膨胀性围岩隧道施工技术研究

2014-09-07高学华GAOXuehua

价值工程 2014年13期

高学华GAO Xue-hua

（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆404100）

0 引言

一般膨胀性围岩指的是在水的物理化学作用下发生体积膨胀的围岩。比较常见的具有膨胀性质的岩石有页岩、云母、无水芒硝、泥岩、长石、蛇纹岩和含硬石膏钙芒硝等岩石以及主要由强亲水性矿物组成的粘土等，由于其具有遇水膨胀的特性，在这类岩体中开挖隧道经常会产生较多的病害。隧道在膨胀围岩中常见的病害包括围岩变形过大、开裂、坍塌冒顶、隧道底部隆起，衬砌变形乃至支护结构破坏等。

中国已经建成通车的膨胀岩隧道有崔家山隧道、关角隧道、桃坪隧道、引滦入津隧洞、南岭隧道、云台山隧道等。影响膨胀岩隧道的性能的因素有很多，其中较为重要的包括膨胀性矿物的成分及含量、地下水、衬砌结构刚度和施工方案、物理力学指标等。由于我们对膨胀岩的认识还未成熟，尤其是在判别膨胀岩等级、膨胀压力和膨胀量方面国内外还未形成统一标准，加之隧道工程的复杂性，在膨胀岩体中的隧道施工仍有许多问题得不到有效解决。本文结合湖北宜（昌）巴（东）高速公路界岭隧道在施工中的经验，对膨胀岩体中的隧道施工技术进行了探讨和研究，以期能够为以后类似工程提供可以借鉴的经验。

1 膨胀岩的基本特征及对隧道稳定性的影响

1.1 膨胀岩的基本特征膨胀岩内含伊利石、蒙脱石等粘土矿物，这类矿物亲水性强，导致膨胀岩体具有极强的亲水性，遇水后对水产生强烈的吸附作用，使颗粒间粘结力大大削弱、间距增大、体积膨胀，膨胀率高、膨胀压力大，同时，遇水之后膨胀岩强度降低，崩解性强，对隧道稳定性及其维护十分不利。

1.2 膨胀岩对隧道稳定性的影响进行隧道掘进开挖时，隧道围岩应力场重新分布，膨胀岩隧道周边发生变形进入塑性状态，围岩松动，裂隙扩展，孔隙度增大。膨胀围岩在自有的含水量或施工用水引起含水量变化条件下产生膨胀变形，如果隧道不及时支护或支护形式不当、支护强度不足，就会引起隧道过大的变形、最终造成结构破坏，若隧道围岩未进行加固且支架为刚性，则围岩膨胀产生的膨胀压力便作用在支架上，随着膨胀含水量的增加和时间的延展，膨胀的围岩岩体范围越来越大，支架所受的膨胀压力也随之增大，支护结构破坏。同时，围岩松动圈继续增大，裂隙进一步增大，为深部围岩充填水分提供条件，从而又引起深部膨胀岩体膨胀，进而导致隧道支护结构的稳定性恶化，出现隧道崩坍。

2 膨胀岩隧道施工基本原则

处治膨胀岩的基本原则：加固围岩、先柔后刚、先让后顶、变形留够、底部加强、分层支护。通过对隧道掌子面做进一步的地质勘查，详细了解到膨胀岩的分布及走向情况，其影响隧道边墙及拱脚，采取如下措施：

①优化隧道洞室开挖断面。为适应四周均受压的应力状态，避免应力集中，支护结构形式采用圆顺的近圆形断面。适当调整设计预留变形量。

②超前预支护。超前支护采用管材为φ42热轧无缝钢管，壁厚3.5mm，长度3.5m，纵向间距1.6m，环向间距40cm，仰角10°，布设于拱顶150°范围内。

③加固围岩。结合围岩及施工的实际情况，对于左侧边墙及拱架处于膨胀岩中和局部松散破碎的围岩，采用径向加长加密小导管注浆加固。

④柔性支护。钢筋网喷射23cm厚C25混凝土，内设可伸缩性的U29型钢拱架，拱架纵距80cm。喷射混凝土层在可伸缩性节点处设置环向伸缩缝。对于变形量大的岩面，喷射混凝土层环向每5m布设一条宽10cm的纵向变形缝。

⑤仰拱封闭。上半断面开挖完成后，施作上台阶临时仰拱，待下台阶开挖完成后，及时施作钢筋混凝土仰拱衬砌。

⑥刚性支护。待初支变形速率＜0.2～0.5mm/d时，施作刚性二衬。二次衬砌采用50cm厚钢筋混凝土结构。

⑦疏导排水，控制好施工用水，减少水的漫流和积水浸泡，以达到“保湿防渗”，减少岩体湿涨干缩对隧道产生不利影响。采用保持原岩湿度状态，阻隔施工用水及施工开挖引起的地下水流入隧道左侧的膨胀岩中，引发围岩膨胀加力。

