穿越膨脹土地層隧道施工塌方成因分析

于新軍

(中鐵十四局集團(tuán)公司，山東濟(jì)南 250000)

0 引言

膨脹土是一種同時(shí)具有吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的高塑性粘土，由于其具有脹縮特性，往往給工程建設(shè)造成巨大的破壞，給人民財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。隨著我國(guó)西部開(kāi)發(fā)力度的加大，西部地區(qū)的交通建設(shè)將快速發(fā)展。在西部交通建設(shè)尤其是隧道建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到穿越膨脹土地層的情況，隧道穿越膨脹土地層施工過(guò)程中經(jīng)常遇到塌方等地質(zhì)災(zāi)害，例如包西鐵路新響沙灣隧道工程在施工過(guò)程中發(fā)生了塌方病害，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。因此研究此類隧道塌方成因?qū)こ痰陌踩┕ぞ哂兄卮蟋F(xiàn)實(shí)意義。自20世紀(jì)30年代膨脹土為人們所認(rèn)識(shí)以來(lái)，大量的研究都是圍繞膨脹土的強(qiáng)度理論、膨脹機(jī)理以及微觀變形等土體本身的性質(zhì)展開(kāi)的［1-5］;另外，還有一部分研究針對(duì)膨脹土的改良進(jìn)行，通過(guò)研制添加劑來(lái)改善膨脹土的力學(xué)特性［6，7］。但是這些成果都是基于膨脹土本身力學(xué)特性的研究，在膨脹土層施工隧道的相關(guān)研究還比較缺乏。因此，研究膨脹土隧道塌方地質(zhì)災(zāi)害的成因就具有重要的研究意義。

山西某隧道穿越膨脹土地層，在施工過(guò)程中發(fā)生了多次塌方事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文基于該隧道施工塌方工程實(shí)例分析，開(kāi)展隧道圍巖土體的試驗(yàn)研究，分析膨脹土隧道圍巖大變形及塌方成因，以期為確定合理的支護(hù)對(duì)策提供理論支持。

1 工程概況

山西某隧道起止里程 DK73+754～DK75+557，隧道全長(zhǎng)1 803 m，最大埋深約82 m，出露標(biāo)高約1 266 m～1 170 m，相對(duì)高差約96 m。隧道內(nèi)線路為單面上坡，DK73+754～DK75+450段坡率為3‰，DK75+450～DK75+557段坡率為8‰。隧道所處地段主要為黃土梁、黃土峁地貌，山峰相連，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪及鉆探揭示，勘探深度范圍內(nèi)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土(Qal+pl4)、上更新統(tǒng)風(fēng)積(Qeol3)砂質(zhì)黃土、第三系(N)膨脹土以及太古界(Ar)全～強(qiáng)風(fēng)化云母片巖等。隧道縱斷面圖如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面圖

隧道采取邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方式，根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)一覽表

2 塌方概述

隧道自2010年6月14日開(kāi)工以來(lái)，發(fā)生多次塌方或大變形，嚴(yán)重影響隧道安全建設(shè)及施工進(jìn)度，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)將隧道發(fā)生塌方或大變形情況進(jìn)行總結(jié)。

1)出口DK75+485。2010年8月2日，小河溝隧道出口剛進(jìn)洞不久，在洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)多條環(huán)向裂縫。同時(shí)，監(jiān)控量測(cè)顯示拱頂累計(jì)下沉達(dá)8 cm，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。從監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，在8月2日當(dāng)天拱頂下沉達(dá)到5 cm，嚴(yán)重影響了施工安全，施工人員不得不停止施工，并加強(qiáng)支護(hù)直到監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再繼續(xù)施工。

2)出口DK73+260。2011年7月30日，在施工至 DK75+260處時(shí)，施工人員發(fā)現(xiàn)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)突變，噴射混凝土開(kāi)始掉塊，初支鋼架扭曲變形。為保證施工安全，安裝了臨時(shí)支撐，但由于隧道變形過(guò)大，臨時(shí)支撐發(fā)生屈曲破壞，隧道最終發(fā)生塌方，并造成山體滑坡。此次塌方造成隧道出口停工達(dá)一年之久，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3)進(jìn)口DK74+300。2012年2月14日，隧道施工至DK74+300時(shí)，上臺(tái)階及與中臺(tái)階銜接部位開(kāi)裂明顯，上臺(tái)階時(shí)有爆裂聲音，圍巖壓力過(guò)大造成中臺(tái)階初支破壞，為保證施工安全，施工人員封閉掌子面并增設(shè)豎向支撐及斜向支撐。

圖2 拱頂下沉曲線（2010年）

3 塌方成因分析

隧道施工期間發(fā)生多次大變形及塌方，給隧道安全施工造成嚴(yán)重影響。筆者通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，分析多種因素對(duì)膨脹土隧道的影響，探究隧道大變形及塌方成因，為確定合理的支護(hù)對(duì)策提供理論支持。

1)含水率。土體中水的含量在其體積增濕膨脹變形過(guò)程中起著尤為重要的作用。因此選取多個(gè)土層樣本開(kāi)展含水率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隧址區(qū)土體最大含水率在29%左右，最小含水率為28%，平均值為28.5%。

