膨胀岩隧道施工技术

1、膨胀岩隧道施工技术 1 前言 1.1 膨胀 机理 膨胀岩问题是当今工 程地质学和岩石力学领域中较复杂的世界 性研究课题之一。膨胀 岩 的膨胀取决于两方 面因素，一是内因：主要包括岩石成分（ 矿物成分、化学成分和粒度） 、 天然含水量和湿度 状况、胶结程度等三种，这些决定了膨胀 岩膨胀能力和膨胀潜势的大 小； 二是外因：工程 活动造成膨胀岩的水分得失和内应力、强 度变化等，它决定了膨胀岩 的实际 膨胀程度。很 明显，工程活动过程中，膨胀岩产生膨胀 的外部条件都不可避免地得 到了不同 程度的满足 。 岩土膨胀的实质是由 所含粘土矿物的亲水性造成的。研究表明 ：蒙脱石具有巨大的膨 胀能力；其次是伊利

2、 石；而高岭石的膨胀能力最弱，几乎不具膨胀性。另外，软岩的膨胀 还与这些粘土矿物的 含量有直接而密切的关系。以往研究成果表明：当蒙脱石含量达 7%以 上或伊利石含量达 20%以 上时，软岩即具有明显的胀缩特性，且其含量愈高，胀缩率愈大。 天然状态泥质膨胀性 软岩的含水情况是决定其膨胀潜势的重要 因素之一。对膨胀性软 岩而言，其天然含水 量愈大，膨胀势愈头小；而天然含水量愈 小，则膨胀势头愈大。 泥质岩胶结情况是决 定其膨胀潜势大小和膨胀性发挥程度的关 键因素之一。胶结性越 差的岩石其膨胀性越 强。 国内膨胀岩岩性主要 有：灰白、灰绿、灰黄、灰红和灰色的泥 岩、泥质粉砂岩、页岩、 风化的泥灰岩、

3、风化 的基性岩浆岩、蒙脱石化的凝灰岩以及含 硬石膏、芒硝的岩石等，岩 石 由细颗粒组成，遇 水时有滑腻感。 1.2 膨胀 岩的特性 超固结性 未经卸荷作用而处于 原始状态的膨胀岩是稳定的，同时在水的 作用下，膨胀岩大多具 有原始地层的超固结 有受到扰动并处于三 破坏了原有平衡，引 地产生水与膨胀岩的 现象进一步加剧，使 胀性岩层在开挖前，岩体没 开挖对膨胀岩体产生扰动， 胀。同时，施工中不可避免 得内部应力变化、强度降低 将产生较大塑性变形。 特性，在岩体中储存较高的初始应力。膨 向受力状态，保持着空间平衡。由于隧道 起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨 接触，引起了膨胀岩化学状态的改变，使

4、围岩产生变形破坏。因此，膨胀岩开挖后 干缩湿胀性 膨胀岩裂隙发育，裂 隙多充填灰白、灰绿色等富含蒙脱石的物 质。这些亲水性粘土矿 物，因吸水而膨胀， 失水而收缩。干湿循环产生的胀缩效应：一是使岩体结构破坏，强度 衰减或丧失，围岩压 力增大；二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或是收缩压力，都将 破坏围岩的稳定性， 并对支护结构产生较大的荷载。 1.3 膨胀岩的判别 和分级 1.3.1 膨胀岩 的判别 膨胀岩的判别目前还 没有统一的标准，国内外大多采用反映膨 胀性能的指标来进行判 别。铁路工程通过膨 胀岩的野外地质特征及室内判定指标（自 由膨胀率、膨胀力和饱和吸 水率）进行判定。 膨胀岩判定指标见

5、表 1- 1。 表1 1膨胀岩试验判定指标 试验项目 判定指标 自由膨胀率（） 不易崩解的岩石 3 易崩解的岩石 30 膨胀力（kPa） 100 饱和吸水率（） 10 注： 对于不易崩解的岩石，取 轴向或径向自由膨 胀率中较大值进行判定。 对于易崩解的岩石将其粉碎， 过0.5mm的筛去除粗颗粒后，比照土的自由膨 胀率试验方法进 行试验。 当有2项符合表中所列指 标时，在室内可判定为膨胀岩。 1.3.2膨胀软岩的分级 在判定为膨胀性软岩 的基础上，有必要进行膨胀潜势分级，以便对不同级别的膨胀性 软岩，采用相应的工 程设计、施工及防护措施，保证工程的安全性和稳定性。 膨胀软岩分级标准可 以参考表1

