高學(xué)華GAO Xue-hua

（中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶404100）

0 引言

一般膨脹性圍巖指的是在水的物理化學(xué)作用下發(fā)生體積膨脹的圍巖。比較常見的具有膨脹性質(zhì)的巖石有頁巖、云母、無水芒硝、泥巖、長石、蛇紋巖和含硬石膏鈣芒硝等巖石以及主要由強親水性礦物組成的粘土等，由于其具有遇水膨脹的特性，在這類巖體中開挖隧道經(jīng)常會產(chǎn)生較多的病害。隧道在膨脹圍巖中常見的病害包括圍巖變形過大、開裂、坍塌冒頂、隧道底部隆起，襯砌變形乃至支護結(jié)構(gòu)破壞等。

中國已經(jīng)建成通車的膨脹巖隧道有崔家山隧道、關(guān)角隧道、桃坪隧道、引灤入津隧洞、南嶺隧道、云臺山隧道等。影響膨脹巖隧道的性能的因素有很多，其中較為重要的包括膨脹性礦物的成分及含量、地下水、襯砌結(jié)構(gòu)剛度和施工方案、物理力學(xué)指標(biāo)等。由于我們對膨脹巖的認(rèn)識還未成熟，尤其是在判別膨脹巖等級、膨脹壓力和膨脹量方面國內(nèi)外還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，加之隧道工程的復(fù)雜性，在膨脹巖體中的隧道施工仍有許多問題得不到有效解決。本文結(jié)合湖北宜（昌）巴（東）高速公路界嶺隧道在施工中的經(jīng)驗，對膨脹巖體中的隧道施工技術(shù)進行了探討和研究，以期能夠為以后類似工程提供可以借鑒的經(jīng)驗。

1 膨脹巖的基本特征及對隧道穩(wěn)定性的影響

1.1 膨脹巖的基本特征 膨脹巖內(nèi)含伊利石、蒙脫石等粘土礦物，這類礦物親水性強，導(dǎo)致膨脹巖體具有極強的親水性，遇水后對水產(chǎn)生強烈的吸附作用，使顆粒間粘結(jié)力大大削弱、間距增大、體積膨脹，膨脹率高、膨脹壓力大，同時，遇水之后膨脹巖強度降低，崩解性強，對隧道穩(wěn)定性及其維護十分不利。

1.2 膨脹巖對隧道穩(wěn)定性的影響 進行隧道掘進開挖時，隧道圍巖應(yīng)力場重新分布，膨脹巖隧道周邊發(fā)生變形進入塑性狀態(tài)，圍巖松動，裂隙擴展，孔隙度增大。膨脹圍巖在自有的含水量或施工用水引起含水量變化條件下產(chǎn)生膨脹變形，如果隧道不及時支護或支護形式不當(dāng)、支護強度不足，就會引起隧道過大的變形、最終造成結(jié)構(gòu)破壞，若隧道圍巖未進行加固且支架為剛性，則圍巖膨脹產(chǎn)生的膨脹壓力便作用在支架上，隨著膨脹含水量的增加和時間的延展，膨脹的圍巖巖體范圍越來越大，支架所受的膨脹壓力也隨之增大，支護結(jié)構(gòu)破壞。同時，圍巖松動圈繼續(xù)增大，裂隙進一步增大，為深部圍巖充填水分提供條件，從而又引起深部膨脹巖體膨脹，進而導(dǎo)致隧道支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性惡化，出現(xiàn)隧道崩坍。

2 膨脹巖隧道施工基本原則

處治膨脹巖的基本原則：加固圍巖、先柔后剛、先讓后頂、變形留夠、底部加強、分層支護。通過對隧道掌子面做進一步的地質(zhì)勘查，詳細了解到膨脹巖的分布及走向情況，其影響隧道邊墻及拱腳，采取如下措施：

①優(yōu)化隧道洞室開挖斷面。為適應(yīng)四周均受壓的應(yīng)力狀態(tài)，避免應(yīng)力集中，支護結(jié)構(gòu)形式采用圓順的近圓形斷面。適當(dāng)調(diào)整設(shè)計預(yù)留變形量。

②超前預(yù)支護。超前支護采用管材為φ42熱軋無縫鋼管，壁厚3.5mm，長度3.5m，縱向間距1.6m，環(huán)向間距40cm，仰角10°，布設(shè)于拱頂150°范圍內(nèi)。

