膨胀土隧道塌方成因分析及其技术处理＊

2011-12-02宋磊

外语与翻译 2011年3期

关键词：塌方施工单位路基

宋磊

(江苏省交通规划设计院，江苏南京230001)

膨胀土隧道塌方成因分析及其技术处理＊

宋磊

(江苏省交通规划设计院，江苏南京230001)

交通工程是我国投资的基础项目之一，对缓解国内交通压力有着重要的作用。改革开放之后，国内地面道路交通开始趋于饱和状态，隧道交通建设项目的数量不断增多，给建筑工程单位的工作带来了巨大的压力。为了保证隧道工程建设的顺利实施，对隧道施工中常见的问题及时处理是很有必要的。本文以膨胀土隧道塌方为研究重点，结合具体的工程案例分析了相关问题。

膨胀土;塌方;成因分析;处理技术

膨胀土在我国的分布具有“广泛性”特点，如:广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等多个省区都有膨胀土。膨胀土是不同于常规土壤的一个土层结构，这种土的主要构成材料是蒙脱石、伊力土、高岭土，其具备“吸水膨胀，失水收缩”的特性，这是导致膨胀土灾害的根本原因。膨胀土会引起胀缩、变形、位移、开裂、倾斜等诸多问题，大大降低了隧道工程项目的施工进度。

一、案例介绍

本次研究的对象为包西铁路新响沙湾隧道工程，由中铁十九局集团第二工程有限公司安排施工。由于隧道的地理位置特殊，在施工建造期间出现了不同程度的塌方问题，经过施工队伍全体人员的努力之后，塌方问题得到彻底解决，保证了隧道工程实施的质量符合标准要求。新响沙湾隧道的总长度超过3400m，进口1057m，出口129m处在直线上，其它路段都处在半径为4500m的曲线上，纵坡11.5‰。此隧道工程在建设期间面临了多个方面的困境，不仅围岩环境恶劣，且风积砂、砂质黄土是隧道进、出口岩层的主要材料，隧道斜井到出口洞段多数为泥质砂岩，而膨胀土占据了较大的比例，一般在20%～30%，施工中隧道开挖的难度很大，容易造成塌方现象。经过公司勘察分析，隧道路基内蒙脱石、伊力土、高岭土含量较大，在30% ～40%，由此可判断是由膨胀土的膨胀、收缩等变形导致隧道塌方。这与新响沙湾隧道得到地理位置有关，处于鄂尔多斯台地剥蚀丘陵区，此区域的地理构造中的围岩属白垩系下统(K1)，地层的砂石含量在10% ～25%左右，且构造起伏波动较大，给膨胀土的膨胀、收缩创造了条件。

二、膨胀土具备的物理性质

鉴于膨胀土对隧道施工带来的不利影响，施工单位要想正确处理塌方病害，则必须要深入分析膨胀土的具体性质。施工单位在地质勘查期间，对膨胀土研究最多的则是其物理性质，其中力学性质是尤为核心的，直接关系着膨胀土对隧道施工的作用。蒙脱石、伊力土、高岭土是膨胀土的主要构成，这些土石在物理作用下会出现不同程度的收缩、膨胀，从而造成隧道塌方病害。膨胀土结构特点如图1。

1、含水量。从物理学角度看，膨胀土具备的膨胀、收缩等物理特性，主要还是因为土中的含水量大小发生变化，导致土层的体积不断变化。含水量的多少直接决定了膨胀土的膨胀特性，若隧道施工中能保持含水量处于标准状态，一般10%以内则可正常施工，一旦含水量失衡则会引起垂直、水平方向的体积膨胀。

图1 膨胀土结构示意

2、干容重。含水量的大小决定了膨胀土的干容量，干容量是衡量膨胀土性能的另一关键指标。根据隧道施工勘察研究分析，当粘土的γ=18.0kN/m＆sup3时，膨胀潜势最高，最容易出现膨胀［1］。根据干容重的这一指标，施工队伍常常能做出明确的判断，确定隧道开挖的具体方案。

3、膨胀量。膨胀量主要是指隧道中的膨胀土出现膨胀或收缩的幅度，给隧道施工的监测勘察提供了勘察指标，指导工程单位制定科学的塌方处理方案。工程师根据膨胀率可以较为准确的分析出隧道的膨胀量，一般膨胀量的大小与隧道工程的地质环境相关，这就提醒工程单位要改善施工条件。

4、膨胀力。膨胀力是膨胀土膨胀到极限之后，通过施加荷载的方式将其变为初始体积的压力值。因我国区域地质构造之间的差异性，每个区域的粘土膨胀压力大小不一，常会因干容重的改变而变化。根据这一力学特性，施工单位只需掌握膨胀土接近膨胀的压力值，避免应力集中造成膨胀则可控制塌方。

三、导致塌方病害的常见因素

结合包西铁路新响沙湾隧道工程的建设情况看，导致塌方形成的关键因素还是因为膨胀土物理性质的变化。并且隧道施工处于鄂尔多斯台地剥蚀丘陵区，此区域的地理构造中的围岩属白垩系下统(K1)，地质构造起伏波动较大，是造成膨胀土隧道塌方的一大因素。但从整体角度看，导致隧道塌方病害出现的原因却是多个方面的，具体表现在以下几点:

1、勘察因素。隧道工程本身则属于地下施工作业，在隧道施工过程中会遇到岩石层的阻碍，影响了隧道钻进的顺利进行。施工单位在制定隧道施工方案前，对隧道周围的地质状况没有详细地勘察，如:地质构造、土壤性能等，缺少这些资料作为支撑，设计人员制定好的隧道方案将难以执行。

2、气候因素。我国东西部区域气候环境差异大，特别是新疆、西藏等地域天气变化无常，如:降雨量时多时少、温度时高时低等。对于降雨量大的地区，在隧道施工时因天气变化而使得膨胀土渗入过多的雨水引起膨胀，而当天气转晴之后，会因为高温暴晒失水而出现收缩，这些都会引起塌方。

3、施工因素。在所有工程环节里，施工阶段是控制隧道质量的最佳时期，也是塌方形成的主要环节。据调查显示，超过65%的工程都是在施工阶段产生。施工时引起塌方的因素较多，如:工艺流程、机械设备等。此外，若施工人员缺乏专业的施工技术而未能把握好具体的步骤，也会引起塌方问题［2］。

4、应力因素。对于膨胀土隧道围岩而言，其在隧道施工时会产生应力释放现象，短时间内巨大的应力作用会迅速造成隧道塌方。如:隧道施工中的土体卸载后，土体回弹现象会引起不同程度的膨胀，此时隧道结构内部受力不均衡，增加了塌方产生的可能性。

5、支护因素。因属于地下施工作业，顾及到膨胀土“吸水而膨胀，失水而收缩”的特点，对隧道设置必要的支护结构能维持内部结构的稳定性。但若围岩结构在吸水量超标的情况下，膨胀土的膨胀性会快速释放而给隧道结构造成冲击，若支护结构的承受力不达标，则造成围岩及周围土体的受损。

四、隧道塌方处理的技术方案

膨胀土隧道塌方病害不仅增加了施工作业的难度，也给工程项目投资带来较大的经济损失。造成隧道塌方问题的因素较多，这就要求施工单位在制定处理方案时能综合考虑问题，从多个角度去制定塌方处理方案。尤为重要的是需积极引进施工技术，既要满足与隧道工程的特点，又要符合隧道所在区域的地质条件。参照包西铁路新响沙湾隧道工程的地理位置，对塌方问题的处理技术包括:

1、回填技术。塌方会造成隧道结构的受损，使得部分位置的土层出现残缺，减弱了隧道结构的耐久性能。根据这一状况，引进回填技术之后可对塌方位置使用塌方碴料处理，由两侧逐渐往中间回填。当回填到拱顶设计标高位置后，换用轻质材料填塞处理，填塞时要注意材料的密实度。

2、管棚技术。钢桁架和管棚是隧道施工中较常见的做法，在隧道施工内设置牢固的支撑结构，可以保持隧道结构的稳定，避免隧道顶部塌方、坠落沙石。如:拱部90°范围内架设Φ108管棚，管棚间距为30㎝，外插角为15°等［3］。此次管棚技术运用了高性能钢筋结构，稳定性更强。

3、开挖技术。施工单位在制定开挖方案时要考虑膨胀土的自身特性，当结束混凝土浇注之后便可实施开挖计划。在开挖技术中要求了施工单位塌方体结合“四台阶法”完成开挖，每台的开挖高度要严格控制，如:第1台阶开挖高度2.2m，第2台阶开挖高度为2.8m，第3台阶开挖高度为3.1m等。

4、支护技术。待塌方体开挖施工完成之后需运用早期支护技术，主要采用的是不同的钢结构支撑。如:钢架使用I22工字钢钢架，间距控制在40㎝/榀，选择40槽钢垫底为上台阶钢架脚部，选择6m长Φ42钢管锁脚作为钢架各单元连接处等［4］。在洞内塌方处理中，小导洞处理时支护参数如表1。

表1 小导洞支护参数

5、养护技术。没开挖好一段隧道之后需及时制定养护方案，确保已经施工好的隧道结构完好无损。如:新响沙湾隧道的总长度超过3400m，在隧道施工时必须要采用分段施工。施工单位应采取不同的养护及时，避免膨胀土的膨胀、收缩造成不利影响。如:通过设置40根管棚进行加固养护处理。

五、膨胀土隧道路基的施工技术

伴随着城市交通事业的发展，社会车流量不断增加，给隧道内部的路基造成了很大的荷载。当隧道路面承担的荷载超过其范围后，路基则会发生不同程度的变形，这也是引起隧道塌方的一个因素［5］。一旦路基失去了稳定性，隧道整体结构受力不均匀，横向、纵向力的压缩则会造成受力挤压而引起塌方。因此，路基技术也是处理膨胀土塌方的关键点。路基施工技术的具体方法有:控制路基填埋的材料，对高度在1m内的必须要求填非膨胀土，且紧密压实处理;用到膨胀土作填料时应保证其稳定性，可使用石灰材料对膨胀土处理;在路堤、路堑两者的分界处，因需保证土壤内的含水量大小差异，并且使用足够的压力密实处理，确保足够的密度。另外，在路基施工时也要注意防止天气变化造成的不利影响，特别是在雨季时要调整好施工时间安排。施工单位也可以对路基设置排水系统，如:排水沟、管道等及时输送水流，以免含水量过大影响到路基的牢固性。