浅谈膨胀性围岩隧道工程施工中的问题

浅谈膨胀性围岩隧道工程施工中的问题

膨胀岩通常是指含有蒙脱石、高石和其他矿物的软岩，它们吸收、收缩、收缩和变形。常见膨胀性岩石种类有:凝灰岩、泥岩、泥质砂岩、炭质页岩、泥灰岩、粘土岩、云母岩、千枚岩、蛇纹岩等,这类围岩抗压强度较低,单轴抗压强度在30MPa以下,节理裂隙较为发育,含有一定的裂隙水。膨胀性围岩的工程地质特性比较复杂,除受自身岩层内水的浸湿膨胀外,还往往在重力、地形和地质构造运动等作用下形成较大的地应力,在隧道开挖后得到释放,而出现围岩膨胀。国内外在膨胀性围岩隧道工程施工中,均遇到过很大困难和遭受过巨大损失,半个世纪来美国、加拿大、挪威、日本、前苏联等国均在这类地层中和其他工程中进行了专门的研究,以求解决膨胀性围岩给隧道施工带来的困难。20世纪50~70年代,我国在膨胀性围岩中采用传统法修建铁路隧道也遇重大困难,在隧道施工中出现围岩膨胀坍塌、挤压,支撑变形折断,隧底上鼓,衬砌开裂甚至侵限等严重病害现象。20世纪80年代我国开展了新奥法施工,使得膨胀性围岩隧道施工技术有了一定的改进,铁道部曾专门立项研究膨胀性围岩隧道的修建技术,虽对膨胀性围岩隧道的设计施工有了一些新的认识和提高,但仍未得到完全解决。本文就一些典型膨胀性围岩病害隧道实例现象,作一肤浅的分析,以求与同仁共同讨论提高。1循环河道建设及病害治理情况由膨胀性围岩致使衬砌严重开裂、道床变形的隧道有:成昆线碧鸡关隧道、梅七线的崔家沟隧道、襄渝线大巴山隧道、青藏线关角隧道、太焦线王宁隧道、大秦线粟家湾二号隧道、孝柳线鹊颉岭隧道、西延线九燕山隧道等。其中较为典型的有关角隧道,崔家沟隧道,和九燕山隧道,现将其病害情况整治情况介绍如下:1.1关角隧道(铁路单线,全长4010m):膨胀性围岩种类:炭质页岩、泥质页岩、泥钙质粉砂岩等变质岩地层。膨胀性围岩物理力学指标:膨胀力0.16MPa,膨胀量11.2%,自由膨胀率17%~49.5%。衬砌结构型式:直墙无仰拱单层模筑混凝土衬砌。施工方法:上下导坑先拱后墙矿山法。病害情况:1958年开始施工,1961~1975年停工,1976年复工,隧底采用无仰拱支承式整体道床,隧道竣工后不久,即发生围岩变形、道床上鼓达30cm,中线偏移达14cm、衬砌破损、轨距无法维持,1985年交运后限速通过。病害整治:拆换整体道床为宽枕板道床;隧底增设50cm厚的钢筋混凝土仰拱;对破损拱圈衬砌地段,采取压浆、换拱、套拱、素喷、网喷、锚喷等方法加固,对直墙衬砌结构,采取在拱脚和边墙打设锚杆加固;加强衬砌工作缝的防水、增设盲沟及侧沟排水。整治达5年之久,虽经多次整治费用达上亿元,但仍未根除病害。1.2崔家沟隧道(铁路单线,全长3834m):膨胀性围岩种类:泥质页岩、粉砂岩页岩和砂质互层,岩体风化颇重。膨胀性围岩物理力学指标:膨胀量6%~35%;膨胀0.25~2.8MPa。衬砌结构型式:直墙无仰拱,碎石道床。施工方法:上下导坑先拱后墙矿山法。病害情况:混凝土铺底上鼓开裂,改为钢筋混凝土底板30cm厚,1976年运营发现隧底上鼓严重,有8个地段共计长1680m,轨顶抬高13.cm,两轨高差4.5cm,1980年最大抬高量20.6cm,两轨高差6.3cm,水沟盖板起12.9cm,沟身剪断破裂纵向裂缝宽1.8cm,隧底330条横向裂缝宽0.4~0.8cm,严重影响行车安全。病害整治:拆除道床底板,加设50cm厚钢筋混凝土仰拱,增设密井暗管,引排地层裂隙水疏干道床基底。整治历时11年之久,花费大量人力物力,道床基本稳定。1.3九燕山隧道(铁路单线)膨胀性围岩种类:三叠系红粘土含20%~30%姜石,矿物成分:蒙脱石、伊利石79%;高岭土和绿泥石15%。网状裂隙发育,呈硬塑或软塑干硬状。膨胀性围岩物理力学指标:液限34.3%~46.3%,塑限21.4%~27.6%,塑性指数11.8%~18.7%;自由膨胀率40%~52%,膨胀力30~130kPa,膨胀量5%~15%。施工方法:上下导坑先拱后墙矿山法。病害情况:施工中拱部多次坍方,1981年停工,1987年复工,衬砌开裂并侵限,地下水渗漏严重,道床上鼓积水,冻融交汇,人行道混凝土疏松。病害整治:凿除侵限混凝土衬砌,嵌钢轨拱架,网喷加固;衬砌背后压浆止水;分段拆除道床,重新施作仰拱及水沟;增设疏水暗洞截断水源。