宋 磊

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院，江蘇南京230001)

膨脹土隧道塌方成因分析及其技術(shù)處理＊

宋 磊

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院，江蘇南京230001)

交通工程是我國投資的基礎(chǔ)項(xiàng)目之一，對緩解國內(nèi)交通壓力有著重要的作用。改革開放之后，國內(nèi)地面道路交通開始趨于飽和狀態(tài)，隧道交通建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量不斷增多，給建筑工程單位的工作帶來了巨大的壓力。為了保證隧道工程建設(shè)的順利實(shí)施，對隧道施工中常見的問題及時處理是很有必要的。本文以膨脹土隧道塌方為研究重點(diǎn)，結(jié)合具體的工程案例分析了相關(guān)問題。

膨脹土;塌方;成因分析;處理技術(shù)

膨脹土在我國的分布具有“廣泛性”特點(diǎn)，如:廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等多個省區(qū)都有膨脹土。膨脹土是不同于常規(guī)土壤的一個土層結(jié)構(gòu)，這種土的主要構(gòu)成材料是蒙脫石、伊力土、高嶺土，其具備“吸水膨脹，失水收縮”的特性，這是導(dǎo)致膨脹土災(zāi)害的根本原因。膨脹土?xí)鹈浛s、變形、位移、開裂、傾斜等諸多問題，大大降低了隧道工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度。

一、案例介紹

本次研究的對象為包西鐵路新響沙灣隧道工程，由中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司安排施工。由于隧道的地理位置特殊，在施工建造期間出現(xiàn)了不同程度的塌方問題，經(jīng)過施工隊(duì)伍全體人員的努力之后，塌方問題得到徹底解決，保證了隧道工程實(shí)施的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。新響沙灣隧道的總長度超過3400m，進(jìn)口1057m，出口129m處在直線上，其它路段都處在半徑為4500m的曲線上，縱坡11.5‰。此隧道工程在建設(shè)期間面臨了多個方面的困境，不僅圍巖環(huán)境惡劣，且風(fēng)積砂、砂質(zhì)黃土是隧道進(jìn)、出口巖層的主要材料，隧道斜井到出口洞段多數(shù)為泥質(zhì)砂巖，而膨脹土占據(jù)了較大的比例，一般在20%～30%，施工中隧道開挖的難度很大，容易造成塌方現(xiàn)象。經(jīng)過公司勘察分析，隧道路基內(nèi)蒙脫石、伊力土、高嶺土含量較大，在30% ～40%，由此可判斷是由膨脹土的膨脹、收縮等變形導(dǎo)致隧道塌方。這與新響沙灣隧道得到地理位置有關(guān)，處于鄂爾多斯臺地剝蝕丘陵區(qū)，此區(qū)域的地理構(gòu)造中的圍巖屬白堊系下統(tǒng)(K1)，地層的砂石含量在10% ～25%左右，且構(gòu)造起伏波動較大，給膨脹土的膨脹、收縮創(chuàng)造了條件。

二、膨脹土具備的物理性質(zhì)

鑒于膨脹土對隧道施工帶來的不利影響，施工單位要想正確處理塌方病害，則必須要深入分析膨脹土的具體性質(zhì)。施工單位在地質(zhì)勘查期間，對膨脹土研究最多的則是其物理性質(zhì)，其中力學(xué)性質(zhì)是尤為核心的，直接關(guān)系著膨脹土對隧道施工的作用。蒙脫石、伊力土、高嶺土是膨脹土的主要構(gòu)成，這些土石在物理作用下會出現(xiàn)不同程度的收縮、膨脹，從而造成隧道塌方病害。膨脹土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1。

1、含水量。從物理學(xué)角度看，膨脹土具備的膨脹、收縮等物理特性，主要還是因?yàn)橥林械暮看笮“l(fā)生變化，導(dǎo)致土層的體積不斷變化。含水量的多少直接決定了膨脹土的膨脹特性，若隧道施工中能保持含水量處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，一般10%以內(nèi)則可正常施工，一旦含水量失衡則會引起垂直、水平方向的體積膨脹。

圖1 膨脹土結(jié)構(gòu)示意

2、干容重。含水量的大小決定了膨脹土的干容量，干容量是衡量膨脹土性能的另一關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)隧道施工勘察研究分析，當(dāng)粘土的γ=18.0kN/m＆sup3時，膨脹潛勢最高，最容易出現(xiàn)膨脹［1］。根據(jù)干容重的這一指標(biāo)，施工隊(duì)伍常常能做出明確的判斷，確定隧道開挖的具體方案。

3、膨脹量。膨脹量主要是指隧道中的膨脹土出現(xiàn)膨脹或收縮的幅度，給隧道施工的監(jiān)測勘察提供了勘察指標(biāo)，指導(dǎo)工程單位制定科學(xué)的塌方處理方案。工程師根據(jù)膨脹率可以較為準(zhǔn)確的分析出隧道的膨脹量，一般膨脹量的大小與隧道工程的地質(zhì)環(huán)境相關(guān)，這就提醒工程單位要改善施工條件。

