劉志超

(中鐵二十一局集團第五工程有限公司，重慶 402160)

0 前 言

在榆中引洮9號隧洞洞身開挖的施工過程中，14+030～14+063段由于膨脹土圍巖膨脹而引起初支襯砌發(fā)生嚴重變形，隨后項目部停止了掌子面施工，在拆除初支襯砌時發(fā)生了小規(guī)模塌方、掉塊，待拆除完成重新支護之后再進行掘進施工。為了在以后的施工中盡量避免出現(xiàn)此類事件，研究膨脹土圍巖的特性及危害十分有必要。

在論述該問題前必須了解兩個基本概念，即水工隧洞和膨脹土。隧洞不同于隧道，雖然施工工藝大體相同，但略有差異。水工隧洞具體指的是在山體中或者地下開鑿出來的過水洞，其應用范圍非常廣泛，包括灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導流和通航等。水工隧洞分為無壓隧洞和有壓隧洞兩種，前者是指水流在洞內具有自由水面；后者則指的是水流充滿整個斷面，使洞壁承受了一定程度的水壓力。上述工程中的9號隧洞則屬于無壓隧洞。膨脹土系指土中黏土礦物成分的主要組成為親水性礦物，并具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性，還具有濕脹干縮往復變形的高塑性黏性土。決定膨脹性的親水礦物主要是蒙脫石黏土礦物。我國是世界上膨脹土分布面積最廣的國家之一。

1 工程概況

榆中引洮9號隧洞起止里程13+449～14+630，隧洞全長1 181m，最大埋深60m，縱坡為1/1 200，開挖斷面為圓拱直墻，頂部為半徑R=102cm的半圓形，下部為寬B=202cm、高H=155cm的矩形，二次襯砌施工完成后，過水斷面尺寸為B=132cm、H=192cm、R=65cm。經(jīng)勘測，9號隧洞13+457～14+250段圍巖為第四系中粉質土壤層，沖洪積成因，土體較濕，結構密實，具水平層理，土質均勻，夾有粉質黏土層。而14+250～14+630段圍巖為白堊系泥巖及砂礫巖，呈互層狀分部，泥鈣質膠結，膠結程度較差，具厚層狀結構，層理不明顯，層間結合較前，較為致密，層巖平緩，裂隙不發(fā)育，具單斜構造，結構較為完整，總體無地下水，屬中軟質、易軟化巖層。

2 膨脹土圍巖特性

在諸多案例中均可以發(fā)現(xiàn)，膨脹土圍巖中施工的隧洞、隧道在開挖后不久，由于圍巖分化、滲水或者初支襯砌強度不足，會導致洞內圍巖發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象，進而發(fā)展為洞身頂部及兩側圍巖向內擠入，底部鼓起，進一步導致圍巖失穩(wěn)、初支襯砌破壞甚至塌方等災害。歸納起來，膨脹土圍巖主要有以下特性。

1)超固結特性。由于膨脹土復雜的沉積過程，土體處于超固結狀態(tài)，讓膨脹土圍巖中儲存著較高的初始應力。當洞身開挖后圍巖失去完整性，在洞身周圍缺乏對圍巖應力的限制，從而導致圍巖應力釋放、強度降低、產生卸載膨脹。這是9號隧洞洞身初支襯砌發(fā)生變形的最主要因素。

2)多裂隙土體的結構-力學特性。膨脹土圍巖實際上是土塊與各種裂隙和結構面相互組合形成的膨脹土體。由于膨脹土體在天然原始結構下具有高強度特性，洞身開挖后洞壁土體失去邊界支撐，在產生脹裂的同時因風干脫水使原生隱裂隙張弛，形成若干應力集中區(qū)，使圍巖強度急劇衰減。這個特性是導致9號隧洞拆除初支襯砌時發(fā)生塌方掉塊的主要原因。

3)脹縮循環(huán)特性。膨脹土圍巖具有吸水膨脹、失水收縮的特性，土體中干濕循環(huán)產生脹縮效應。一是破壞了土體結構，由塊間聯(lián)結變?yōu)榱严督Y合，圍巖強度衰減或喪失，增大了圍巖的壓力；二是改變了圍巖應力，膨脹壓力、收縮壓力均破壞了圍巖的穩(wěn)定性，特別是前者將對增大圍巖壓力起到疊加的作用。影響膨脹土圍巖產生脹縮變形的程度及其膨脹壓力大小的因素，包括膨脹土的類型與濕度，通常土的膨脹性越強，變形和膨脹壓力就越大。