2围岩破坏机理以上三座隧道病害产生的主要原因是:由于对膨胀性围岩遇水易软化和产生膨胀力的影响认识不足,采用的施工方法不当引起的。膨胀性围岩的变化规律是吸水软化,而软化又伴随着围岩体积的膨胀,使得围岩的强度比降低,加之开挖卸载,使得围岩壁面应力释放与应力重分布,引起围岩显著的塑性变形,而产生膨胀压力和松弛压力。以上三座隧道采用的是上下导坑先拱后墙矿山法施工,无法及时封闭开挖断面,压力随时间不断增大,导致支撑超强度承受巨大的压力而破坏。隧底无仰拱结构,不能反压隧底向上的膨胀压力,而导致基底上鼓变形,地基松动允许应力降低,两侧边墙墙底应力增大,发生不均匀下沉,而使整个衬砌开裂破损。运营期间,道床排水不畅,长时间积水,浸蚀软化基底岩石,在列车反复振动、冲击和水的共同作用下,进一步出现隧底围岩破裂和道床地基下陷,轨道悬空,危及行车安全。其次,洞体埋置较深,具有较大的地应力,隧道开挖应力释放,而伴随加大了膨胀压力的产生。3改善膨胀围岩隧道的拉张条件3.1加工过程根据国内外大量的膨胀性围岩隧道施工经验,膨胀性围岩隧道宜选用超短台阶两步开挖法。上下台阶分部开挖,相互干扰小,断面分块少,台阶长3~5m,能尽早地使整个隧道断面的初期支护闭合,适应于膨胀性围岩隧道的特点,是很好的一种施工方法。注意的是,因上半部断面较扁平,受力不利,在下半部分开挖时,易引起拱脚悬空发生变形,施工时可采用临时仰拱或预应力横撑,将拱脚顶紧,形成拱部临时封闭结构,改善受力条件。3.2影响坚持生长的框架因素膨胀性围岩隧道,宜设计采用复合式带仰拱的衬砌结构型式。这是因为,当隧道有合理支护条件的情况下,岩层会逐步释放能量,调整各层支护衬砌内力,充分发挥外层支护在三维应力作用下的抗压强度,钢拱架及时提供抗力,限制围岩变形,减少内层衬砌所承受的接触应力。内层衬砌主要承受后期继续增加的不均匀的膨胀围岩压力,使衬砌结构长期稳定。据有关实验研究和对全国铁路运营隧道裂损衬砌调查证明,在松散破碎地层和膨胀性围岩隧道中,底压力经常接近或大于垂直地压力,常使底板裂断,隧底上鼓,边墙下部内移,使衬砌失稳破坏。因此仰拱是结构的受力关键部位,设计和施工应予以足够的重视。3.3隧道断面形式国内外对膨胀性围岩隧道的研究发现,隧道断面内轮廓形状,对岩石的膨胀性有很大的影响。德国学者根据膨胀规律和有限元计算的研究,结果表明,马蹄形断面轮廓底鼓几乎是圆形的四倍。根据国内外268组实测地应力的数据得出结论,在地壳一定深度的水平应力往往大于垂直地应力,有时甚至大3~5倍,故圆形轮廓和接近圆形的椭圆形轮廓适宜软弱的膨胀性围岩隧道。从调研资料看,由于满足净空限界的需要,国内外隧道大多采用马蹄形断面,少数采用圆形。近些年来,我国学者对隧道支护衬砌受力特性和仰拱作用的实验研究证明,马蹄型断面在承受不同方向主应力时的破坏形态结论是,仰拱及其与边墙连接处是结构的薄弱环节,因此,在膨胀性围岩设计和施工中,宜在现有单、双线马蹄型断面基础上,采取边墙与仰拱圆顺连接,以减小应力集中,发挥仰拱的最大作用。我国关角隧道、崔家沟隧道等设计的直墙无仰拱衬砌,病害严重。香炉山水工隧洞在膨胀性围岩地层中施工时,将直墙断面改为马蹄形带仰拱断面,受力条件得到改善。3.4锚杆长度的确定。根据初膨胀性围岩隧道采用的初期支护,主要由喷射混凝土、锚杆、钢筋网钢架等组成。它应具备足够的柔性,密贴性、可增补性及刚性。根据结构计算,喷砼厚宜≤25cm,当膨胀压力大时,可采用钢纤维喷射砼或加设钢筋网、钢架。锚杆宜采用全长粘结型锚杆,加大对围岩的约束,如果围岩较好,但膨胀力又很大时,可采用预应力锚杆形成承载环结构,改善初期支护受力条件。膨胀性围岩隧道锚杆长度应超出塑性区范围,否则起不到加固围岩的作用。日本新津、美呗等膨胀性围岩等隧道(双线),施工时锚杆长度由设计的3m长,增加到6m长才控制了凝灰岩、砂岩泥岩膨胀变形的发展,因加强措施而增加的锚杆数量,用到每断面19根之多。我国西康线滚滩二号隧道,膨胀性围岩地段,在施工初期3m长锚杆控制不了围岩的变位,将锚杆增加到5m长时,围岩变形才出现收敛趋势。钢架应采用封闭形的,并能抵抗膨胀性围岩的底鼓力。国外在膨胀性围岩隧道中多数用可缩式钢架,国内多采用格栅钢架,两者