4、膨脹力。膨脹力是膨脹土膨脹到極限之后，通過施加荷載的方式將其變?yōu)槌跏俭w積的壓力值。因我國區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造之間的差異性，每個區(qū)域的粘土膨脹壓力大小不一，常會因干容重的改變而變化。根據(jù)這一力學(xué)特性，施工單位只需掌握膨脹土接近膨脹的壓力值，避免應(yīng)力集中造成膨脹則可控制塌方。

三、導(dǎo)致塌方病害的常見因素

結(jié)合包西鐵路新響沙灣隧道工程的建設(shè)情況看，導(dǎo)致塌方形成的關(guān)鍵因素還是因?yàn)榕蛎浲廖锢硇再|(zhì)的變化。并且隧道施工處于鄂爾多斯臺地剝蝕丘陵區(qū)，此區(qū)域的地理構(gòu)造中的圍巖屬白堊系下統(tǒng)(K1)，地質(zhì)構(gòu)造起伏波動較大，是造成膨脹土隧道塌方的一大因素。但從整體角度看，導(dǎo)致隧道塌方病害出現(xiàn)的原因卻是多個方面的，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

1、勘察因素。隧道工程本身則屬于地下施工作業(yè)，在隧道施工過程中會遇到巖石層的阻礙，影響了隧道鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。施工單位在制定隧道施工方案前，對隧道周圍的地質(zhì)狀況沒有詳細(xì)地勘察，如:地質(zhì)構(gòu)造、土壤性能等，缺少這些資料作為支撐，設(shè)計人員制定好的隧道方案將難以執(zhí)行。

2、氣候因素。我國東西部區(qū)域氣候環(huán)境差異大，特別是新疆、西藏等地域天氣變化無常，如:降雨量時多時少、溫度時高時低等。對于降雨量大的地區(qū)，在隧道施工時因天氣變化而使得膨脹土滲入過多的雨水引起膨脹，而當(dāng)天氣轉(zhuǎn)晴之后，會因?yàn)楦邷乇袷霈F(xiàn)收縮，這些都會引起塌方。

3、施工因素。在所有工程環(huán)節(jié)里，施工階段是控制隧道質(zhì)量的最佳時期，也是塌方形成的主要環(huán)節(jié)。據(jù)調(diào)查顯示，超過65%的工程都是在施工階段產(chǎn)生。施工時引起塌方的因素較多，如:工藝流程、機(jī)械設(shè)備等。此外，若施工人員缺乏專業(yè)的施工技術(shù)而未能把握好具體的步驟，也會引起塌方問題［2］。

4、應(yīng)力因素。對于膨脹土隧道圍巖而言，其在隧道施工時會產(chǎn)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象，短時間內(nèi)巨大的應(yīng)力作用會迅速造成隧道塌方。如:隧道施工中的土體卸載后，土體回彈現(xiàn)象會引起不同程度的膨脹，此時隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力不均衡，增加了塌方產(chǎn)生的可能性。

5、支護(hù)因素。因?qū)儆诘叵率┕ぷ鳂I(yè)，顧及到膨脹土“吸水而膨脹，失水而收縮”的特點(diǎn)，對隧道設(shè)置必要的支護(hù)結(jié)構(gòu)能維持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但若圍巖結(jié)構(gòu)在吸水量超標(biāo)的情況下，膨脹土的膨脹性會快速釋放而給隧道結(jié)構(gòu)造成沖擊，若支護(hù)結(jié)構(gòu)的承受力不達(dá)標(biāo)，則造成圍巖及周圍土體的受損。

四、隧道塌方處理的技術(shù)方案

膨脹土隧道塌方病害不僅增加了施工作業(yè)的難度，也給工程項(xiàng)目投資帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。造成隧道塌方問題的因素較多，這就要求施工單位在制定處理方案時能綜合考慮問題，從多個角度去制定塌方處理方案。尤為重要的是需積極引進(jìn)施工技術(shù)，既要滿足與隧道工程的特點(diǎn)，又要符合隧道所在區(qū)域的地質(zhì)條件。參照包西鐵路新響沙灣隧道工程的地理位置，對塌方問題的處理技術(shù)包括:

1、回填技術(shù)。塌方會造成隧道結(jié)構(gòu)的受損，使得部分位置的土層出現(xiàn)殘缺，減弱了隧道結(jié)構(gòu)的耐久性能。根據(jù)這一狀況，引進(jìn)回填技術(shù)之后可對塌方位置使用塌方碴料處理，由兩側(cè)逐漸往中間回填。當(dāng)回填到拱頂設(shè)計標(biāo)高位置后，換用輕質(zhì)材料填塞處理，填塞時要注意材料的密實(shí)度。

