膨胀性泥岩隧道工程应对措施分析

田 松

(1.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津市 300300;2. 中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司 成都市 610500)

0 引言

膨胀性泥岩地质具有吸水膨胀和泥化等特点,隧道施工遇到膨胀性泥岩地层时,隧道的早期支护变形大,位移变化大,若不采取有效的措施,将会造成隧道断面减小,支护结构的混凝土开裂或损坏,从而增加施工难度。近年来,由于对膨胀岩土的认识不足,导致了一系列的工程事故和地质灾害。所以,对膨胀性泥岩隧道的强度和稳定性的研究,对于隧道工程施工是十分必要的。在铁路工程方面,南昆铁路由于膨胀岩的广泛分布多次使得路基和边坡发生变形坍塌[1]。文章回顾了近年来有关膨胀性泥岩地质隧道的研究进展,对膨胀岩和泥岩的概念、类型进行了详细介绍,对国内外关于膨胀岩的判别指标进行了统计分析,对有关膨胀性泥岩实验特性进行了详细阐述,对膨胀性泥岩隧道的研究进行了一定的说明。对这类问题研究将为膨胀性泥岩地区铁路、公路隧道的建设提供宝贵经验和建议。

1 膨胀岩的定义

膨胀岩在非饱和土类中是最具代表性的一类土之一[2],似岩非岩、似土非土,而且与水的关系极其密切,膨胀岩的亲水性主要表现在强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石与水作用发生物理化学反应,随着时间的推移,岩石含水率逐渐增加,体积也逐渐增大[3],而根据其物理力学性能,它是一种软化、风化的软岩,故称为膨胀岩[4]。

2 膨胀性泥岩的综合判别

2.1 膨胀岩的判别

表1 国外膨胀岩判断指标汇总

表2 国内设计院膨胀岩判断指标汇总

表3 国内其他膨胀岩判断指标汇总

2.2 膨胀性泥岩强度分级

虽然泥质岩强度具有易变特性,但其在外力作用下抵抗永久变形和破碎的能力在工程应用中仍然是一项重要的指标,为此在对泥质岩的强度分布、强度大小与工程稳定性的关系的研究基础上,以强度指标把泥质岩分为了4级,如表4所示。

表4 泥质岩的分级

综上所述,只是因为不同学者对膨胀性泥岩的膨胀特性判别所依据指标有着不同的考虑,所以使得不同学者采用指标的个数有所差异。

3 膨胀性泥岩的膨胀力和工程应用研究现状

3.1 膨胀性泥岩膨胀力研究现状

《岩土工程基本术语标准》将膨胀力定义为在不允许产生横向变形的情况下,使其充分吸收水分,同时又能使其不产生垂直扩张,所需要的最大压力,也就是最大膨胀力。不同学者也对膨胀性泥岩的膨胀力进行了相关研究,王清洲等[5]以粒径小于5 mm的膨胀性泥岩为研究对象,分别制备了多种不同直径、不同干密度的试件,采用正交法分析了膨胀性泥岩的轴向与环向膨胀力影响的敏感性,并指出膨胀力随粘土岩粒径的增大而降低,同时随干密度的增大而增大。尚彦军等[6]对大阪引水隧洞穿越中侏罗统的泥质岩粘土矿物组份、微观结构进行了系统的研究分析,依据该地质条件下的膨胀力等实验研究得出了最大膨胀力出现在重塑样烘干后,而重塑样风干后的膨胀力一般会变小。

综上所述,在对膨胀性泥岩(土)特性的研究中,干湿循环的次数、气候、水环境、初始含水率、干密度、岩土体结构、裂隙结构面等密切相关,但由于各膨胀岩的分布区域和类型差异较大,使得各因子对膨胀性的影响具有一定的定量关系。

3.2 膨胀性泥岩隧道围岩稳定性研究现状

在隧道工程中,围岩的稳定性与支护结构的安全性有很大的关系,目前国内外对其进行了大量的室内外试验、数值模拟和监测量测等研究。尤其是在膨胀性泥岩中,由于开挖引起的围岩应力重新分配,且在开挖初期容易产生裂缝而发生变形,长时期围岩将会大量挤压到隧道内,使底板出现大量隆起,从而给隧道早期的支护和衬砌带来严重的损害,严重情况下会发生坍塌冒顶等造成事故,会使得隧道围岩不稳定以及支护变形的现象显著。