③加固圍巖。結(jié)合圍巖及施工的實際情況，對于左側(cè)邊墻及拱架處于膨脹巖中和局部松散破碎的圍巖，采用徑向加長加密小導(dǎo)管注漿加固。

④柔性支護。鋼筋網(wǎng)噴射23cm厚C25混凝土，內(nèi)設(shè)可伸縮性的U29型鋼拱架，拱架縱距80cm。噴射混凝土層在可伸縮性節(jié)點處設(shè)置環(huán)向伸縮縫。對于變形量大的巖面，噴射混凝土層環(huán)向每5m布設(shè)一條寬10cm的縱向變形縫。

⑤仰拱封閉。上半斷面開挖完成后，施作上臺階臨時仰拱，待下臺階開挖完成后，及時施作鋼筋混凝土仰拱襯砌。

⑥剛性支護。待初支變形速率＜0.2～0.5mm/d時，施作剛性二襯。二次襯砌采用50cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

⑦疏導(dǎo)排水，控制好施工用水，減少水的漫流和積水浸泡，以達到“保濕防滲”，減少巖體濕漲干縮對隧道產(chǎn)生不利影響。采用保持原巖濕度狀態(tài)，阻隔施工用水及施工開挖引起的地下水流入隧道左側(cè)的膨脹巖中，引發(fā)圍巖膨脹加力。

⑧施工順序。拱部小導(dǎo)管注漿超前支護，上半斷面挖掘機爬渣開挖支護，左右錯開下挖馬口，施作下部支護，下部機械開挖，人工修整，跳槽施作仰拱及填充，最后拱墻襯砌。

3 工程實例

湖北宜（昌）巴（東）高速公路界嶺隧道進洞口位于宜昌市夷陵區(qū)霧渡河鎮(zhèn)，出洞口位于興山縣水月寺鎮(zhèn)。該隧道采用分離的獨立雙洞雙向四車道公路隧道，隧道凈空采用三心圓曲墻斷面（拱半徑R1=5.60m，曲墻半徑R2=8.10m，仰拱與側(cè)墻采用R3=1.0m的小半徑圓弧連接，仰拱半徑R4=15.00m），設(shè)計凈寬10.25m，凈高 5.0m，其中左洞全長 5653m，右洞全長5681m。

隧道左幅在掘進至ZK79+254處時掌子面左側(cè)曲墻及拱腳部位圍巖揭露巖性為片麻巖、云母片巖的全～強分化產(chǎn)物，巖體遇水后迅速軟化，呈半巖半土狀，強度極低，手捏即碎，顏色以灰白色為主。對圍巖取樣試驗分析其礦物成分中含有親水礦物——伊利石、蒙脫石，該礦物遇水膨脹，失水收縮，體積變化大，漲縮可反復(fù)交替，采用自然堆積法試驗所測其自由膨脹率Fs=70%，屬中等偏強膨脹。膨脹性圍巖性狀變化主要由巖體含水量變化引起，若能保持開挖前的含水量，通常不具備膨脹特性，但開挖后膨脹性圍巖迅速干燥失水，再遇水便要膨脹崩塌，其干燥失水越多，遇水膨脹變形也越大，膨脹壓力即會增加，同時巖體軟化，承載力降低。原設(shè)計并未對該段特殊地質(zhì)作出說明，按剛性工字鋼鋼拱架+超前小導(dǎo)管支護施工日后必然會隨膨脹壓力的增大導(dǎo)致拱墻初支錯臺侵限進而發(fā)展到洞室坍塌，對隧道安全性產(chǎn)生影響。

圖1 膨脹巖區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)形式

4 施工技術(shù)要點

4.1 超前支護 局部膨脹巖及拱頂巖體松散破碎，隧道拱部沿設(shè)計開挖線采用φ42注漿小導(dǎo)管做超前支護，環(huán)向施設(shè)加密加長小導(dǎo)管注漿加固圍巖，以提高松散軟巖的強度及膨脹巖的粘聚力和內(nèi)摩擦，降低其孔隙率，并起堵水防滲作用。

圖2 U29型鋼拱架總裝圖

4.2 適當(dāng)加大預(yù)留變形量 施工中適當(dāng)加大預(yù)留變形量由10cm增大至30cm，以保證設(shè)計凈空，防止侵界現(xiàn)象出現(xiàn)，也可以在變形中釋放殘余應(yīng)力。

