膨胀土围岩隧道施工技术要点研究

张勇

（南充职业技术学院土建系，四川 南充 637131）

膨胀土是在工程上一种特殊地质的土体，往往会给工程项目带来一定的风险和挑战。膨胀土中亲水性矿物的存在，使其具在吸水时体积增长和失水时体积减小两种特性。膨胀土的胀缩变形量大小受膨胀土中诸如蒙脱土、黏粒含量等亲水性的大小和离子交换量的控制，这也是膨胀土发生胀缩变形的根本原因。鉴于其胀缩特性，给工程设计、施工、运营等产生严峻挑战，了解膨胀土的工程特性、成因、分布，掌握膨胀土地区保障隧道稳定的施工控制措施，解决膨胀土围岩带来的工程问题，是膨胀土围岩隧道研究的重要议题。

一、膨胀土围岩的工程特性

常见的膨胀性围岩一般有长石、泥岩、云母、页岩、蛇纹岩、无水芒硝等岩石以及主要亲水性矿物组成的粘土等。在膨胀土地区的修建隧道，常常会遇到隧道开挖后围岩因应力松弛而产生变形或因围岩受水侵蚀发生膨胀挤压变而出现围岩形塌等现象。随着时间推移，隧道拱顶和侧墙向内部变形加剧，隧道底部土体向上鼓起，使得围岩断面面积不断减小，影响隧道设计断面净空面积。膨胀土围岩具有复杂的工程性质，具体表现在以下五方面。

（一）胀缩特性

围岩就是岩土体，膨胀土围岩的矿物组成和含量多少、围岩结构密实程度及强度大小、围岩结构组成类型等是其胀缩变形的物质基础也是内因。而水是诱导膨胀土围岩出现膨胀和收缩变形的根本所在。膨胀土在吸水时发生明显膨胀现象，失水时干缩开裂，不论是膨胀还是收缩，土体的强度都会出现明显下降，都将破坏围岩的稳定性。除此之外，影响膨胀土胀缩开展程度因素还有膨胀土的初始含水量、初始应力、亲水矿物含量、土体密度等。

（二）裂隙发育

结构裂隙发育是膨胀土围岩常见的特征表现。在原始状态下，膨胀土具有高强度特性，边界支撑平衡状态会随着隧道开挖逐渐被打破。不及时进行衬砌施工，减少围岩暴露时间，从而会使得膨胀土围岩风干收缩开裂，使围岩强度急剧衰减。膨胀土中裂隙的大量存在，破坏了围岩的连续性和整体结构，影响围岩的稳定，使得膨胀土围岩的工程性质变得复杂而且对隧道安全建设产生不良影响。

（三）超固结特性

膨胀土围岩在先期固结压力作用下处于相对密实的超固结状态，围岩中集聚了较高的原岩应力。随着坑道的施工，围岩压力释放，打破了围岩的原始应力平衡状态，出现应力重新分布，为获得新的应力平衡，围岩会以变形压密的方式或者坍塌的方式获得新的平衡，加之施工期间膨胀土围岩中水的变化，也影响着围岩强度和变形的开展。

（四）遇水崩解性

膨胀土中亲水矿物吸水后体积膨胀，产生膨胀压力，以致围岩发生剥蚀崩解现象。膨胀土的膨胀潜势类型不同其崩解程度是不一样的，无侧限条件下，膨胀潜势强的膨胀土崩解速度很快且比较完全，一般几分钟就崩解完成。膨胀潜势弱的膨胀土浸水后崩解速度慢且崩解的并不完全。膨胀土的初始含水量也影响其崩解特性，对干燥土而言浸水崩解速度较快且崩解比较彻底，崩解的速度相对缓慢且崩解的并不完全是较湿润土地的特点。崩解特性是直接影响隧道施工中人员机械的安全，开挖隧道后应及时施做衬砌封闭围岩，可有效避免岩块掉落危及施工安全。

（五）强度衰减性

一般来说未开挖的膨胀土围岩的强度较高，隧道开挖后土体遇水软化或干缩开裂后强度降低。天然膨胀性岩土的超固结性使得其峰值强度高，由于蒙脱土、伊利石等亲水性粘土矿物的存在，土体吸水膨胀软化，强度急剧衰减。减少的速度与幅度，与膨胀土中的矿物组成、土的结构和含水程度等有关。原始状态下，膨胀土具有较高的抗剪强度，当其吸水后，体积急剧增加，密实程度下降，土体粘聚力和内摩擦角降低，其中粘聚力的减少是其强度衰减主要来源，内摩擦角的变化较小，对强度的影响也小。根据库仑定律可知，抗剪强度参数减小，其抗剪强度也会降低。胀缩变形会随围岩含水量增减变化往复发生，以致强度衰减持续发展。