圖3 隧道膨脹土含水率

膨脹土屬于非飽和土，其中水分主要由兩部分構(gòu)成，一部分為顆粒表面的吸著水與顆粒間隙的含水，另一主要部分為顆粒本身構(gòu)造孔洞內(nèi)部的充填水。吸著水在結(jié)構(gòu)上的粒間起連接作用，失水后，影響其粒間與層間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。充填內(nèi)部孔洞水主要被伊利石與蒙脫石這兩種粘土礦物所附著吸收，形成結(jié)晶水合物，會(huì)在土體內(nèi)部產(chǎn)生膨脹變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隧址區(qū)土體含水率較低，其結(jié)合水的能力即較強(qiáng)，增濕膨脹的潛力也就愈大，對(duì)圍巖壓力的影響就比較明顯。因此，當(dāng)遇到強(qiáng)降水天氣時(shí)，膨脹土隧道圍巖易發(fā)生膨脹變形，甚至導(dǎo)致塌方冒頂。而在2011年7月29日現(xiàn)場(chǎng)天氣記錄表明，隧址區(qū)普降暴雨，由此可知，DK73+260處隧道塌方受到圍巖土體含水率低的影響。

2)干密度。非飽和土的干密度受孔隙度、含水率及氣體等因素的影響，同時(shí)其作為一個(gè)重要計(jì)算指標(biāo)又反過(guò)來(lái)影響孔隙比、孔隙率與壓縮系數(shù)等指標(biāo)的計(jì)算值。因此，筆者在現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)定隧址區(qū)土體干密度。

膨脹土的干密度越大，土樣中個(gè)體顆粒或集聚體也就越多，汲取的水量也就越多，結(jié)合水膜的總厚度也就越厚。實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4，從圖中數(shù)據(jù)可知，在DK75+485附近，土層干密度比較大并呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這容易導(dǎo)致土體吸收大量的水，使得土體結(jié)構(gòu)破壞［8-10］，體積膨脹，隧道有可能發(fā)生大變形甚至塌方破壞。因此，DK75+485附近出現(xiàn)的大變形可能受到干密度的影響。

圖4 隧道出口膨脹土干密度

3)液性指數(shù)與塑性指數(shù)。液性指數(shù)是判斷土的軟硬狀態(tài)，表明天然含水率與界限含水率相對(duì)關(guān)系的重要指標(biāo)。塑性指數(shù)在一定程度上能夠綜合反映場(chǎng)地粘性土的性質(zhì)特征。塑性指數(shù)愈大，表明土的顆粒愈細(xì)，比表面積愈大，土中粘粒或親水礦物(如蒙脫石或伊利石等)含量愈高，土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍就愈大，也就是說(shuō)塑性指數(shù)能綜合地反映土的礦物成分和顆粒大小的影響。通過(guò)對(duì)場(chǎng)地膨脹土的試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，膨脹土的塑性指數(shù)值一般在22.7～23.0之間，最小為22.4，液性指數(shù)一般在0.1～0.22之間，最小為0.004，由此可知，場(chǎng)地膨脹土處于弱可塑態(tài)，土質(zhì)偏軟，易受水分作用而發(fā)生膨脹變形。

表2 隧道塑性指數(shù)與液性指數(shù)

4)膨脹性能測(cè)試。考慮到該隧道在施工期間頻頻發(fā)生塌方冒頂事故，依托原設(shè)計(jì)支護(hù)形式總是多次出現(xiàn)初期支護(hù)鋼支撐撓曲變形，即使縮短鋼支撐間距、增加錨噴厚度亦不能有效控制圍巖的位移變形。因此，對(duì)事故段膨脹土進(jìn)行了補(bǔ)充膨脹性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。測(cè)試取樣結(jié)果證實(shí)了洞體施工前期勘測(cè)，低估了場(chǎng)區(qū)內(nèi)膨脹土體的變形性能，不能對(duì)塌方冒頂事故產(chǎn)生預(yù)測(cè)。因此，施工期極有必要對(duì)特殊性膨脹土的關(guān)鍵段及弱富水區(qū)域位置進(jìn)行土體膨脹能力補(bǔ)測(cè)，以期盡可能最真實(shí)地獲得膨脹土的各項(xiàng)膨脹性能指標(biāo)，并進(jìn)行安全級(jí)別劃分，便于調(diào)整襯砌支護(hù)參數(shù)，減少施工安全隱患。

表3 膨脹土的膨脹性能試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)某膨脹土隧道圍巖大變形及塌方情況，通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)獲得以下結(jié)論:1)含水率越低，膨脹土圍巖增濕膨脹的潛力越大，當(dāng)遇到強(qiáng)降水等條件時(shí)，膨脹土隧道圍巖發(fā)生膨脹變形，易導(dǎo)致隧道大變形甚至塌方;2)膨脹土體干密度越大，越容易膨脹變形，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度變低，從而影響圍巖大變形的發(fā)生;3)液性指數(shù)與塑性指數(shù)是評(píng)價(jià)膨脹土圍巖的一項(xiàng)重要指標(biāo)，處在可塑狀態(tài)的膨脹土含水量變化大，土體吸水能力比較強(qiáng);4)施工期極有必要對(duì)特殊性膨脹土的關(guān)鍵段及弱富水區(qū)域位置進(jìn)行土體膨脹能力補(bǔ)測(cè)，便于調(diào)整襯砌支護(hù)參數(shù)，減少施工安全隱患。

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