3 案例分析

3.1 引洮9號隧洞初支襯砌變形原因

根據(jù)膨脹土圍巖的特性可以知道膨脹土圍巖發(fā)生脹縮變形是由圍巖的內部構造因素所決定的，同時受到外部條件(最主要的影響因素是水和空氣)的控制。其中，發(fā)生脹縮變形的本質影響是組成膨脹土的特殊物質成分和結構特性，外部條件起著重要的誘發(fā)因素。在9號隧洞的施工過程中，由于前期開挖及后期整修過程中均未發(fā)現(xiàn)圍巖有任何滴、排、滲水，加之開挖完成后隨即進行了錨噴支護，使圍巖與空氣及時進行了隔絕，所以外部條件的影響作用幾乎可以忽略。導致9號隧洞初支襯砌發(fā)生變形的最終原因還是由膨脹土圍巖的內部構造因素所引起，隧洞開挖導致圍巖邊界失去對圍巖應力的有效限制，導致圍巖應力釋放，擠壓隧洞初支襯砌，導致其發(fā)生了變形破壞。

3.2 初支襯砌變形觀測

在發(fā)現(xiàn)隧洞初支襯砌發(fā)生變形后，項目部立即組織了變形觀測，在觀測數(shù)據(jù)圖1中可以發(fā)現(xiàn)里程14+052處斷面自2016年5月28日到2016年6月15日期間共計收斂7.8cm，收斂速率平均0.41cm/d。

圖1 14+052斷面收斂觀測記錄表

而最為突出的是里程14+041.5處斷面，在觀測數(shù)據(jù)圖2中可以發(fā)現(xiàn)自2016年6月7日到2016年6月12日期間共計收斂8.6cm，收斂速率平均1.43cm/d。

圖2 14+041.5斷面收斂觀測記錄表

到2016年7月12日對里程14+041.5斷面進行測量時隧洞洞身凈間距最小值為96cm，累計收斂84cm，自6月12日到7月12日，該里程斷面累計收斂75.4cm，收斂速率平均2.51cm/d。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)后期收斂速率較前期更大。這是因為前期鋼支撐受到膨脹土圍巖擠壓變形不大，還可以提供一定的支撐能力，所以變化速率較小，但隨著鋼支撐的變形，導致其在連接處及拱頂中心處發(fā)生應力集中，加劇了鋼支撐的變形，在鋼支撐變形到一定程度時基本喪失對圍巖的支撐作用，從而使得洞身初支襯砌進一步加速變形。

這些數(shù)據(jù)只是對于9號隧洞而言，在斷面小的隧洞中有如此快的變形速度，那在大斷面隧道中可想而知，所以研究膨脹土圍巖的危害很重要。

4 膨脹土圍巖的危害

由于膨脹土圍巖的特殊工程地質性質及其圍巖壓力特性，使膨脹土的隧洞圍巖具有普遍開裂、內擠、坍塌和膨脹等變形現(xiàn)象。膨脹土隧洞圍巖變形常具有速度快、破壞性大、延續(xù)時間長和整治較困難等特點。從變形性質看大多具有不均勻性以及非完全對稱性變形破壞。洞壁兩側圍巖常常同時內擠或出現(xiàn)對稱性裂縫，而洞頂與洞底圍巖變形則不一定同時發(fā)生，而多是局部出現(xiàn)。比較常見的變形情況如下。

1)圍巖裂縫：開挖隧洞后，開挖面上膨脹土圍巖原始應力得以解除，從而發(fā)生脹裂；裂口及表層圍巖因風干而脫水，產生收縮裂縫。脹縮變形擴大了圍巖中的原生隱裂隙。沿圍巖周邊產生裂縫，尤其在拱部圍巖容易產生張拉裂縫與上述裂縫貫通，形成局部變形區(qū)。

2)圍巖膨脹突出和坍塌：在開挖中或開挖后，由于開挖卸載產生應力釋放，引發(fā)周邊圍巖向洞內膨脹突出，縮小了洞身開挖斷面。如果初支襯砌支撐力不足，此時將會因圍巖壓力和膨脹壓力的綜合作用導致圍巖局部破壞，由裂縫發(fā)展到溜塌，逐漸牽引周圍土體連續(xù)破壞，形成坍塌，甚至導致冒頂。

3)襯砌變形破壞：由于圍巖膨脹突出變形太大，初支襯砌支撐力不夠引起隧洞側墻初支噴射混凝土發(fā)生開裂，在鋼拱架連接處形成橫向通縫，頂拱初支混凝土發(fā)生擠裂、脫皮、掉塊現(xiàn)象，鋼筋網(wǎng)片發(fā)生突出變形，鋼拱架在連接處及拱頂發(fā)生扭曲變形，拱腳向內收斂變形，同時發(fā)生不均勻沉降。

4)底鼓：隧洞開挖后，洞底圍巖的上部壓力得以解放，如果此時沒有支護體的約束，洞底圍巖會發(fā)生卸荷膨脹的現(xiàn)象；加上洞內有積水將導致浸水膨脹，最終兩種膨脹作用的疊加使隧洞底鼓變形的情況更加嚴重，且很大可能會引發(fā)裂縫現(xiàn)象，這樣積水更加容易滲入土中引起膨脹，又導致底鼓變形現(xiàn)象惡化。

5)洞身下沉：在有的隧洞開挖中，鋼支撐強度雖然滿足抵抗膨脹土圍巖壓力的要求，但是洞底膨脹土圍巖的承載力不高，再者上部圍巖壓力比較大，使得洞身整體下沉和變形，進而造成支撐變形、破壞，喪失支撐能力，最終發(fā)生土體坍塌等事故。