6、 2判别。 表1 2膨胀性软岩分级标准 名 称 极限膨胀率（） 膨胀力（kPa） 饱和吸水率（） 自由膨胀率（） 非膨胀性软岩 V 3 V 100 V 10 V 30 弱膨胀性软岩 315 100300 10 30 30 50 中膨胀性软岩 15 30 300500 30 50 50 70 强膨胀性软岩 30 500 50 70 2膨胀岩隧道施工的原则 根据膨胀岩的机理和 作用特性，施工时以排水和控制围岩变形为重点，严格遵循“方 案合理，措施有力； 刚柔并举，宁强勿弱”的原则。 方案合理，措施得力：在明确隧道掌子面前方岩体膨胀性指标的基础上，制定合理 的施工方案，在合理 方案的前提下，细化各施

7、工步骤的技术措施，有效的控制围岩变形。 刚柔并举，宁强勿弱：在隧道开挖后，根据膨胀岩实际情况，选择合适的支护方式， 要一定程度上允许地应力适当释放，同时又必须遏制其过度释放而导致过大的围岩变形。因 此，在支护方式上，一般采用先柔后刚、先让后顶、分层支护的方法。就支护强度而言，需 要有足够的安全系数，避免在已支护洞段在极大的膨胀压力作用下造成支护的破坏。 快速支护，及时封闭成环是有效地控制膨胀岩变形的关键。针对膨胀岩初期变形大、 发展速度快，稳定性 受地下水影响大等特点，施工的关键在于各施工工序的连续性及紧凑性, 特别是仰拱施工 尽可能提前，以降低水对隧道底板的作用，同时支护形成环状受力。3 膨

8、 胀岩隧道施工要点 3.1 洞口 处理 膨胀岩隧道洞口浅埋 段易出现地表开裂现象，在降水的影响下 极易对隧道造成破坏， 主要采取以下处理措 施。 首先施作洞口完善 天沟，截流山体坡面水。有大的流水要尽 可能远引排流。 夯填洞口附近隧道顶的大坑槽和洼地， 避免积水下渗。 洞口边仰坡采取喷砼及时封闭。 3.2 开挖方式的选 择 膨胀岩隧道的开挖以 最大限度地减轻对围岩的扰动为原则，根 据围岩情况，一般选用 机械开挖或钻爆法开 挖，开挖遵循少分部、短进尺、多循环的 原则。 根据围岩状况和隧道 设计断面大小，采用全断面法开挖或分部 开挖。 3.3 初期 支护要点 采用锚喷支护能有效 的控制围岩变形及应

9、力释放，防止较大的 膨胀压力作用在二次衬 砌刚性支护上，产生 巨大的破坏作用。 膨胀岩隧道的初期支 护主要由喷射砼、锚杆或锚索、钢筋网、 钢架等组成。 喷射砼 喷射混凝土分层施工 ，以达到控制围岩变形及应力释放的目的 。一般来说，喷射砼 分 2 次以上实施。 开挖后及时喷射砼封 闭开挖面，及时约束围岩变形，降低水对 膨胀围岩的作用。 膨胀岩喷射砼一般采用添加纤维的混凝 土，并设置钢筋网及钢架。 锚杆（管） 对膨胀岩体的锚固， 原则上采用“边支边让”的原则，支是指 借助一定的锚固力， 约束围岩的自由膨胀 变形，让是指由锚固约束的变形控制在一 定范围以内，起到卸压的作 用。必要时对掌子面 进行锚固

10、。锚杆（管）长度根据松弛圈确 定。 锚杆的安设在喷射砼 封闭开挖面后及时进行。 根据膨胀岩的实际情 况，通常采用锚固方式有：普通锚杆，预 应力锚杆，可拉伸锚 杆，预应力锚索等。 结构可拉伸锚杆通过杆体结构的设计，使其在工作状态时，能提供一 定的伸长变形，达到 控制变形的目的，结构拉伸式锚杆能适应较大的变形岩体的支护；结 构可拉伸式锚杆主要 有机械结构滑动式、杆体套筒式、孔口结 构式、挤压式等。 3.4 施工 排水 由于膨胀岩具有吸水 膨胀、失水收缩的特性，所以在施工中加 强现场排水尤为重要。 对开挖后暴露围岩， 采取早封闭，各道工序紧密衔接，连续施 工的方法，尽量减小洞内水 对膨胀岩的影响。

