膨胀围岩隧道掘进支护技术研究

赵朋涛

摘要： 本文结合房家湾隧道工程实例，对膨胀岩产生膨胀的原因进行了分析，并根据本隧道膨胀岩的特殊性质采取了一系列的技术措施，有效控制了膨胀围岩变形对隧道结构造成的破坏，确保了隧道施工安全。

Abstract： In this paper， combined with the real example of Fangjiawan Tunnel engineering， the causes of expansive rock are analyzed， and a series of technical measures are adopted according to the special properties of the expansive rock tunnel， effectively controlling the damage of the expansive surrounding rock deformation on the tunnel structure， and ensuring the safety of tunnel construction.

关键词： 隧道；膨胀岩；地应力；技术措施

Key words： tunnel；expansive rock；crustal stress；technical measures

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0142-03

0 引言

进行隧道掘进施工时，时常遇到隧道穿越页岩、长石、云母、泥岩等具有膨胀性质的围岩地带，或穿越主要由亲水类矿物组成的粘土。以上围岩具有浸水体积增大等膨胀特性，膨胀后的围岩颗粒离散、相互间粘结力严重降低。同时岩土的膨胀产生了巨大的膨胀压力。通常膨胀围岩所在地层具有超固结的特性，即围岩存在较高的应力比，即P0/Ra（P0为地应力；Ra为圍岩的抗压强度）较高。围岩初始储存有较高的压应力，当隧道围岩开挖后，围岩的初始压应力得到释放的同时，伴随着体积产生膨胀。因此膨胀围岩通常带有明显的塑性流变特点，掘挖后洞身往往出现较大的塑性变形。由于膨胀围岩遇水膨胀及卸载膨胀，导致穿越膨胀岩土地段的隧道围岩出现失稳坍塌、洞壁变形、初支及二衬破坏等现象。本文结合西成客运专线房家湾隧道施工的实践，对膨胀围岩隧道的掘进及支护技术、措施进行了总结及探讨，以期为读者进行此类膨胀围岩隧道的施工带来一点启示。

1 工程简介

新建铁路西成客运专线西安至江油段（陕西境内）的房家湾隧道位于勉县境内，为大巴山低中山区，通过地区大部分山势陡峻，隧道范围地表高程一般为630～1300m。总体地形北高南低，地形陡峻，沟壑交织，沟谷多呈狭窄的V型。隧道进口位于小河庙村对面、养家河左岸，出口位于漆坝乡大湾村。隧道起讫里程DgK281+147～DgK289+708，全长8561m，其中V级围岩308m，IV级围岩1806m，Ⅲ级围岩3700m。为双线隧道。隧道洞身最大埋深444m，隧道采用进口横洞和1#横洞辅助施工。

本隧道涉及地层按新老顺序主要为第四系全新统冲积、洪积膨胀土、圆砾土、卵石土，志留系下统页岩，奥陶系下统砂岩夹砾岩、砂岩与页岩互层、灰岩夹砂岩夹页岩，寒武系下统页岩夹砂岩夹灰岩。本隧道特殊岩土为膨胀土和膨胀岩。

因对围岩的地质情况认识不足，且设计所采用的支护参数偏低，隧道DgK285+360～390段在掘进开挖不久，即出现较大的支护变形情况，经持续15d的变形及位移监控量测，测明变形速率在3.5～7.0cm/d之间，最大变形速率11.9cm/d，通常变形值为25～50cm，最大变形值达79cm。部分初支变形严重侵限，喷射的混凝土开裂，局部喷射的混凝土呈块状脱落，工字钢拱架也变形明显，隧底有隆起迹象。

2 围岩膨胀原因探索

进行膨胀性围岩隧道施工前，需了解围岩矿物构成，测试围岩初始储存的压应力，从而查明围岩出现膨胀的根源及特性，再采取针对性的施工技术措施及支护方案。

经对掌子面揭示的地质情况进行了详细勘察，围岩表观整体呈棕、黄色，裂隙发育，裂隙充填灰白色黏土，土质细腻，具滑感。进行取样土工试验，土样自由膨胀率平均为78%，蒙脱石含量15.9%，具有弱-中等膨胀。

