膨脹性泥巖隧道明挖施工對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的影響評(píng)價(jià)及對(duì)策研究

張大偉 張銳 王小江

中建隧道建設(shè)有限公司（401320）

膨脹性泥巖隧道明挖施工對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的影響評(píng)價(jià)及對(duì)策研究

張大偉 張銳 王小江

中建隧道建設(shè)有限公司（401320）

這里通過研究膨脹性泥巖對(duì)隧道兩側(cè)土體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性的影響，得出膨脹性泥巖對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的影響，提出了明挖施工對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求以及對(duì)隧道兩側(cè)土體的支護(hù)和加固的方法。

膨脹性泥巖；隧道主體結(jié)構(gòu)；施工

膨脹性泥巖地層在我國有著較廣的分布，具有容易吸水膨脹以及泥化等特性，故在膨脹性泥巖施工前必須要對(duì)膨脹性泥巖進(jìn)行預(yù)加固處理。如果在隧道施工的過程中遇到膨脹性泥巖底層，則處理起來比較困難。膨脹性泥巖隧道的破壞形式主要是初期支護(hù)出現(xiàn)變形，土體位移變化速率增大。而出現(xiàn)的變形如果不加以控制，很容易發(fā)生隧道斷面減小、混凝土出現(xiàn)裂縫，最終造成隧道初期支護(hù)的失敗。如此一來不僅增大了處理難度，而且延誤工期，這樣不利于節(jié)約成本以及影響了施工組織。因此在膨脹性泥巖地層中進(jìn)行隧道工程施工，除了對(duì)泥巖進(jìn)行預(yù)處理之外，還需要研究膨脹性泥巖明挖施工對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的影響和膨脹性泥巖隧道兩側(cè)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并且提出對(duì)隧道兩側(cè)土體防水和支護(hù)方案。

1 膨脹性泥巖對(duì)隧道兩側(cè)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的危害性研究

膨脹性泥巖隧道對(duì)隧道兩側(cè)土體即泥巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有較高的要求，而這兩點(diǎn)對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及使用功能有著很大的影響，因此在進(jìn)行膨脹性泥巖隧道施工時(shí)需要對(duì)泥巖進(jìn)行預(yù)處理。影響膨脹性泥巖穩(wěn)定性的因素主要是地質(zhì)條件的優(yōu)良程度和設(shè)計(jì)、施工的合理性。實(shí)際上，膨脹性泥巖隧道的穩(wěn)定性受到多種因素綜合作用，比如地下水，地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素的影響。自然狀態(tài)下的膨脹性泥巖是處在擠壓狀態(tài)的，隧道開挖完成后膨脹性泥巖被挖出，形成了一個(gè)空間，沒有被挖出的泥巖發(fā)生松脹變形，如果泥巖的松脹力超過其極限承受力，那么泥巖就會(huì)脫落，隧道就很容易發(fā)生坍塌而造成工程事故。

膨脹性泥巖自然狀態(tài)下的初始應(yīng)力也會(huì)影響其強(qiáng)度。當(dāng)隧道的開挖深度增加，初始應(yīng)力隨之增大，一定范圍內(nèi)泥巖的強(qiáng)度沒有發(fā)生變化，而隨著開挖繼續(xù)加深，應(yīng)力持續(xù)增大，出現(xiàn)所謂的高應(yīng)力或及高應(yīng)力，隧道兩側(cè)土體很可能發(fā)生大變形甚至坍塌。在施工過程中遇到此類情形時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況降低圍巖的級(jí)別。

泥巖的工程性質(zhì)比較復(fù)雜，巖體的強(qiáng)度決定了隧道兩側(cè)土體的穩(wěn)定性，然而膨脹性泥巖吸水的特性會(huì)使巖體強(qiáng)度降低。水對(duì)泥巖穩(wěn)定性的影響很大，隧道施工過程中的塌方事故很多情況下是水造成的。水對(duì)不同的圍巖地質(zhì)的影響是不同的，膨脹性泥巖地質(zhì)尤其嚴(yán)重。膨脹性泥巖是由黏土脫水膠結(jié)而成，有遇水后膨脹的特點(diǎn)。在水的持續(xù)作用下,泥巖的結(jié)構(gòu)相應(yīng)地發(fā)生了變化，尤其是當(dāng)泥巖重復(fù)遇水—失水—遇水這樣的過程時(shí),膨脹性泥巖容易液化或流動(dòng)。近年來平均每年發(fā)生的滑坡災(zāi)害數(shù)次數(shù)在1萬起左右，其中80%以上發(fā)生在雨季。地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果也顯示，90%的滑坡事故是由降雨誘發(fā)。因此，水對(duì)泥巖的影響是巨大的，研究水對(duì)膨脹性泥巖的影響也有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 根據(jù)膨脹性泥巖對(duì)隧道兩側(cè)土體的清渡河穩(wěn)定性的危害提出隧道明挖施工對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求

