膨脹土圍巖地段施工工學論文

　　膨脹土系指土中粘土礦物成分主要由親水性礦物組成，同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性，且具有濕脹干縮往復變形的高塑性粘性土。決定膨脹性的親水礦物主要是蒙脫石粘土礦物。

　　我國是世界上膨脹土分布面積最廣的國家之一。現已發(fā)現有膨脹土發(fā)育的地區(qū)達20余個省、市、自治區(qū)，遍及西南、西北、東北、長江與黃河中下游及東南沿海地區(qū)。其中主要有：云南、貴州、四川、湖北、安徽、廣東、廣西、陜西、山西、河南、山東和河北等省區(qū)分布是十分廣泛的。

　　一、膨脹土圍巖的特性

　　隧道穿過膨脹土地層，隧道開挖后不久，常�？梢砸姷絿鷰r因開挖而產生變形，或者因浸水而膨脹，或因風化而開裂等現象。使坑道的頂部及兩側向內擠入，底部鼓起，隨著時間的增長導致圍巖失穩(wěn)，支撐、襯砌變形和破壞。這些現象說明膨脹土圍巖性質是極其復雜的。它與一般土質的圍巖性質有著根本的區(qū)別。

　　膨脹土圍巖的基本特性，主要有以下三方面：

　�。�1）膨脹土圍巖大多具有原始地層的超固結特性，使土體中儲存有較高的初始應力。當隧道開挖后，引起圍巖應力釋放，強度降低，產生卸荷膨脹。因此，膨脹土圍巖常常具有明顯的塑性流變特性，開挖后將產生較大的塑性變形。

　　（2）膨脹土中發(fā)育有各種形態(tài)的裂隙，形成土體的多裂隙性。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狀態(tài)下具有高強度特性，隧道開挖后洞壁土體失去邊界支撐而產生脹縮，同時因風干脫水使原生隱裂隙張弛，使圍巖強度急劇衰減。因此，隧道施工開挖過程中，常有初期圍巖變形大，發(fā)展速度快等現象。

　�。�3）膨脹土圍巖因吸水而膨脹，失水而收縮，土體中干濕循環(huán)產生脹縮效應。一是使土體結構破壞，強度衰減或喪失，圍巖壓力增大。二是造成圍巖應力變化，無論膨脹壓力或收縮壓力，都將破壞圍巖的穩(wěn)定性，特別是膨脹壓力將對增大圍巖壓力起疊加作用。

　　二、膨脹土圍巖對隧道施工的危害

　　由于膨脹土圍巖的特殊工程地質性質及其圍巖壓力特性，使膨脹土的隧道圍巖具有普遍開裂、內擠、坍塌和膨脹等變形現象。膨脹土隧道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。施工中常見的幾種情況，簡述如下：

　�。�1）圍巖裂縫：隧道開挖后，由于開挖面上土體原始應力釋放產生脹裂；另外，因為表層土體風干而脫水，產生收縮裂縫。同時，兩種因素都可以使土中原生隱裂隙張開擴大。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）坑道下沉：由于坑道下部膨脹土體的承載力較低，加之上部圍巖壓力過大，而產生坑道下沉變形�？拥赖南鲁�，往往造成支撐變形、失效，進而引起土體坍塌等現象。

　�。�3）圍巖膨脹突出和坍塌：膨脹土開挖過程中或開挖后，圍巖產生膨脹土變形，周邊土體向洞內膨脹突出，開挖斷面縮小。在土體喪失支撐或支撐力不夠的狀態(tài)下，由于圍巖壓力和膨脹壓力的綜合作用，使土體產生局部破壞，由裂縫發(fā)展到出現溜塌，然后逐漸牽引周圍土體連續(xù)破壞，形成坍塌。

　�。�4）底鼓：隧道底部開挖后，洞底圍巖的上部壓力解除，又無支護體約束的條件下，由于應力釋放，洞底圍巖產生卸荷膨脹；加之坑道積水，使洞底圍巖產生浸水膨脹。因而造成洞底圍巖鼓出變形。