5 膨脹土圍巖施工技術要點

根據(jù)膨脹土圍巖的結構特性和構造特點可以知道，在膨脹土圍巖中施工隧洞，要想避免圍巖對隧洞造成危害，必須要做到以下幾點。

5.1 加強測量圍巖變化

隧洞開挖后，無論是膨脹土圍巖風干脫水還是浸水均會改變圍巖的體積，產生脹縮效應、隧洞變形，具體表現(xiàn)在收斂急劇擴展、拱頂下沉加大甚至坍塌等，因此，做好膨脹土圍巖隧洞的監(jiān)測預警工作非常重要。在施工時，必須詳細觀察和測量圍巖的壓力與位移情況，根據(jù)監(jiān)測結果研究變化規(guī)律。探索出地下水的分布范圍和規(guī)律，并了解水其對施工產生不利影響的程度，最終基于圍巖動態(tài)情況探討和制定具有可行性的措施。此外，還要對洞身周邊位移、拱頂下沉、淺埋段地表位移等進行監(jiān)測。

5.2 選擇合理的施工工藝

開挖中對隧洞圍巖的擾動加大了膨脹土圍巖隧洞施工的安全隱患，所以必須制定針對性的施工方法，盡可能降低對圍巖的擾動程度和避免被水浸濕，對隧洞的穩(wěn)定性有著十分重要的作用。首選采用無爆破掘進法，如采用掘進機、風鎬、液壓鎬等開挖；由于條件限制不得不采用爆破施工時，可以采用短進尺、弱爆破，以盡量減少對圍巖的擾動。在開挖時盡量減少圍巖暴露在外的時間并及時襯砌，最快恢復洞壁因為土體開挖而解除的部分圍巖應力，減少圍巖膨脹變形的程度。

5.3 及時加強圍巖支護

開挖破壞了圍巖的整體性，洞身臨空面失去圍巖支撐，這是產生隧洞變形的主要影響因素，對此，及時進行膨脹土圍巖隧洞支護施工非常關鍵。

隧洞圍巖支護比較適合運用掛網(wǎng)噴錨的方式。其能夠盡可能增加支護面積，使其形成一個整體，加強圍巖的自承能力。當膨脹壓力較大時，通過增大鋼拱架型號、減小鋼拱架間距、增設底拱等一種或幾種方式共同使用等方法加強支護。具體采用何種支護方式可根據(jù)現(xiàn)場圍巖膨脹強度因地制宜。由于隧洞斷面較小，一般設計不設置仰拱，另外隧洞二次襯砌必須等隧洞初支開挖完成之后才能施工，所以建議在膨脹土圍巖段支護時，初支襯砌增設底拱，使鋼支撐環(huán)狀封閉，增強鋼支撐的支撐強度，在初支完成到二襯施工期間應加強隧洞圍巖的收斂變形觀測，發(fā)現(xiàn)收斂及時盡早整改，以防造成更大的破壞。

5.4 防止圍巖濕度變化

膨脹土本身的遇水膨脹、失水收縮的特性加大了施工難度，加上存在地下水發(fā)育、地表降水滲透的情況，極易造成土體失穩(wěn)[1]。對此，開挖完成后必須及時進行混凝土施工，封閉和支護圍巖。針對存在地下水滲流的隧洞，可切斷水源、加強洞身防、排水措施等來降低浸濕情況。如果發(fā)生局部滲流，則利用注漿的方式避免地下水進入洞內和浸濕圍巖。

5.5 特殊情況處理措施

膨脹土圍巖隧洞地表，特別在淺埋段如出現(xiàn)地裂、地溝等現(xiàn)象，加上地表降水的影響將會破壞隧洞，施工人員對此應加大重視[2]。具體可采取以下兩點處理措施：①用三七灰土回填地裂、地溝，以防水流下滲；②加強處理隧道地表排水，將地表水引流到隧道影響范圍之外。

隧洞初支完成后，發(fā)現(xiàn)圍巖收斂變形、洞身凈距滿足不了設計要求時，應盡快處理變形段，防止圍巖進一步膨脹變形、塌方，造成更大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。主要處理措施有：鑿除初支襯砌突出變形部分至幾何尺寸符合設計要求，增設鋼支撐，然后置換變形的鋼支撐。

6 結束語

膨脹土圍巖對隧洞施工造成的危害與其固有的地質特性是相輔相成的，只有深入了解并研究其特性與危害，才能有效預防事故的發(fā)生。膨脹土圍巖隧洞施工的關鍵在于加強監(jiān)測、減少圍巖擾動、加強和及時封閉支護、預防地表水滲入及洞內的防排水。如果在施工過程中遇到圍巖變形急劇增大的現(xiàn)象，首先要確保施工人員及機具的安全，在此基礎上對產生的原因進行調查分析并采取有效的處理措施來減少財產損失。

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