiáng)度比較大的橫撐，來緩沖兩側(cè)圍巖向隧道內(nèi)部產(chǎn)生的擠壓形變。

總結(jié)：在對膨脹性圍巖進(jìn)行隧道施工時(shí)，要根據(jù)工程的不同實(shí)際情況，分析圍巖的特性，選擇具有可操作性、保證安全并能夠充分利用機(jī)械和人工效率的施工方法。在對隧道施工方案進(jìn)行制定之前，應(yīng)該對以往的類似工程實(shí)例進(jìn)行分析，吸收其中好的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對其中的失誤進(jìn)行規(guī)避，這樣才能減少工程中的失誤，并提高方案的可行性和科學(xué)性，從而提高整個(gè)工程的穩(wěn)定性和安全性。在施工過程中，相關(guān)人員仍讓要根據(jù)實(shí)際情況中的條件變化不斷的、及時(shí)的調(diào)整實(shí)施方案，從而最大化的保證工程質(zhì)量。

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作者簡介

牙韓元（1991年1月-），男，壯族，籍貫：廣西河池。西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)土木工程系在讀本科生。