膨胀性围岩不良地质隧道设计与施工的策略分析

2020-03-02苗壮

科技创新导报 2020年31期

苗壮

(中国铁路设计集团有限公司天津 300308)

随着我国铁路的快速发展，铁路隧道建设也进入了一个新的发展期。隧道数量增加，施工难度上升，且新时期铁路对隧道质量也提出了更高要求。在山岭隧道施工中，膨胀性围岩不良地质隧道一直是施工的难点，特别是膨胀性泥岩，由于其复杂的工程特性，在隧道施工中极易引起成洞困难、初期支护大变形、甚至侵入隧道净空等问题。因此对于膨胀性围岩不良地质下的隧道修建技术，一直是隧道工程师研究的重点和难点。

图1 台阶法

图2 CD法

1 膨胀性围岩不良地质介绍

膨胀性围岩是指在水的物理化学作用下易产生体积膨胀、破碎和分解的一类岩石（土），从发生膨胀的机理可分为两大类，一类为化学转化为膨胀岩；另一类指含有较多的亲水矿物的黏土质岩石。泥质膨胀岩是属于易风化和软化的软弱岩石，当岩体受到扰动后，特别是环境湿度和压力条件变化时，膨胀岩的性状将发生较大的改变，产生体积膨胀和收缩，进而对位于其上的工程建筑物会产生很大的危害性，严重影响工程的稳定性。

例如某铁路隧道工程穿越地层为粘性土和泥岩，具有中等～强膨胀性。膨胀土具有随环境的干湿变化，吸水显著膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩、开裂、硬结现象、并产生往复循环胀缩变形等特性。膨胀性泥岩具有含水量增加，体积膨胀、岩质软化、饱水后崩解泥化和失水体积收缩、岩体破裂、新鲜泥岩在空气中暴露后具有鳞片状剥落等特性。

面对这一复杂、特殊的地质，该如何做好工程设计才能有效避开风险因素或最大程度降低不确定因素对工程的影响，确保隧道施工安全稳定进行是施工单位必须要考虑的问题[1]。

2 膨胀性围岩不良地质隧道施工特点

在膨胀性围岩不良地质隧道施工中，工作人员主要需注意的问题有：因围岩承载力不强而导致的地层下陷、滑坡、偏压等问题，并由此造成的隧道衬砌、支撑结构变形破坏。与普通地层相比，膨胀性围岩不良地质的承载力更小，在不采取相应增强措施的情况下，会导致衬砌、支撑不均匀下沉，还会出现松散地层滑移、山体失稳等，这些问题均会给隧道的正常施工与使用带来很大影响[2]。

在膨胀性围岩不良地质地段，围岩膨胀与软塑挤压变化，会给隧道的衬砌结构、支撑结构施加相应的膨胀压力或挤压压力，进而在一定程度上影响隧道结构的稳定性，导致隧道工程无法正常施工与使用。结合以往施工经验发现，膨胀性地压的底部压力、侧部压力以及垂直向压力均非常大，且这些压力会对隧道衬砌结构的形状以及刚度产生直接性影响。并且这类地压有着较强的时间效应，在施工初期往往不易发现，但是在开挖暴露3～4d后，才会出现较大地压。除此之外，地压的强度与施工时间有密切关系，随着时间的延长，地压强度会不断增加。相关研究表明，地压强度在初期呈快速增长，并且会在经过较长时间后才趋于稳定。

综上，在进行膨胀性围岩不良地质隧道施工时，要想通过全面详细的勘察掌握地质各基本情况，如地层的稳定性、地层中含水情况、地质密实度等。在详细了解地质情况的基础上科学设计施工方案，认真做好排水、开挖、支撑、爆破、衬砌、检查、加固等各项工作，进而保证隧道施工的安全性与稳定性[3]。

3 膨胀性围岩不良地质隧道设计与施工措施

3.1 施工方法与工序安排

在进行膨胀性围岩不良地质段隧道的施工时，为保证人员、设备、工程以及环境的安全性，应采用上导坑或弧形导坑先拱后墙的施工思路与方法。由于不良地质地层变化极为不稳定，因此在设计与施工时应在保证工程质量的前提下尽可能缩短施工时间，提高施工效率。要紧凑安排各道工序，不能出现中途停工等现象。在完成开挖施工后，要及时开展筑拱作业，不能让围岩长时间暴露在空气中。要通过加紧施工来减少风化、水化作用，保证围岩结构的稳定性。模板拆除后，要及时组织工作人员进行拱背的填充、压浆等工作，以保证整体施工质量。实践表明，若能紧凑安排各工序、严格控制施工时间，就能大大缩短围岩的暴露时间，减小膨胀压力，进而防止衬砌结构出现变形、裂纹等情况，让隧道工程的施工质量得到保证[4]。

3.2 分部开挖与支撑设计施工

进行隧道施工时，可采用框架式支撑结构开展相关支护作业。在施工时根据工程实际情况合理预留沉落量，并且按照从上到下的原则开挖。若选择应用花拱支撑结构，那么就需采用弧形导坑开挖，并分片架立。在施工时，要在拱脚岩层处预留出一定的宽度，以便后期工作的顺利开展。

3.3 衬砌结构设计与施工

为提升隧道结构的安全性、稳定性，可选用钢骨架封闭式衬砌结构。在施工时，需根据工程实际情况对拱脚断面处作适当加大，并应用锚杆指出技术来防止拱脚下沉。除此之外，施工时还需做好必要的防护措施，避免让拱脚、墙脚等关键部位受到地下水的浸泡。同时为了提升衬砌结构的安全性、稳定性，还应在施工时对拱脚做适当的提高处理，并适当放宽起拱线[5]。

3.4 雨季进洞滑坡问题的设计与施工

在进行膨胀性围岩不良地质地段隧道进洞施工时，雨季施工经常会发生滑坡问题，给工程的施工与使用带来较大影响。因此在工程设计阶段，就需根据施工区域具体情况来设计相应的防治策略，并综合采用多种措施有效解决滑坡问题。如在设计时，先调查清楚可能会引起滑坡的相关因素，预测滑坡类型，在此基础上进行设计。如果工程中滑坡是由于坡残积土沿顶面滑动，并且滑坡后基岩裸露，且短期内稳定性较好，在后期可能会出现严重质量问题。那么在设计与施工时刻采用抗滑桩与挡护相结合的措施来进行整治。同时在相应位置设置渗沟对地下水进行拦截，排出大量地下水进而提升工程结构的稳定性、牢固性，降低滑坡出现几率。