杨建国等[7]通过对在建平凉至定西的静宁红层泥岩公路隧道变形规律的研究得出,该地质条件下围岩变形表现为缓慢-基本稳定的变化规律。张秀良[8]以胡家湾隧道为依托工程,对控制泥岩地层变形的隧道施工技术进行了详细研究,结果表明,采取分段开挖和临时仰拱成环的施工方法,对隧道的围岩变形有显著的抑制作用。朱文俊[9]通过对洞内外长期的位移监测,总结出页岩泥岩隧道施工位移变化规律,解决了施工中的技术难点问题。马晓文等[10]对西北地区某泥岩隧道利用有限元软件研究了仰拱底部的围岩软化现象,结果表明,塑性区内部发生软化后,仰拱底部将产生明显的隆起。

3.3 膨胀性泥岩隧道施工方法研究现状

膨胀岩性泥岩隧道施工一般采用全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、预留核心土法、新奥法等。刘雪冬[11]对处于炭质泥岩地层的兴源隧道施工进行了研究,并提出了控制围岩变形以及提高工程施工进度的方法,该方法不仅解决了该隧道的高难度施工难题,而且给该类的工程问题积累了宝贵的经验。大量的工程实践证明,膨胀岩洞必须遵循先柔后刚、先让后顶、分层支护的原则,并着重于开挖断面形状、预留变形量尺寸、初衬的相关支护参数、仰拱的设计和施工。其中表5给出了国内部分膨胀岩隧道施工方法及支护参数。

表5 国内膨胀岩相关隧道施工方法及支护

3.4 膨胀性泥岩隧道施工要点

针对膨胀性泥岩引起围岩变形大、变形发展速度快,且受周围水文地质条件影响大等特点,建议采取“短开挖,弱爆破,强支护,快速封闭”的施工原则,因此,综合国内许多学者的相关研究得出了以下几点施工中需要注意的要点:

(1)针对常出现的围岩和支护变形超限、持续发展的情形,提出了在拱基以下一定距离内采用锚固或钢管注浆的方法。

(2)对膨胀岩隧道建议采取超前地质预报、超前支护、对初支设钢拱架、喷射混凝土和打锚杆、对于膨胀地段的隧道,在这种情况下,二次衬砌的厚度要大于常规围岩段,并具有较高的加筋率。

(3)初期支护采用柔性支护,预留适量变形量,并且支护结构要达到约束泥岩隧道围岩及支护的膨胀变形,同时又可以降低膨胀压力对支护结构的影响。

综上所述,膨胀性泥岩地层中修建隧道与地下工程,有必要采用室内外试验、理论分析、数值模拟分析和现场监测分析等多种方法,对其工程特点和施工要点进行细致的探讨与分析。

4 结论

(1)膨胀性泥岩相关理论研究已经取得了一定的成果,但今后必须特别重视以下两个方面:模型的计算与分析要结合研究对象的特征和工作环境,把握主要要素,忽视次要要素,力求简洁;避免为创新而吹毛求疵、为创新而人为复杂化的倾向,从而更好地把有关膨胀性泥岩的研究结果应用于实际工程。

(2)膨胀性泥岩相关判别与分级也已经取得了一定的成效,但今后必须特别重视:针对实际工程选用合适的判别指标,尽可能形成实用型的规范,便于今后类似工程选用,特别是在膨胀性泥岩的相关研究方面,经过多年的发展也取得了显著的成果,由于其是膨胀岩的一个分支,今后可以参照膨胀岩的总体经验,应该做更多的研究工作。

(3)膨胀性泥岩地质及施工条件修建隧道,建议把理论分析、现场试验及室内试验、数值模型分析结合起来。

(4)膨胀性泥岩隧道项目相对较少,借鉴其他类型膨胀岩的施工技术和经验,可为膨胀性泥岩隧道的建设提供宝贵经验。