本段隧道埋深为385m，经测定，围岩初始地应力（P0）处于7.25～9.39之间。围岩的单轴抗压强度（Ra）为21.2MPa。应力比P0/Ra=2.92～2.25<4.0，根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2005）的分类标准，为高应力，说明围岩中储存着较高的初始地应力，在开挖卸载后变形显著，且变形时间较长，隧道洞身易坍塌。

3 膨胀围岩段隧道施工的技术措施

了解了本项目围岩膨胀产生的原因及特性后，结合膨胀围岩隧道施工原则“加强围岩、改善断面、先柔后刚、先放后抗、预足变形、隧底加固”24字方针。采取了如下的具体掘进支护技术措施及方案。

3.1 加强围岩 ①隧道进行锚杆支护为围岩加强最为有效的措施。锚杆长度需超出膨胀围岩的塑性半径。锚杆长度大于围岩塑性半径时，不仅提高了塑性区围岩的自承载能力，且锚杆把塑性区与外围弹性区联结成稳定整体，产生了良好的围岩的径向加固效果。且锚杆的长度越大，其加强效果也就更好，但当锚杆过长时，施工难度加大，工程造价提高，且不能充分发挥超深锚杆部分的作用。如果锚杆长度小于塑性区厚度，即锚杆全长处于塑性区，则锚杆可随着塑性区围岩共同移动，故围岩仍容易出现剪切滑移破坏的质量问题。②一般围岩塑性区厚度/锚杆长度的比值为2/3能够达到较好的处理效果。采用岩石力学的卡斯特纳公式进行围岩塑性区确定。即通过多点位移计和声波测式法测定围岩松动范围来确定塑性区。③以往施工经验证明，采用自进式锚杆处理膨胀性围岩的施工效果较佳，本项目使用了国产GMC自进式锚杆，型号为R32。本项目确定的塑性区厚度为1.6～2.2m，采用的锚杆长度为3.5m。④使用预应力锚杆。为了控制围岩在施做锚杆后的膨胀变形量，降低初支及二衬承受的围岩膨胀应力，锚杆的尾端设置1m长的自由端，进行预应力张拉，以抵制围岩的膨胀应力。端头用厚8mm的18×18cm钢板替换拱形垫板。⑤超前预支护采用超前小导管，为？准42热轧无缝钢管制成，长3.5m，壁厚3.5mm，小导管纵向设置间距2.0m，环向间距按40cm，外插角10°，布设范围为拱部150°内。endprint

超前小导管及锚杆布设如图1所示。

3.2 改善洞形 通过修改隧道洞身断面形式，增大边墙和仰拱曲率，边墙与仰拱等的过渡线条尽量圆顺，使洞身掘进边缘线趋近于圆形。提高隧洞本身承受压力的能力，避免局部应力集中。

开挖后支护形成环状封闭结构。

3.3 先柔后刚、先放后抗、预足变形 钢筋网喷厚度为25cm的C25砼，并将原设计的I20a工字钢拱架换成U29型可伸缩钢架，其布设间距也加密至80cm。

施工经验表明，软弱围岩在开挖后，先期变形量非常大，一般为20～50cm，同时，变形对支架系统产生巨大的压力荷载，常使型钢钢架发生扭曲变形。为此，在本项目施工中，使用了U29型可伸缩钢架（如图2所示）及喷锚等组成柔性支护系统，其能够在一定程度上适应了软岩的开挖后前期的大变形，避免了初支的变形破坏。

为了使U29型钢架及支初能够适顺应围岩的膨胀变形，喷射混凝土层在U29型钢架的可伸缩部位设置纵向伸缩缝。当围岩变形量较大时，喷砼每隔5m设置一道宽10cm的横向变形缝。