2、管棚技術(shù)。鋼桁架和管棚是隧道施工中較常見的做法，在隧道施工內(nèi)設(shè)置牢固的支撐結(jié)構(gòu)，可以保持隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免隧道頂部塌方、墜落沙石。如:拱部90°范圍內(nèi)架設(shè)Φ108管棚，管棚間距為30㎝，外插角為15°等［3］。此次管棚技術(shù)運(yùn)用了高性能鋼筋結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3、開挖技術(shù)。施工單位在制定開挖方案時要考慮膨脹土的自身特性，當(dāng)結(jié)束混凝土澆注之后便可實(shí)施開挖計劃。在開挖技術(shù)中要求了施工單位塌方體結(jié)合“四臺階法”完成開挖，每臺的開挖高度要嚴(yán)格控制，如:第1臺階開挖高度2.2m，第2臺階開挖高度為2.8m，第3臺階開挖高度為3.1m等。

4、支護(hù)技術(shù)。待塌方體開挖施工完成之后需運(yùn)用早期支護(hù)技術(shù)，主要采用的是不同的鋼結(jié)構(gòu)支撐。如:鋼架使用I22工字鋼鋼架，間距控制在40㎝/榀，選擇40槽鋼墊底為上臺階鋼架腳部，選擇6m長Φ42鋼管鎖腳作為鋼架各單元連接處等［4］。在洞內(nèi)塌方處理中，小導(dǎo)洞處理時支護(hù)參數(shù)如表1。

表1 小導(dǎo)洞支護(hù)參數(shù)

5、養(yǎng)護(hù)技術(shù)。沒開挖好一段隧道之后需及時制定養(yǎng)護(hù)方案，確保已經(jīng)施工好的隧道結(jié)構(gòu)完好無損。如:新響沙灣隧道的總長度超過3400m，在隧道施工時必須要采用分段施工。施工單位應(yīng)采取不同的養(yǎng)護(hù)及時，避免膨脹土的膨脹、收縮造成不利影響。如:通過設(shè)置40根管棚進(jìn)行加固養(yǎng)護(hù)處理。

五、膨脹土隧道路基的施工技術(shù)

伴隨著城市交通事業(yè)的發(fā)展，社會車流量不斷增加，給隧道內(nèi)部的路基造成了很大的荷載。當(dāng)隧道路面承擔(dān)的荷載超過其范圍后，路基則會發(fā)生不同程度的變形，這也是引起隧道塌方的一個因素［5］。一旦路基失去了穩(wěn)定性，隧道整體結(jié)構(gòu)受力不均勻，橫向、縱向力的壓縮則會造成受力擠壓而引起塌方。因此，路基技術(shù)也是處理膨脹土塌方的關(guān)鍵點(diǎn)。路基施工技術(shù)的具體方法有:控制路基填埋的材料，對高度在1m內(nèi)的必須要求填非膨脹土，且緊密壓實(shí)處理;用到膨脹土作填料時應(yīng)保證其穩(wěn)定性，可使用石灰材料對膨脹土處理;在路堤、路塹兩者的分界處，因需保證土壤內(nèi)的含水量大小差異，并且使用足夠的壓力密實(shí)處理，確保足夠的密度。另外，在路基施工時也要注意防止天氣變化造成的不利影響，特別是在雨季時要調(diào)整好施工時間安排。施工單位也可以對路基設(shè)置排水系統(tǒng)，如:排水溝、管道等及時輸送水流，以免含水量過大影響到路基的牢固性。

六、結(jié)論

總而言之，膨脹土為我國較特有的土質(zhì)，工程中有著廣泛的地質(zhì)災(zāi)害。隧道工程是目前控制交通路線緊張局面的有效方式，也是國家投資的重點(diǎn)項(xiàng)目。為了保證隧道結(jié)構(gòu)的使用性能，在施工期間需要注意對“塌方”問題的處理，通過回填、開挖、支護(hù)、管棚等關(guān)鍵技術(shù)增強(qiáng)隧道的使用性能。

［1］路虎寧，叢一文.有關(guān)膨脹土物理性質(zhì)與力學(xué)性能的分析［J］.土質(zhì)勘察，2009，18(15):32 －34.

［2］程建文，管濤.隧道工程對緩解交通壓力的作用［J］.城市交通工程，2010，37(14):23 －26.

［3］孫文濤，桑國旭.現(xiàn)代施工中處理隧道塌方病害的相關(guān)技術(shù)［J］.泰州理工大學(xué)學(xué)報，2010，28(3):49 －52.

［4］何春平，王學(xué)愚.導(dǎo)致隧道塌方現(xiàn)象發(fā)生的因素與處理方法［J］.隧道施工技術(shù)，2009，16(11):24 －27.

［5］凡修文，彭衛(wèi)東.研究膨脹土隧道塌方現(xiàn)象的處理策略［J］.中小企業(yè)管理，2010，26(13):30 －32.

2011－07－19

宋磊(1984－)，男，江蘇南京人，助理工程師。