膨脹性圍巖對(duì)隧道施工的影響

費(fèi)豪

【摘要】文章分析了膨脹土的特性，膨脹性發(fā)生于不同階段對(duì)隧道設(shè)計(jì)施工產(chǎn)生的不同影響，并作出了比較。

【關(guān)鍵詞】膨脹性圍巖；影響；對(duì)比

我國是膨脹土分布十分廣泛的國家，如廣西、河北、河南、四川、湖北、云南、陜西、安徽、江蘇等地均有不同程度的分布。在具有膨脹性的土層中進(jìn)行隧道開挖，就必須要十分小心膨脹土的吸水情況，做好防范措施，以免發(fā)生巨大工程事故。而膨脹土對(duì)隧道的影響大致可分為兩類，一是在隧道施工前，膨脹土已發(fā)揮其膨脹性并對(duì)施工產(chǎn)生影響；二是隧道施工完畢后，膨脹土才吸水膨脹對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。本文主要從這兩方面入手，探討膨脹土對(duì)隧道施工的影響。

1、膨脹土的主要特性

膨脹土是指土中黏土礦物成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性，且具有濕脹干縮往復(fù)變形的高塑性黏性土。其膨脹性源自于其內(nèi)的親水性礦物，多含有鈣質(zhì)或鐵錳質(zhì)結(jié)構(gòu)，一般呈棕、褐、黃及灰白色，尤以蒙脫石與伊利石為主。

膨脹土質(zhì)軟，抗壓強(qiáng)度底，空隙率較大，遇水后表面水膜增厚，顆粒間距增大，造成土體膨脹，若遇阻力將產(chǎn)生較大的膨脹壓力，失水后又很快崩解成碎塊。

2、膨脹土對(duì)隧道施工的影響

（1）膨脹性發(fā)生于隧道施工前

由于周圍巖體的約束作用，膨脹土吸水后其變形收到限制，那么就會(huì)產(chǎn)生較大膨脹壓力。一旦進(jìn)行隧道開挖，圍巖的受力狀態(tài)便會(huì)產(chǎn)生變化，由原來的三向受力狀態(tài)變?yōu)槎蚴芰顟B(tài)，圍巖應(yīng)力重分布，一部分受約束的膨脹變形得以繼續(xù)進(jìn)行，這就會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果，一是圍巖變的極不穩(wěn)定，稍加開挖便導(dǎo)致洞室坍塌，二是圍巖在變形的過程中處于動(dòng)態(tài)的自平衡，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由前已知，膨脹土質(zhì)軟，抗壓強(qiáng)度底，吸水后其強(qiáng)度與剛度更是大打折扣，對(duì)施工將帶來更大的困難。由于坑道下部膨脹巖體的承載力較低，加之坑道上部圍巖壓力過大，這就易造成坑道產(chǎn)生過大的下沉。并且若在施工過程中土體產(chǎn)生膨脹，此時(shí)洞底圍巖的上部壓力已經(jīng)解除，當(dāng)無仰拱支護(hù)約束時(shí)，極易造成洞底圍巖的隆起變形，嚴(yán)重時(shí)，甚至能引起洞室坍塌，對(duì)施工人員的人身安全造成威脅。

另外膨脹土還有個(gè)特性，失水后易崩解成碎塊。在開挖隧道結(jié)束到支護(hù)的完成需要一個(gè)過程，這時(shí)，表層的裸露巖體易風(fēng)干脫水，產(chǎn)生收縮裂縫，這也可以引起土中原生裂縫的張開擴(kuò)大，不僅使圍巖變形增大，穩(wěn)定性降低，也促進(jìn)了水在圍巖內(nèi)的流通，加大了土體的膨脹，形成一個(gè)惡性循環(huán)，對(duì)整個(gè)工程產(chǎn)生危害。

目前膨脹性圍巖的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有兩類，一是減輕作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載而容許發(fā)生一定位移的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法，二是為了控制松弛而盡可能早地控制位移的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法。當(dāng)膨脹性發(fā)生于隧道施工前時(shí)，膨脹土在周圍巖土體的約束下已經(jīng)產(chǎn)生了一部分的變形，當(dāng)開挖后，由于圍巖的動(dòng)態(tài)自平衡又釋放了一部分變形，致使圍巖在已有的自平衡下短期內(nèi)不會(huì)再產(chǎn)生過大的變形，而由于膨脹土的吸水，致使其強(qiáng)度應(yīng)力比變的極低，流變性顯著，已有的自平衡就變的很不穩(wěn)定，通常提前施作大剛度襯砌來控制隧道變形，但時(shí)機(jī)非常重要，應(yīng)考慮將圍巖壓力大部分釋放，襯砌圍巖壓力分擔(dān)比例降低到總壓力的70%以下，并且在考慮圍巖蠕變、結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性前提下，對(duì)理論及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)進(jìn)行綜合分析以確定。

綜上所述，膨脹性發(fā)生于施工前時(shí)，對(duì)施工和設(shè)計(jì)均帶來了很大的困難。

（2）膨脹性發(fā)生于隧道施工后

隧道施工完成后，由于地下水位的改變或地表水的浸濕等原因，導(dǎo)致膨脹性圍巖吸水膨脹，這種膨脹受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束，反過來給支護(hù)結(jié)構(gòu)一個(gè)較大的膨脹壓力。在這種膨脹性來臨之前，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用與普通圍巖一樣，膨脹壓力的產(chǎn)生，增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，降低了結(jié)構(gòu)安全性，水的存在，也能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕作用，降低耐久性。

那么此類設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于控制圍巖的濕度變化，在有地下水滲流時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道整體的防、排水措施，有條件時(shí)盡量截?cái)嗨椿蛞魇蛊淅@過隧道，在雨量較大的地區(qū)，為防止地表水的過度浸濕，應(yīng)在地表開挖排水溝，及時(shí)將其引走。

另外，考慮到膨脹土的變形，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取含柔性變形層的支護(hù)結(jié)構(gòu)，一旦膨脹性來臨，允許其發(fā)生一部分變形，這樣可以降低圍巖作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，增加安全性。

綜上所述，膨脹性發(fā)生于施工后時(shí)，對(duì)隧道的整體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響，但設(shè)計(jì)時(shí)可以采取相應(yīng)的防范措施避免之，在較干燥的環(huán)境下施工也更為方便。

3、結(jié)束語

從以上的分析中可看出，膨脹性發(fā)生于施工前，對(duì)設(shè)計(jì)、施工均帶來更大的困難，對(duì)人力財(cái)力的耗費(fèi)都要大的多。

由于膨脹土的種種特性，在進(jìn)行膨脹性圍巖隧道施工時(shí)，應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)水文情況作準(zhǔn)確的調(diào)查，并根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段，結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

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