　�。�5）襯砌變形和破壞：在先拱后墻法施工中，拱部襯砌完成后至開挖馬口的這段時間，由于圍巖和膨脹壓力，常常產生拱腳內移，同時發(fā)生不均勻下沉，拱腳支撐受力大，發(fā)扭曲、變形或折斷。拱頂受擠壓下沉，也有向上凸起。拱頂外緣經常出現縱向貫通拉裂縫，而拱頂內緣出現擠裂、脫皮、掉塊現象。在拱腰部位出現縱向裂縫，這些裂縫有時可發(fā)展到張開、錯臺。當采用直墻時，邊墻常受膨脹側壓而開裂，甚至張開、錯臺，少數曲墻也有出現水平裂縫的情況。當底部未做仰拱或僅做一般鋪底時，有時會出現底部鼓起，鋪底被破壞。

　　三、膨脹土圍巖的隧道施工要點

　�。ㄒ唬┘訌娬{查、量測圍巖的壓力和流變

　　在膨脹土地層中開挖隧道，除了認真實施設計文件所提出的技術要求外，在施工過程中應對圍巖壓力及其流變情況進行充分的調查和量測，分析其變化規(guī)律。對地下水亦應探明分布范圍及規(guī)律，了解水對施工的影響程度，以便根據圍巖動態(tài)采取相應的施工措施。如原設計難以適應圍巖動態(tài)情況，也可據此作適當修正。

　�。ǘ�）合理選擇施工方法

　　膨脹土隧道圍巖壓力的施工效應，是導致隧道變形病害的主要原因。采用合理的施工方法，對隧道的穩(wěn)定性有著十分重要的作用。因此，在施工中應以盡量減少對圍巖產生擾動和防止水的浸濕為原則，所以宜采用無爆破掘進法。如采用掘進機、風鎬、液壓鎬等開挖。在開挖過程中盡可能縮短圍巖暴露時間，并及時襯砌，以盡快恢復洞壁因土體開挖而解除的部分圍巖應力，減少圍巖膨脹變形。開挖方法宜不分部或少分部，多采用正臺階法、側壁導坑法和“眼鏡法”。正臺階法適用于跨度小的隧道，它分部少相互干擾小，且能較早地使支護（襯砌）閉合。側壁導坑法和“眼鏡法”較適用于跨度較大的隧道，它具有防止上半斷面支護（襯砌）下沉的優(yōu)點，但全斷面閉合時間較遲，必須注意防止邊墻混凝土受壓向隧道內擠。

　�。ㄈ�）防止圍巖濕度變化

　　隧道開挖后，膨脹土圍巖風干脫水或浸水，都將引起圍巖體積變化，產生脹縮效應。

　　因此，隧道開挖后及時噴射混凝土，封閉和支護圍巖。在有地下水滲流的隧道，應采取切斷水源并加強洞壁與坑道防、排水措施，防止施工積水對圍巖的浸濕等。如局部滲流，可采用注漿堵水阻止地下水進入坑道或浸濕圍巖。

　�。ㄋ模┖侠磉M行圍巖支護

　　膨脹土圍巖支護必須適應圍巖的膨脹特性。在施工時應注意以下幾點：

　�。�1）噴錨支護，穩(wěn)定圍巖。噴錨支護作為開挖膨脹土圍巖的施工支護，可以加強圍巖的自承能力，允許有一定的變形而又不失穩(wěn)。采用噴錨支護，應緊跟開挖必要時在噴射混凝土的同時，采用鋼筋網。也可采用鋼纖維混凝土提高噴層的抗拉和抗剪能力。當膨脹壓力很大時，可用錨噴及鋼架或格柵聯合支護，在隧道底部打設錨桿，也可以在隧道頂部打入超前錨桿或小導管支護。膨脹土圍巖隧道的支護，盡可能使其在開挖面周壁上迅速閉合。如果是臺階開挖，可在上半部開挖后盡快作出半部閉合，使圍巖盡早受到約束。

　　總之，不論采用哪一種類型的支護，都必須根據工程實際情況及圍巖變形狀態(tài)而定。

　�。�2）襯砌結構及早閉合。膨脹土圍巖隧道開挖后，圍巖向內擠壓變形一般是在四周同時發(fā)生，所以施工時要求隧道襯砌及早封閉。從理論上講，拱部、邊墻及仰拱宜整體完成，襯砌受力條件最好。但受施工條件的限制往往難以實現。因此，在灌筑拱圈部分時，應在上臺階的底部先設置臨時混凝土仰拱或噴射混凝土作臨時仰拱，以使拱圈在邊墻、仰拱未完成前，自身形成臨時封閉結構。然后當進行下部臺階施工時，再拆除臨時仰拱，并盡快灌筑永久性仰拱。

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