淺析膨脹性圍巖隧道的成因及其施工特點(diǎn)

[摘 要]由于膨脹土自身的性質(zhì)，膨脹性圍巖隧道的施工是一個(gè)較難的工程問題。本文擬對膨脹性圍巖隧道常見的問題進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]膨脹性圍巖 膨脹效應(yīng) 施工特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U451.2；U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）16-0199-01

膨脹土廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等地均有不同范圍的分布。由于膨脹性圍巖具有的遇水膨脹失水收縮的特點(diǎn)，它使膨脹性隧道圍巖常常發(fā)生收縮與膨脹變形，進(jìn)一步導(dǎo)致開裂、坍塌等危害，對在建及建成的隧道建筑物造成巨大威脅。同時(shí)膨脹性隧道圍巖也具有變形的速度快，發(fā)生破壞的區(qū)域大，整治相對困難等特點(diǎn)。因此對于膨脹性圍巖隧道的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

一：膨脹土的組成及基本性質(zhì)

膨脹土含有大量的活性粘土礦物，如蒙脫石和伊利石。其主要成分由親水性礦物組成，有較強(qiáng)的漲縮性，多含有鈣質(zhì)或鐵錳質(zhì)結(jié)構(gòu)，一般呈棕、黃、褐色及灰白。

由于膨脹性圍巖大多數(shù)是原始地層，所以其中所具有的初始應(yīng)力是相當(dāng)大的。在隧道開挖之后，由于圍巖由之前的圍壓變成了二向受力，在開挖面上是無任何支撐壓力的。一方面圍巖中原來的應(yīng)力將會(huì)發(fā)生釋放，從而使圍巖發(fā)生卸荷膨脹。另一方面在三向受力變成二向受力之后，加上圍巖裸露在空氣中將加速其風(fēng)化脫水，從而大大降低圍巖的強(qiáng)度。膨脹土還具有明顯的脹縮效應(yīng)。由于它的反復(fù)性將會(huì)大大降低圍巖的強(qiáng)度，從而使圍巖隧道發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)破壞。

綜上上面所講的膨脹土所擁有的特性，它將使隧道在開挖后不久就產(chǎn)生膨脹性圍巖隧道最常見也是最棘手的膨壓問題，由于它膨脹收縮的反復(fù)以及裸露圍巖的迅速風(fēng)化，隧道兩側(cè)將會(huì)許多大的開裂，同時(shí)不斷向內(nèi)發(fā)生膨脹擠壓，特別是在底腳處的擠壓將會(huì)使底部兩邊隆起；膨脹性隧道圍巖變形的速度快，發(fā)生破壞的區(qū)域大，整治起來也相對困難。隨著時(shí)間的增長，它將使隧道內(nèi)部發(fā)生較大變形。

二：施工時(shí)可能遇到的問題

由于膨脹土的特性，在隧道施工時(shí)會(huì)常常遇到各種各樣的問題。反復(fù)的收縮膨脹，應(yīng)力的不斷釋放，裸露面的風(fēng)化，等都將使得圍巖的強(qiáng)度大大降低。同時(shí)由于水的作用又將使膨脹性圍巖發(fā)生較大變形從而使隧道發(fā)生破壞。

首先爆破就是讓人頭痛的事情。在爆破前，膨脹土是處于平衡應(yīng)力狀態(tài)之下的。如果我們采取的爆破方式太過強(qiáng)烈，就會(huì)使原來膨脹土的平衡與應(yīng)力狀態(tài)在較大的影響之下發(fā)生較大改變從而使膨脹土發(fā)生較大的收斂變形。同時(shí)在爆破之前的膨脹土是處于三向受力平橫狀態(tài)的，由于爆破的時(shí)間短，那么除爆破面以外的主應(yīng)力是沒有多大改變的。這樣處于二向受力的土體會(huì)超過其強(qiáng)度包線，從而發(fā)生崩塌等危害。

