于新軍

(中鐵十四局集團(tuán)公司，山東濟(jì)南 250000)

0 引言

膨脹土是一種同時具有吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的高塑性粘土，由于其具有脹縮特性，往往給工程建設(shè)造成巨大的破壞，給人民財產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。隨著我國西部開發(fā)力度的加大，西部地區(qū)的交通建設(shè)將快速發(fā)展。在西部交通建設(shè)尤其是隧道建設(shè)過程中，經(jīng)常會遇到穿越膨脹土地層的情況，隧道穿越膨脹土地層施工過程中經(jīng)常遇到塌方等地質(zhì)災(zāi)害，例如包西鐵路新響沙灣隧道工程在施工過程中發(fā)生了塌方病害，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。因此研究此類隧道塌方成因?qū)こ痰陌踩┕ぞ哂兄卮蟋F(xiàn)實意義。自20世紀(jì)30年代膨脹土為人們所認(rèn)識以來，大量的研究都是圍繞膨脹土的強(qiáng)度理論、膨脹機(jī)理以及微觀變形等土體本身的性質(zhì)展開的［1-5］;另外，還有一部分研究針對膨脹土的改良進(jìn)行，通過研制添加劑來改善膨脹土的力學(xué)特性［6，7］。但是這些成果都是基于膨脹土本身力學(xué)特性的研究，在膨脹土層施工隧道的相關(guān)研究還比較缺乏。因此，研究膨脹土隧道塌方地質(zhì)災(zāi)害的成因就具有重要的研究意義。

山西某隧道穿越膨脹土地層，在施工過程中發(fā)生了多次塌方事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文基于該隧道施工塌方工程實例分析，開展隧道圍巖土體的試驗研究，分析膨脹土隧道圍巖大變形及塌方成因，以期為確定合理的支護(hù)對策提供理論支持。

1 工程概況

山西某隧道起止里程 DK73+754～DK75+557，隧道全長1 803 m，最大埋深約82 m，出露標(biāo)高約1 266 m～1 170 m，相對高差約96 m。隧道內(nèi)線路為單面上坡，DK73+754～DK75+450段坡率為3‰，DK75+450～DK75+557段坡率為8‰。隧道所處地段主要為黃土梁、黃土峁地貌，山峰相連，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形。據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪及鉆探揭示，勘探深度范圍內(nèi)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土(Qal+pl4)、上更新統(tǒng)風(fēng)積(Qeol3)砂質(zhì)黃土、第三系(N)膨脹土以及太古界(Ar)全～強(qiáng)風(fēng)化云母片巖等。隧道縱斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面圖

隧道采取邊開挖邊支護(hù)的方式，根據(jù)設(shè)計相關(guān)支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)一覽表

2 塌方概述

隧道自2010年6月14日開工以來，發(fā)生多次塌方或大變形，嚴(yán)重影響隧道安全建設(shè)及施工進(jìn)度，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)將隧道發(fā)生塌方或大變形情況進(jìn)行總結(jié)。

1)出口DK75+485。2010年8月2日，小河溝隧道出口剛進(jìn)洞不久，在洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)多條環(huán)向裂縫。同時，監(jiān)控量測顯示拱頂累計下沉達(dá)8 cm，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)如圖2所示。從監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可知，在8月2日當(dāng)天拱頂下沉達(dá)到5 cm，嚴(yán)重影響了施工安全，施工人員不得不停止施工，并加強(qiáng)支護(hù)直到監(jiān)控量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再繼續(xù)施工。

2)出口DK73+260。2011年7月30日，在施工至 DK75+260處時，施工人員發(fā)現(xiàn)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)突變，噴射混凝土開始掉塊，初支鋼架扭曲變形。為保證施工安全，安裝了臨時支撐，但由于隧道變形過大，臨時支撐發(fā)生屈曲破壞，隧道最終發(fā)生塌方，并造成山體滑坡。此次塌方造成隧道出口停工達(dá)一年之久，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3)進(jìn)口DK74+300。2012年2月14日，隧道施工至DK74+300時，上臺階及與中臺階銜接部位開裂明顯，上臺階時有爆裂聲音，圍巖壓力過大造成中臺階初支破壞，為保證施工安全，施工人員封閉掌子面并增設(shè)豎向支撐及斜向支撐。