11、膨胀性围岩隧道施工 中对水的处理，基本原则是：严格管理洞 内施工用水，及时引 排洞内渗水积水，坚 决抵制洞外积水下渗。 膨胀岩地段的防排水 ，应以防为主，防、堵、截、排相结合的 原则，并结合当地的 气象、水文、地质， 因地制宜进行。 及时施作锚喷支护， 封闭暴露围岩。防止施工用水和水汽浸入 岩体。隧道浅埋段的 地表低洼处必须填平 ，小河沟（槽）采用浆砌封闭，防止地表 水下渗。 在有水地段，如断层 破碎带，节理发育、地下水丰富地段，应 采取全断预注浆封堵。 拱脚、墙脚不积水， 沟排水，避免水漫流 。 及时施作仰拱，围岩暴露地段采用设置管 道、木槽或浆砌排水 洞内渗漏水点，及时 施作盲沟或采用弹性

12、软式水管，将水引入 排水沟，排出洞外。 3.5 二次 衬砌 二次衬砌最佳施作时 间根据围岩的收敛速度和总变形量的大小 来决定。在初期支护变 形基本稳定后进行。 各测试项目的位移速 率明显收敛，围岩基本稳定。 已产生的各项位移已达到预计总位移量的 80%厂90% 周边位移速率小于 0.10.2mm/d，或拱顶下沉 速率小于0.070.15mm/d。 当围岩变形过大、长 时间都不能收敛时，要提前施作二次衬砌 ，并对二次衬砌采取 加强措施。 3.6 施工 监测 膨胀岩土本身的遇水 膨胀，失水收缩的特性对膨胀性岩土隧道 施工极为不利，具体表 现在收敛急剧扩展、 拱顶下沉加大，甚至坍塌等，所以对膨胀 岩

13、隧道的监测预警显得尤为 重要。 监控量测的结果综合 反映了围岩动态，加强施工监测，才能对 围岩和支护情况作出正 确评价。 施工监测主要项目是 指：隧道内周边位移（主点为洞腰收敛位 移、拱顶下沉、底鼓位 移）、浅埋段地表位 移，以及洞内地质与水文的观测与设计对 比。 3.7 膨胀岩隧道施工特殊情 况处理措施 3.7.1 大变形 处理措施 在膨胀压力引起大变 形情况下，喷射砼层会出现剥落、掉块和 破坏，或钢架扭曲、锚 杆拉断等现象。为适 应大变形的要求，初期支护可采取下列措 施： 预留纵向变形缝的喷 射砼支护，变形缝 1030cm； 采取可缩式钢架，每 榀钢可设25个可缩接头，每个接头可缩 102

14、0cm左右； 同时加密、加长高强度锚杆，以抗御膨 胀压力。 3.7.2 底鼓的 处理措施 隧道未作底部支护时 ，隧道底便成为围岩应力释放的集中部位 。另外，由于底部的积 水，使围岩浸泡软化 ，吸水膨胀，从而产生底鼓现象，如不及 时加以控制，便会产生墙脚 内移、边墙剪断、拱 圈破损、坍塌而导致整个支护衬砌破坏。 底鼓的防治措施如下 ： 施工期间及时施作仰拱。膨胀性围岩隧 道在施工期间及时施作仰拱，使支护 尽早形 成闭合结构，同时防 止水流浸泡基底。 采用长锚杆加固底部 围岩。底鼓现象严重的层状岩层，采用长 锚杆加固底部围岩， 可提高节理裂隙面上 的抗剪强度和岩体的整体刚度。在松散破 碎围岩可采用

15、注浆加固，以 增加岩体的强度和整 体性。 作好隧底的防排水工 作。不让水浸泡底部围岩。 4 保证质量 和安全的 措施 支撑下沉、断面挤入、 根据国内外的施工经 验，针对膨胀岩隧道施工中开挖面失稳、 衬砌开裂等破坏现象 ，采取以下措施。 稳定开挖面的措施 在开挖面喷混凝土并 设置锚杆，为方便开挖，可在掌子面打设 玻璃纤维锚杆，以稳定 开挖面。 加强基脚的措施 向底部地层注浆加固 ；向两侧打底部锚杆，支撑加底板及横向 肋；或设临时仰拱。 防止边墙挤入、底部上鼓的措施 在两侧边墙增打加长 锚杆，锚杆长度要超过围岩塑性区范围； 设底部横撑、打底部锚 时施工；设纵向伸缩缝，采 杆；修筑仰拱；缩短 台阶长