二、膨胀土围岩隧道施工技术要点

在膨胀土地区修建隧道，应坚持“扰动少、衬砌快、量测勤、封闭紧、治水严，防治结合、综合治理”原则，保障隧道施工的安全和稳定，具体可以采用以下施工控制措施。

（一）加强膨胀土开挖前的围岩稳定措施

隧道工程施工前应详细开展工程地质调查，查阅文献资料，开展实地调查掌握膨胀土分布范围、体量、地下水分布情况，对膨胀土不良地质情况做全面了解和分析，选择合理的的施工方法。监控量测是现代隧道工程及地下工程施工质量和安全的重要技术手段，是直观、可靠的评价围岩稳定状态的的技术方法，是掌握围岩动态过程的必要手段，是进行工程设计、施工、验收的重要依据。施工过程中密切关注和观测对围岩压力及其流变情况，适时调整施工进度，改变施工方法和衬砌支护措施，对保证围岩稳定、工程质量和施工安全有重要的作用。膨胀土围岩可能在隧道开挖前就积累了较多裂隙，随着隧道的开挖，应力解除，强度降低，极容易发生错台、坍塌的危险，可通过超前工程地质勘探技术，掌握膨胀土的分布和体量，采用超前锚杆、超前注浆、超前管棚等超前支护措施，填充裂隙，固化土体，降低膨胀特性，增强膨胀土围岩抗剪承载力，确保施工安全。

（二）合理选择施工方法

不合理的膨胀土地区隧道施工方法，会直接影响隧道的稳定和安全，出现坍塌、地面沉陷等工程病害。合理的施工方法对保障膨胀土围岩隧道的稳定性有着极其重要的作用。膨胀土围岩隧道应减少对围岩扰动，其开挖可采用扰动较小的人工掘进或小型钻机。不宜采用大扰动的矿山施工方法。开挖过程中，采取必要措施如及时进行衬砌施工，封闭围岩减少暴露时间，恢复洞壁约束。开挖方法宜采用台阶开挖法、侧壁导坑法、CRD 工法。对于跨度小的隧道可以采用正台阶法，该施工方法分部较少，各分部之间的相互干扰较小，且可以保障早封闭围岩的要求。对于跨径较大的隧道可采用侧壁导坑法或CRD 工法，通过开挖导坑，探索前方地质情况，适时调整施工方法和进度，可以有效减少围岩变形。

（三）膨胀土开挖过程中的水处理措施

水是膨胀土围岩要发生胀缩变形就必须要有水的变化，因此围岩中水的变化直接影响围岩强度和体积变化，决定膨胀土围岩隧道病害开展程度。膨胀土地区开挖隧道控制围岩含水量变化，总的来说就是要做好“严于治水，疏堵结合”施工，隧道开挖后，暴露的围岩不论是失水还是吸水，围岩变形都会加剧，影响围岩稳定和安全。隧道在未施工底部支护前，如若坑底频繁积水，土体软化，吸水膨胀，产生底鼓力，出现底部隆起。如不及时处理，就会产生边墙受剪力发生剪切破坏、墙脚向内移动、拱圈破损甚至导致整个支护体系破坏。所以及时喷射混凝土，封闭暴露围岩，防止地表水、地下水、施工用水等侵入围岩就显得尤为重要。渗流地段的隧道可采取注浆堵水措施防止地下水浸湿膨胀土围岩，隧道内设置地下渗沟、排水沟等排水措施排除围岩周围地下水。同时做好地表水疏排工作，可以在膨胀土围岩地表周围设置截水沟拦截、排水沟排除地表水，减少地表水下渗到隧道膨胀土围岩中。

（四）膨胀土开挖后及时施作衬砌封闭围岩

在膨胀土地区修建隧道，宜采用带仰拱的圆形断面或接近圆形的马蹄形断面，并宜采用复合式衬砌支护措施。一是要“早支护、柔支护、及时成环封闭围岩”，就是要尽快施工初期支护，采用喷锚支护等柔性支护结构来封闭围岩，提供一定的支护抗力，允许围岩有一定的塑性变形，又不至于发生松散掉落。“及时成环封闭围岩”就是施作整个隧道断面的衬砌，封闭围岩，使围岩在一次衬砌控制条件下产生围岩变形，以充分发挥围岩的自稳能力。二是分层支护，刚度逐渐加大，在围岩发生一定变形后控制变形增长。三是选择合理的二次衬砌施作时间，过早则不利于充分发挥围岩自稳能力；过晚则不利于变形控制，变形过大、隧道净空得不到保证，不满足设计断面要求。

结束语：综上所述，鉴于膨胀土具备的超固结特性、裂隙发育、胀缩特性、遇水崩解特性、强度衰减特性等工程性质给膨胀土围岩隧道带来的风险和挑战，施工单位采取必要工程措施，做好膨胀土地区隧道稳定性控制，是预防围岩开裂、衬砌变形、坑道塌陷、地面沉陷、洞底鼓起等隧道病害的根本保障，是确保工程施工安全和整体质量的重要手段。