圖2 拱頂下沉曲線（2010年）

3 塌方成因分析

隧道施工期間發(fā)生多次大變形及塌方，給隧道安全施工造成嚴(yán)重影響。筆者通過開展室內(nèi)試驗，分析多種因素對膨脹土隧道的影響，探究隧道大變形及塌方成因，為確定合理的支護(hù)對策提供理論支持。

1)含水率。土體中水的含量在其體積增濕膨脹變形過程中起著尤為重要的作用。因此選取多個土層樣本開展含水率的測定實驗，測定結(jié)果見圖3。由實驗結(jié)果可知，隧址區(qū)土體最大含水率在29%左右，最小含水率為28%，平均值為28.5%。

圖3 隧道膨脹土含水率

膨脹土屬于非飽和土，其中水分主要由兩部分構(gòu)成，一部分為顆粒表面的吸著水與顆粒間隙的含水，另一主要部分為顆粒本身構(gòu)造孔洞內(nèi)部的充填水。吸著水在結(jié)構(gòu)上的粒間起連接作用，失水后，影響其粒間與層間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。充填內(nèi)部孔洞水主要被伊利石與蒙脫石這兩種粘土礦物所附著吸收，形成結(jié)晶水合物，會在土體內(nèi)部產(chǎn)生膨脹變形。實驗結(jié)果表明隧址區(qū)土體含水率較低，其結(jié)合水的能力即較強(qiáng)，增濕膨脹的潛力也就愈大，對圍巖壓力的影響就比較明顯。因此，當(dāng)遇到強(qiáng)降水天氣時，膨脹土隧道圍巖易發(fā)生膨脹變形，甚至導(dǎo)致塌方冒頂。而在2011年7月29日現(xiàn)場天氣記錄表明，隧址區(qū)普降暴雨，由此可知，DK73+260處隧道塌方受到圍巖土體含水率低的影響。

2)干密度。非飽和土的干密度受孔隙度、含水率及氣體等因素的影響，同時其作為一個重要計算指標(biāo)又反過來影響孔隙比、孔隙率與壓縮系數(shù)等指標(biāo)的計算值。因此，筆者在現(xiàn)場取樣測定隧址區(qū)土體干密度。

膨脹土的干密度越大，土樣中個體顆粒或集聚體也就越多，汲取的水量也就越多，結(jié)合水膜的總厚度也就越厚。實驗測定結(jié)果見圖4，從圖中數(shù)據(jù)可知，在DK75+485附近，土層干密度比較大并呈現(xiàn)增長的趨勢，這容易導(dǎo)致土體吸收大量的水，使得土體結(jié)構(gòu)破壞［8-10］，體積膨脹，隧道有可能發(fā)生大變形甚至塌方破壞。因此，DK75+485附近出現(xiàn)的大變形可能受到干密度的影響。

圖4 隧道出口膨脹土干密度

3)液性指數(shù)與塑性指數(shù)。液性指數(shù)是判斷土的軟硬狀態(tài)，表明天然含水率與界限含水率相對關(guān)系的重要指標(biāo)。塑性指數(shù)在一定程度上能夠綜合反映場地粘性土的性質(zhì)特征。塑性指數(shù)愈大，表明土的顆粒愈細(xì)，比表面積愈大，土中粘?；蛴H水礦物(如蒙脫石或伊利石等)含量愈高，土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍就愈大，也就是說塑性指數(shù)能綜合地反映土的礦物成分和顆粒大小的影響。通過對場地膨脹土的試驗測定，測定結(jié)果見表2，膨脹土的塑性指數(shù)值一般在22.7～23.0之間，最小為22.4，液性指數(shù)一般在0.1～0.22之間，最小為0.004，由此可知，場地膨脹土處于弱可塑態(tài)，土質(zhì)偏軟，易受水分作用而發(fā)生膨脹變形。