16、度，及早闭合；下半断面、仰拱同 用可缩性支撑。 防止开裂的措施 采用钢纤维喷混凝土 ；设加强钢筋；设纵向伸缩缝。 临时卡口梁 当围岩或支护收敛变 形较大或开挖软弱地段下部时，在起拱线 或地面以下 50 cm 处增 设型钢卡口梁，局部 地段在地面以下施作钢筋混凝土卡口梁。 套拱 施作套拱也是限制围 岩变形的措施之一。当围岩或支护收敛变 形较大或增长加快时， 沿初期支护内缘套设 型钢钢架，并在拱墙脚打锁脚锚杆，与其 焊接在一起。 加强衬砌 在开挖时发生坍塌或 围岩支护变形很大，长期不能趋于稳定情 况下，征得设计同意， 采取加强衬砌措施以 确保隧道结构安全。 膨胀岩隧道施工中的 不利现象的处理措施见

17、表 4-1 。 5 工程实例 5.1 隧道 概况 乌鞘岭特长隧道全长 20050m ，设计为两座单线铁路隧道，线间距40m,线路坡度为 11%。的下坡。隧道通 过地层岩性复杂，沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类共存，且以沉积 岩为主，在隧道 1号斜井工区右线 YDK163+600- YDK164+700的1.1km 范围内为第三 系上 新统膨胀性泥岩夹砂 砾岩地层,岩层软弱,成岩作用差,遇水 易软化和风化,风化物成土 状，其蒙脱石含量 17.53 %22.54 %，自由膨胀 率42.98 %，遇水崩解，具膨胀性 ，属极 软膨胀岩。 5.2 施工 情况 施工方案：小导管注 浆超前支护，长台阶施工，上

18、部钻爆法开挖，下部人工开挖马口， 中间机械开挖，钢拱 锚喷支护，仰拱快速封闭成环，适时衬砌，无轨运输。 施工顺序为：拱部小 导管注浆超前支护T上半断面开挖支护T左、右错开下挖马口、 施作下部支护T下部开挖T跳槽施作仰拱与填充T拱墙衬砌。 特殊情况处理： 锁脚锚杆 在拱、墙脚以上0.5、1.0、1.5 m处，设锁脚锚杆，锚杆采用R32N自进式锚杆（L = 48 m）或42钢花管（L=4.0m）注浆，控制围岩收敛变形，阻止下沉。 临时卡口梁 当围岩或支护收敛变 形较大或开挖软弱地段下部时，在起拱线或地面以下50cm处增设 116型钢卡口梁，局部地段在地面以下施作钢筋混凝土卡口梁。 表4-1膨胀岩隧

19、道施工中的不利现象与处理措施表 工程名称 施工中的现象 措施一 措施二 开挖面 及其附 近围岩 开挖正面不稳 疋 1 缩短一次掘进长度 2 开挖时保留核心 3 对开挖正面进行喷混凝土 4 超前插板或管棚 1 减小导坑尺寸 2.加固开挖面（如开挖面加锚杆） 3进行地层改良 围岩承载力不 足下沉增大 1 开挖尽可能减少对围岩的扰动 2增加基脚部喷混凝土的厚度以 增大承载面积 1 增加锚杆 2 缩短台阶开挖长度及早闭合支护环 3 喷混凝土做临时仰拱；进行地层改 良 发生底鼓 及早喷射仰拱混凝土 1 在仰拱处增打锚杆 2 缩短台阶长度，尽早闭合支护环 3采取短台阶（超短台阶） 4 用正反仰拱 喷混凝土 喷混凝土脱离 甚至坍塌 1 开挖后及早喷射混凝土 2.加钢筋网 3 .增加喷层厚度 增打锚杆或加长锚杆 喷混凝土中应 力增大产生裂 纹和剪切 1.加钢筋网 2在喷层中设纵向伸缩缝 3喷射钢纤维混凝土 1 增加或加长锚杆 2采用可缩性支撑 锚杆 轴力增大 锚杆断裂 1 增加锚杆 2.采取大承载力的锚杆 钢架 可缩性钢架变 形量超出允许 值或产生屈服 破坏 1 增加或加长锚杆 2 设纵向伸缩缝 3另加H型钢拱架 4 缩短拱架排距 围岩内 变位 围岩内变形增 大 松弛区异常增 大 1 缩短从开挖到支护的时间 2 .提早锚杆安设时间 3 .减少钻爆开挖对围