对初支预留25～50cm的预留变形量，待围岩膨胀变形趋于稳定后，再施作厚度为40cm的钢纤维砼二衬，对围岩实施刚性支护。

3.4 底板及仰拱施工 在膨胀围岩地段，如果不能及时進行封底，围岩的膨胀作用极易使隧道底部隆起。因隧底处轮廓线曲率较大，两侧拱墙膨胀岩的膨胀应力向底板传递，底板在强烈的膨胀应力作用下较边墙及拱顶更易于失稳，所以及时施作底板仰拱是非常重要的。

故隧道上台阶开挖完成后，立即施作上台阶临时仰拱，当下台阶开挖完成后，采用栈桥法全幅浇注钢筋混凝土底板及仰拱。

3.5 排水、保湿 膨胀围岩遇水后膨胀，失水则收缩，围岩在干湿循环的环境下产生胀缩效应。不仅破坏了围岩的结构，由紧密的粘连变化成裂隙结合，严重的成为松散体，完全失去了强度，导致围岩松垮坍塌。而且无论是体积膨胀还是收缩，均造成围岩间应力值宽幅变化，对围岩的整体稳定性产生破坏。特别是膨胀压力对围岩的压力起到叠加作用。所以施工时，要随时注意疏导围岩渗水，控制好施工用水，减少掘进作业面的水漫流或是浸泡围岩，以达到“疏水保湿”的目的，减少围岩干湿循环产生的应力变化对围岩强度及整体性的破坏。

3.6 加强监控量测 膨胀岩存在的湿胀干缩的特殊性质往往对施工造成极大的不利影响。通常出现变形超限、围岩坍塌及支护结构破坏等施工质量问题。故需在隧洞掘进期间加强监控量测，以便能够及时采取有效控制措施确保施工质量及安全。膨胀围岩隧道监控量测断面及监测项目如图3、表1所示。

4 施工的其它技术措施

①掘进的掌子面预留3～7的核心土，避免膨胀土围岩开挖后，因应力快速释放引起掌子面坍塌。②膨胀围岩段的隧道掘进及支护等工序的施工要及时、紧凑的进行。开挖后及封闭掌子面，支护封闭成环。③因膨胀围岩岩体节理发育、软弱，要确保用最可能短的时间做完长锚杆。锚杆孔施钻与插入锚杆的间隔时间尽量缩短，要求钻杆与插锚杆工序要紧跟。当钻孔坍塌，采用钻机送杆，即在锚杆端头安装钻头，对坍孔进行重新施钻，钻头留存在孔内。④仰拱施工、二次衬砌灌注与开挖掌子面的距离尽量缩短，以尽快形成承压能力强的环形封闭结构。

5 处理效果评价

采取了以上施工技术方法及措施进行膨胀围岩段的隧道掘施工，从现场检查及监测的数据来看，不再有围岩变形超限及支护破坏的现象出现，表明所采用的施工技术措施及方法是科学合理的。以期房家湾隧道在膨胀围岩地段顺利安全施工的经验能够给予相同类型项目的施工提供一些帮助。

6 结束语

膨胀围岩隧道掘进及支护施工的关键在于查明膨胀围岩的工程特性，然后根据围岩变形的机理及变形特征进行隧道结构设计的改变和施工支护参数的调整，并加强监控量测工作，确保及时获知施工现场围岩及支护的即时情况，以及时调整施工工艺方法及采取有效处理措施。

参考文献：

[1]关宝树.隧道施工要点集[S].北京：人民交通出版社，2003.

[2]陈磊，聂君丽.隧道施工中膨胀性围岩变形存在问题及其处理措施[J].建筑与发展，2011（11）.

[3]李化云.浅埋大跨膨胀土隧道变形机理及支护力学行为研究[J].西南交通大学学报，2015（11）.endprint