4.3 隧道開挖 界嶺隧道膨脹巖為含親水礦物——伊利石、蒙脫石的片麻巖、云母片巖，巖體風(fēng)化破碎，遇水后迅速泥化膨脹，呈半巖半土狀，強度極低，手捏即碎。根據(jù)這一圍巖特征，采取留核心土環(huán)形開挖法。嚴(yán)格控制進尺，每循環(huán)進尺不超過90cm，開挖方法采用挖掘機爬渣成洞，人工修整。開挖完成后，選用C25噴射混凝土初噴3cm厚進行掌子面封閉。

4.4 初期支護鋼架的選取 為符合膨脹巖處治的原則，初支采用U29型鋼加工的鋼拱架。U29型鋼拱架比工字鋼拱架、H型鋼拱架及格柵拱架制作復(fù)雜，通常是通過生產(chǎn)廠家按設(shè)計圖制作好運往工地，現(xiàn)場組裝較為迅速、簡單（詳見U29型鋼拱架總裝圖）?？v向間距為80cm，連接筋采用B22螺紋鋼，環(huán)向間距50cm，在拱架后鋪設(shè)一層A8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為15×15cm。

4.5 底板及仰拱施工 對于未封底的隧道，膨脹極易引起隧道底鼓，隧道左側(cè)膨脹及其他周邊圍巖的綜合應(yīng)力向底板傳遞，底板在強烈的應(yīng)力作用下首先失穩(wěn)，故底板及仰拱施工顯得尤為重要。底板及仰拱采用棧橋法進行全幅施工，全幅灌注。

4.6 二襯襯砌 按照新奧法原理，隧道二次襯砌只是作為受力的安全儲備，但因膨脹地段圍巖內(nèi)應(yīng)力大，圍巖膨脹變形具有長期性，所以二次襯砌比正常圍巖段厚，結(jié)構(gòu)配筋率大。二次襯砌施作，應(yīng)在圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定后進行，變形基本穩(wěn)定符合：隧道水平收斂（拱腳附近7d平均值）小于0.2mm/d，拱部下沉速率小于0.15mm/d；采用液壓襯砌臺車整體澆筑，每襯砌段長10m。

5 監(jiān)控量測

由于膨脹巖的特殊性質(zhì)會給隧道施工帶來很大的影響，容易產(chǎn)生變形過大、支護結(jié)構(gòu)破壞等工程問題，必須在隧道開挖過程中對其進行有效的監(jiān)控量測，以便及時采取相應(yīng)措施予以控制。

圖3 膨脹巖地段監(jiān)測點位布置圖

在本工程中，對膨脹巖地段的監(jiān)測項目如表1所示。

6 施工注意事項

①膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性對于隧道施工來說極為不利，特別是在地下水豐富，地表降水大的條件下，隧道極易失穩(wěn)，所以對膨脹土隧道的監(jiān)控量測就顯得尤為重要。

②開挖掌子面應(yīng)預(yù)留3～4m的核心土，防止膨脹土開挖應(yīng)力釋放導(dǎo)致掌子面崩塌。

③膨脹土隧道施工工序盡可能的緊湊，開挖完畢后盡快支護。

表1 膨脹巖區(qū)域監(jiān)測項目

④及時的施作仰拱，盡量減小仰拱施作與掌子面的距離。

⑤由于膨脹土本身穩(wěn)定性非常差，錨桿對于提高圍巖穩(wěn)定性和整體性有著重要的作用，所以必須及時搭設(shè)錨桿。

7 結(jié)語

膨脹土隧道施工的關(guān)鍵在于在正確的依照設(shè)計施工的基礎(chǔ)上，擴大監(jiān)控量測的范圍，根據(jù)隧道圍巖變形及受力的情況及時的調(diào)整施工工藝。從本實例隧道施工效果來看，施工方案是完全合理的，希望本隧道在膨脹巖中的順利施工能夠為類似工程提供有用經(jīng)驗。

[1]關(guān)寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民交通出版社，2003.

[2]郝中海，李文杰.膨脹土隧道施工技術(shù)要點[J].公路交通科技，2002(6):102－104.

[3]JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術(shù)細則[S].

[4]JTG F60-2009，公路隧道施工規(guī)范[S].