⑧施工顺序。拱部小导管注浆超前支护，上半断面挖掘机爬渣开挖支护，左右错开下挖马口，施作下部支护，下部机械开挖，人工修整，跳槽施作仰拱及填充，最后拱墙衬砌。

3 工程实例

湖北宜（昌）巴（东）高速公路界岭隧道进洞口位于宜昌市夷陵区雾渡河镇，出洞口位于兴山县水月寺镇。该隧道采用分离的独立双洞双向四车道公路隧道，隧道净空采用三心圆曲墙断面（拱半径R1=5.60m，曲墙半径R2=8.10m，仰拱与侧墙采用R3=1.0m的小半径圆弧连接，仰拱半径R4=15.00m），设计净宽10.25m，净高 5.0m，其中左洞全长 5653m，右洞全长5681m。

隧道左幅在掘进至ZK79+254处时掌子面左侧曲墙及拱脚部位围岩揭露岩性为片麻岩、云母片岩的全～强分化产物，岩体遇水后迅速软化，呈半岩半土状，强度极低，手捏即碎，颜色以灰白色为主。对围岩取样试验分析其矿物成分中含有亲水矿物——伊利石、蒙脱石，该矿物遇水膨胀，失水收缩，体积变化大，涨缩可反复交替，采用自然堆积法试验所测其自由膨胀率Fs=70%，属中等偏强膨胀。膨胀性围岩性状变化主要由岩体含水量变化引起，若能保持开挖前的含水量，通常不具备膨胀特性，但开挖后膨胀性围岩迅速干燥失水，再遇水便要膨胀崩塌，其干燥失水越多，遇水膨胀变形也越大，膨胀压力即会增加，同时岩体软化，承载力降低。原设计并未对该段特殊地质作出说明，按刚性工字钢钢拱架+超前小导管支护施工日后必然会随膨胀压力的增大导致拱墙初支错台侵限进而发展到洞室坍塌，对隧道安全性产生影响。

图1 膨胀岩区域衬砌结构形式

4 施工技术要点

4.1 超前支护局部膨胀岩及拱顶岩体松散破碎，隧道拱部沿设计开挖线采用φ42注浆小导管做超前支护，环向施设加密加长小导管注浆加固围岩，以提高松散软岩的强度及膨胀岩的粘聚力和内摩擦，降低其孔隙率，并起堵水防渗作用。

图2 U29型钢拱架总装图

4.2 适当加大预留变形量施工中适当加大预留变形量由10cm增大至30cm，以保证设计净空，防止侵界现象出现，也可以在变形中释放残余应力。

4.3 隧道开挖界岭隧道膨胀岩为含亲水矿物——伊利石、蒙脱石的片麻岩、云母片岩，岩体风化破碎，遇水后迅速泥化膨胀，呈半岩半土状，强度极低，手捏即碎。根据这一围岩特征，采取留核心土环形开挖法。严格控制进尺，每循环进尺不超过90cm，开挖方法采用挖掘机爬渣成洞，人工修整。开挖完成后，选用C25喷射混凝土初喷3cm厚进行掌子面封闭。

4.4 初期支护钢架的选取为符合膨胀岩处治的原则，初支采用U29型钢加工的钢拱架。U29型钢拱架比工字钢拱架、H型钢拱架及格栅拱架制作复杂，通常是通过生产厂家按设计图制作好运往工地，现场组装较为迅速、简单（详见U29型钢拱架总装图）。纵向间距为80cm，连接筋采用B22螺纹钢，环向间距50cm，在拱架后铺设一层A8钢筋网，网格尺寸为15×15cm。

4.5 底板及仰拱施工对于未封底的隧道，膨胀极易引起隧道底鼓，隧道左侧膨胀及其他周边围岩的综合应力向底板传递，底板在强烈的应力作用下首先失稳，故底板及仰拱施工显得尤为重要。底板及仰拱采用栈桥法进行全幅施工，全幅灌注。

4.6 二衬衬砌按照新奥法原理，隧道二次衬砌只是作为受力的安全储备，但因膨胀地段围岩内应力大，围岩膨胀变形具有长期性，所以二次衬砌比正常围岩段厚，结构配筋率大。二次衬砌施作，应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行，变形基本稳定符合：隧道水平收敛（拱脚附近7d平均值）小于0.2mm/d，拱部下沉速率小于0.15mm/d；采用液压衬砌台车整体浇筑，每衬砌段长10m。