1）隧道兩側(cè)土體必須足夠堅(jiān)硬。如果有松動(dòng)部位必須進(jìn)行加固或剔除,以保證混凝土的正常澆筑?；炷翝仓?yīng)注意清理基底雜物、積水和浮碴,按設(shè)計(jì)要求裝設(shè)止水帶并自檢防水系統(tǒng)設(shè)置情況。澆筑混凝土要按照規(guī)范要求，采用自下而上、先墻后拱、對(duì)稱澆筑的原則進(jìn)行澆筑。加強(qiáng)在澆筑過程中對(duì)混凝土密實(shí)性的技術(shù)措施,采用高頻振搗器振搗，輔以附著式震動(dòng)器。

2）隧道兩側(cè)土體表面應(yīng)覆防水隔離膜。此舉防止膨脹性泥巖從澆筑的混凝土中吸水膨脹，發(fā)生物理化學(xué)作用，最終導(dǎo)致泥巖體積膨脹、破碎和分解，以致圍巖強(qiáng)度降低，完整性下降，軟化崩解。最終隧道大面積的變形，并導(dǎo)致了支護(hù)系統(tǒng)遭到了破壞,甚至造成隧道兩側(cè)土體坍塌事故。此外，泥巖吸水膨脹會(huì)對(duì)新澆筑的混凝土主體產(chǎn)生較大的側(cè)壓力。若泥巖對(duì)混凝土的側(cè)壓力不均勻，則在混凝土初期強(qiáng)度低的情況下會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂事故。

3）主體混凝土結(jié)構(gòu)中配置的鋼筋，在配筋率一定的情況下，宜采用直徑較小的鋼筋。此舉可縮小鋼筋間的間距，其間距最好不要超過150 mm?；炷猎谑湛s過程中鋼筋對(duì)混凝土限位影響較大，故應(yīng)將鋼筋分散布置，如一層變兩層或單根均布，同時(shí)減小護(hù)層厚度,減少混凝土表面與內(nèi)部的差異，脹縮均勻，這樣有利于提高混凝土的抗裂能力以減少裂縫的產(chǎn)生。

3 膨脹性泥巖隧道加固和支護(hù)方法

根據(jù)膨脹性泥巖自身強(qiáng)度低、易吸水膨脹的特性，隧道開挖前要對(duì)泥巖進(jìn)行超前支護(hù)和加固。加固方法宜選用管棚法。管棚法是在擬開挖的地下隧道或結(jié)構(gòu)工程的襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先鉆孔并安設(shè)慣性力矩較大的厚壁鋼管，以起到臨時(shí)超前支護(hù)作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進(jìn)與后續(xù)支護(hù)工藝安全運(yùn)作。管棚法支護(hù)距離長(zhǎng)、施工快、工期短、安全性高。管棚的特點(diǎn)是在開挖之前先將鋼管沿隧道開挖輪廓線外打入上部圍巖中，外露端支承焊接在立好的鋼拱架上，一般情況下，鋼管主要布置在隧道上斷面。開挖面上形成了一個(gè)由鋼管作為骨架的“保護(hù)棚”，在隧道開挖面形成的管棚整體受力，發(fā)揮拱環(huán)效應(yīng)，對(duì)上部圍巖坍方和地表下沉起到了一個(gè)良好的約束作用，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性和隧道開挖施工安全地提供了有力的保障。其簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 管棚法施工簡(jiǎn)圖

4 膨脹性泥巖隧道施工的處置對(duì)策

為避免圍巖對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的影響，通過管棚法施工，提前加固泥巖，使泥巖的狀態(tài)處在可以保證不會(huì)對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻擠壓，減少隧道主體混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與施工的安全。開挖過程中應(yīng)注意避免對(duì)泥巖的擾動(dòng)，保證圍巖的穩(wěn)定性，減少圍巖坍塌事故。在施工過程中避免膨脹性泥巖受到水的侵蝕。加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)的力度，時(shí)刻注意圍巖與隧道主體結(jié)構(gòu)的變形情況，以保證隧道施工安全順利地開展。

[1]梅洪斌.管棚法加固軟巖隧道合理開挖進(jìn)尺研究[J].隧道/地下工程,2013(3):100-102.

[2]李茂達(dá).偏壓軟弱圍巖大斷面隧道施工變形控制及穩(wěn)定性分析[D].西安建筑科技大學(xué)大學(xué),2014.

[3]李文江.軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(增1):2729-2736.

[4]傅艷麗.節(jié)水保濕養(yǎng)護(hù)膜在混凝土養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].工程質(zhì)量,2011(29):63-65.

[5]黃林偉.軟巖隧道大變形力學(xué)行為與控制技術(shù)的研究[D].重慶大學(xué),2008.