表2 隧道塑性指數(shù)與液性指數(shù)

4)膨脹性能測試?？紤]到該隧道在施工期間頻頻發(fā)生塌方冒頂事故，依托原設(shè)計支護(hù)形式總是多次出現(xiàn)初期支護(hù)鋼支撐撓曲變形，即使縮短鋼支撐間距、增加錨噴厚度亦不能有效控制圍巖的位移變形。因此，對事故段膨脹土進(jìn)行了補充膨脹性能測試，結(jié)果見表3。測試取樣結(jié)果證實了洞體施工前期勘測，低估了場區(qū)內(nèi)膨脹土體的變形性能，不能對塌方冒頂事故產(chǎn)生預(yù)測。因此，施工期極有必要對特殊性膨脹土的關(guān)鍵段及弱富水區(qū)域位置進(jìn)行土體膨脹能力補測，以期盡可能最真實地獲得膨脹土的各項膨脹性能指標(biāo)，并進(jìn)行安全級別劃分，便于調(diào)整襯砌支護(hù)參數(shù)，減少施工安全隱患。

表3 膨脹土的膨脹性能試驗結(jié)果統(tǒng)計表

4 結(jié)語

總結(jié)某膨脹土隧道圍巖大變形及塌方情況，通過開展實驗獲得以下結(jié)論:1)含水率越低，膨脹土圍巖增濕膨脹的潛力越大，當(dāng)遇到強(qiáng)降水等條件時，膨脹土隧道圍巖發(fā)生膨脹變形，易導(dǎo)致隧道大變形甚至塌方;2)膨脹土體干密度越大，越容易膨脹變形，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度變低，從而影響圍巖大變形的發(fā)生;3)液性指數(shù)與塑性指數(shù)是評價膨脹土圍巖的一項重要指標(biāo)，處在可塑狀態(tài)的膨脹土含水量變化大，土體吸水能力比較強(qiáng);4)施工期極有必要對特殊性膨脹土的關(guān)鍵段及弱富水區(qū)域位置進(jìn)行土體膨脹能力補測，便于調(diào)整襯砌支護(hù)參數(shù)，減少施工安全隱患。

［1］E.E.Alonso，J.Vaunat，A.Gens.Modeling the mechanical behavior of expansive clays［J］.Engineering Geology，54(1999):173-183.

［2］賈景超.膨脹土膨脹機(jī)理及細(xì)觀膨脹模型研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.

［3］李杭州，廖紅建，孔令偉，等.膨脹性泥巖應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(1):107-110.

［4］繆林昌，仲曉晨，殷宗澤.膨脹土的強(qiáng)度與含水量的關(guān)系［J］.巖土力學(xué)，1999，20(2):71-75.

［5］陳正漢，方祥位，朱元青，等.膨脹土和黃土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(1):1-11.

［6］A.Seco，F(xiàn).Ramírez，L.Miqueleiz，et al.Stabilization of expansive soils for use in construction［J］.Applied Clay Science，51(2011):348-352.

［7］Ezekwesili Ene，Celestine Okagbue.Some basic geotechnical properties of expansive soil modified using pyroclastic dust［J］.Engineering Geology，2009(107):61-65.

［8］盧再華，陳正漢，曹繼東.原狀膨脹土的強(qiáng)度變形特性及其本構(gòu)模型研究［J］.巖土力學(xué)，2001，22(3):339-342.

［9］田堪良，張慧莉.基于變形條件的黃土結(jié)構(gòu)性試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(8):1706-1712.

［10］邵生俊，周飛飛，龍吉勇.原狀黃土結(jié)構(gòu)性及其定量化參數(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報，2004，26(4):531-536.