膨胀岩对隧道稳定性的影响

摘要：膨胀岩属软岩,它具有显著吸水膨胀和失水收缩的特性,处于这种岩性的隧道,其维护往往很困难,特别是隧道底板为膨胀岩时,底鼓现象更为严重,对隧道安全是一大威胁。因此寻找维护好膨胀岩隧道的有效措施,是十分迫切和具有实际工程意义的。膨胀岩的基本特征膨胀岩的基本特征:亲水性强、膨胀率高、膨胀压力大、强度低、崩解性强,它对隧道稳定性及其维护十分不利。膨胀岩亲水性强是由于其所含蒙脱石、伊利石、高岭石的粘土矿物亲水性较强,遇水后对水产生强烈的吸附作用,使颗粒间粘结力大大削弱、间距增大、体积膨胀。此外,膨胀岩往浸水或遇水后可产生较强的崩解性,有的膨胀岩浸水几分钟后便完全崩解。膨胀岩对隧道稳定性的影响进行地下开挖时,隧道围岩应力场重新分布,膨胀岩隧道周边发生变形进入塑性状态,围岩松动,裂隙扩大,孔隙度增加。膨胀围岩在自有的含水量或工程引起的含水量增加条件下产生膨胀变形,如果隧道不及时支护或支护形式不当、支护强度不足,就会引起隧道过大的变形,最终破坏。若隧道围岩未进行加固且支架为刚性,则围岩膨胀产生的膨胀压力便作用在支架上,随着膨胀含水量的增加和时间的增长,膨胀的围岩岩体范围越来越大,支架所受的膨胀压力也随之增大,结果刚性支架失稳破坏、隧道垮落,围岩松动圈继续增大,裂隙进一步增大,为深部围岩充填水分提供条件,从而又引起深部膨胀岩体膨胀,加剧隧道及支架变形破坏。

通常,对于未封底的隧道,膨胀引起隧道底鼓更为严重,隧道顶板及两帮围岩膨胀压力向底板传递,底板在强烈的膨胀压力作用下首先失稳,底板向隧道空间移动形成流变现象,隧道顶板及两帮围岩也向底板流动,加剧底鼓。通过一次或多次失稳破坏的膨胀岩隧道,翻修维护更为困难,因此,对于膨胀岩隧道力求掘进时一次支护成功,避免翻修。工程实例淮南矿务局谢桥矿东风井回风隧道位于-440m水平的风化带岩层中,隧道围岩极松软破碎,裂隙及层理发育、含水丰富。围岩以粘土砂岩、泥岩和砂质泥岩为主。砂岩中亲水性强的高岭石矿物含量较高,达30～60%,是砂岩浸水后膨胀、崩解和泥化的主要原因,故围岩抗压强度极低,约1212MPa。

谢桥矿东风井隧道围岩属于典型的膨胀软岩,针对其特征,采用的支护方式有五种,即:(1)锚喷网支护;(2)锚喷架支护;(3)热处理U型钢架支架壁后充填支护;(4)现浇混凝土或钢筋混凝土架支护;(5)料石砌碹支护。前两种支护在隧道掘出后不到半年,围岩变形竟达1m以上,尤其是底板因长期浸泡在水中而膨胀,底鼓更为严重,隧道每年需翻修2次,造成经济损失、生产被动;后三种支护形式基本上控制了软岩隧道失稳。膨胀围岩隧道维护措施根据膨胀岩对隧道稳定性的影响,隧道维护应采用下列措施:（1）防止水对隧道的影响。隧道通过含水丰富的岩层或断层,应采取疏干裂隙水或断层水,必要时进行围岩注浆堵水和防渗水。（2）隧道掘进后,应及时锚喷,防止围岩风化膨胀。

（3）隧道支护材料应具有一定收缩性和较高的支护强度,采用壁后充填,使支护整体受力均匀稳定。（4）隧道支护应重视封闭底板,防止底鼓。主要措施有:封闭支架壁后充填、底板注浆或锚喷加固、混凝土或钢筋混凝土底板反拱、料石碹底拱。（5）注浆加固隧道围岩,以提高围岩的强度及膨胀围岩的粘聚力和内摩擦,降低其孔隙率;并起堵水防渗作用。结束语根据上述分析,膨胀岩的基本特征及其对隧道稳定性的影响,可得出以下主要结论:（1）膨胀岩遇水膨胀的重要条件是膨胀岩含有大量的亲水性强的矿物和水量,且两者在膨胀岩中并存。（2）膨胀岩具有亲水性强、膨胀率高、膨胀压力大、强度低、孔隙度大、崩解性强等特征,这些特征受膨胀岩的物质组成、结构特征和所处的环境状态影响较大。它们随膨胀岩含水量不同而变化,随时间的增长而进一步恶化。（3）隧道处于膨胀岩中,其稳