其次在隧道開挖之后，一方面由于開挖面上并沒有支撐反力從而使膨脹土體的原始應(yīng)力向外釋放，同時(shí)由于膨脹土的風(fēng)化速度很快，裸露在外的開挖面將會(huì)發(fā)生較快的風(fēng)化干裂。這兩種因素都將促使膨脹土圍巖發(fā)生裂縫并不斷增加。另一方面由于在自重應(yīng)力的影響下，山體中的水會(huì)不斷向下滲透。在隧道開挖之后，水會(huì)沿著開挖面向下流動(dòng)。由于隧道的頂部及周圍都已經(jīng)有了復(fù)合式襯砌，所以其能夠限制膨脹土的活動(dòng)。這時(shí)水就逐漸在仰頂聚集，與膨脹性圍巖作用后形成膨壓。而其帶來的最常見的破壞就是仰拱。

三：針對遇到的問題的解決方案

首先爆破時(shí)應(yīng)減小對圍巖的擾動(dòng)，宜采用無爆破掘進(jìn)和微震爆破施工工藝，開挖的輪廓要適當(dāng)?shù)姆糯?。在隧道施工爆破過程中要嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺，嚴(yán)格把握每個(gè)單眼裝藥量和單段裝藥量，并使最大段裝藥量減少。

針對施工開挖，膨脹性圍巖隧道宜選用超短臺(tái)階兩步開挖法。為了盡量減少圍巖在空中暴露的時(shí)間以及要盡量早的使膨脹性圍巖從二向受力回到三向受力，可以采取上下臺(tái)階分部開挖， 由于其相互干擾小， 斷面分塊少， 所以其能盡早地使整個(gè)隧道斷面的初期支護(hù)閉合， 適應(yīng)于膨脹性圍巖隧道的特點(diǎn)， 是很好的一種施工方法。但是施工的時(shí)候需要注意的是， 因上半部斷面較扁平， 受力不利， 在下半部分開挖時(shí)， 易引起拱腳懸空發(fā)生變形， 施工時(shí)可采用臨時(shí)仰拱或預(yù)應(yīng)力橫撐， 將拱腳頂緊， 形成拱部臨時(shí)封閉結(jié)構(gòu)， 改善受力條件。同時(shí)也應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行混凝土噴射快速的給與圍巖早期的支撐力。

膨脹土圍巖隧道開挖之后，除了需立即噴射混凝土及早進(jìn)行支護(hù)之外。在膨脹壓力較大時(shí)，則需要進(jìn)行其它支撐加固。可采用不同類型的型鋼支撐、鋼管環(huán) 箍支撐和鋼筋格柵支撐等。而針對于可能出現(xiàn)的膨壓效應(yīng)，應(yīng)在供底與拱腳的位置進(jìn)行增打錨桿，進(jìn)行加固。

四：結(jié)束語

本文的內(nèi)容只是對于膨脹性圍巖的成因及其施工特點(diǎn)提供簡單的概覽并給出了一些比較具有代表性的建議。鑒于土木工程施工的特殊性及工程實(shí)例的局限性，本文給出的建議并不是放之四海皆準(zhǔn)的。廣大工程建設(shè)者應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際及水文地質(zhì)情況的配合，適當(dāng)調(diào)整和結(jié)合處理方案，充分發(fā)揮創(chuàng)造力。在面對膨脹性圍巖隧道施工問題時(shí)，要盡量多的參考前人經(jīng)驗(yàn)，從其他已經(jīng)面臨過此等問題的工程中得到經(jīng)驗(yàn)，最終要避免因了解不足而帶來的方案錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉海蛟 淺談膨脹性圍巖對隧道施工的影響

[2] 朱明亮 膨脹性圍巖隧道施工技術(shù)

[3] 張廣洋 張志強(qiáng) 膨脹性圍巖隧道支護(hù)措施探討

作者簡介：李藝 1993年11月出生，現(xiàn)本科就讀于西南交大峨眉校區(qū)土木工程專業(yè)