淺析隧道膨脹土施工技術

張義民

摘 要：膨脹土是一種特殊性質的高塑性粘土，隨含水量變化具有吸水膨脹、脫水收縮的特征，膨脹土的力學特性隨含水量變化發生巨大改變。文章根據哈布特蓋隧道施工情況，對隧道施工中如何應對膨脹土問題進行簡要分析。通過實踐總結，從技術經濟角度分析，隧道膨脹土問題不能單純靠加大初期支護的剛性來限制變形，應改限制變形為允許變形，采用“先讓后頂”剛柔結合的方法綜合治理，并在施工中注意早發現，早處理，對二襯進行必要的加強及早施作。文章以新建伊敏至伊爾施鐵路哈布特蓋隧道為例，對膨脹土隧道施工技術進行探討。

關鍵詞：隧道；膨脹土；施工技術

1 哈布特蓋隧道膨脹土施工情況

哈布特蓋隧道是新建伊敏至伊爾施鐵路中長度最大的隧道，位于內蒙古呼倫貝爾市境內，鐵路穿越呼倫貝爾草原，全長185公里，隧道全長3.4公里，大部分圍巖較好，部分地段圍巖破損，節理較發育，地下水豐富，施工難度較大。

施工可分為未確認膨脹土隧道初期支護變形處理階段和確認為膨脹土后施工階段。

1.1 未確認膨脹土前隧道初期支護變形處理階段

由于沒有想到變形是由膨脹土引起，所以，處理原則采用的是強支護，限制圍巖變形的思想，通過加強初期支護的剛度，達到限制圍巖變形的目的。

隧道出口掌子面施工至DK133+072時，監控量測數據反映DK133+110-DK133+095段拱部下沉處于穩定狀態，周邊收斂值較大，累計最大處達到61毫米。為防止變形進一步擴大，確保初支結構安全，對變形地段采用了橫向架設Ⅰ18工字鋼進行支撐，限制收斂變形。現場檢查隧道內情況，圍巖級別為五類，地質為黃褐色粉質粘土，地下水比前一地段明顯加大，未變形地段初期支護混凝土處于干燥狀態，而變形段為濕潤狀態，局部出現滲流，線滴現象。

加設橫向支撐后隧道周邊收斂并未減弱，變形繼續加大，且有加速的趨勢，監控量測數據顯示，此階段收斂速率達到每天10多毫米。鐵路隧道施工規范第9.0.11第2條規定，凈空變化速率小于0.2mm/d時圍巖達到穩定狀態。當圍巖位移速率不斷上升時，圍巖處于危險狀態。

直到12天后DK133+095位置收斂已達185毫米。滲水量進一步加大，初支結構收斂變形明顯，出現大量縱、橫向裂縫，拱架出現嚴重變形，局部初支砼呈破碎狀態，且有進一步發展趨勢。

為防止變形進一步加大，施工中陸續采取了加設I18工字鋼支撐，并進行環向小導管注漿等方法。壓注水泥水玻璃雙液漿，使圍巖土體迅速固結，強制土體穩定，同時可以盡量減弱地下水滲出。

通過加固處理，收斂變形逐漸趨于穩定，才逐漸對侵限地段拆除了橫撐，進行了換拱處理。

掌子面繼續開挖施工時，由格柵鋼架改為I18工字鋼型鋼拱架，但實際效果并不理想，無法抵御圍巖變形，初支結構也出現了較大收斂并出現裂紋，局部型鋼拱架出現變形，繼續采取了加固，換拱措施。

1.2 確定膨脹土后的處理措施

發生變形6個月，為找出變形真正原因，制定可行的施工方案，確保安全，掌子面始終處于停工狀態。

期間，請有資質的單位對臨時加設的橫向工字鋼支撐進行了應力測定，結果顯示支撐型鋼承受的應力達80Mpa多。

通過對圍巖取樣試驗，確定圍巖土體為膨脹土，土樣自由膨脹率達60%多。隧道初支變形的真正原因才終于找到。

經過分析，論證，調整了思路，改剛性支護為柔性支護，“先讓后頂”，改限制圍巖變形為允許圍巖產生較大變形，在施工初期支護時預留圍巖變形空間，釋放土內的壓力，并采取對周圍土體進行注漿加固，加強二襯等措施，加強圍巖變形觀測，待變形達到基本穩定后，再進行加強支護。

本階段，由于所剩余膨脹土地段長度較小，并且膨脹土地層逐步上移，初支結構收斂變形并不是十分劇烈，基本上未采取第二次加固措施，收斂變形就處于穩定狀態。

此圖為膨脹土DK133+050斷面從初期支護完畢到變形趨于穩定的過程。從圖中可以看出變形速率處于明顯下降狀態，表明圍巖處于逐步穩定狀態。

2 膨脹土對初支結構影響原因分析

膨脹土的顯著特點和危害就體現在體積遇水膨脹，失水干縮上，由于隧道開挖，破壞了原有地下水的平衡狀態，改變了徑流方向，隧道內成為水壓力最小方向，大量地下水向洞內方向匯集，隧道周圍高塑性粘土含水量升高，體積發生膨脹，向壓力小的方向（隧道洞內）產生位移，靠初支結構的剛度難以抵御，使初支結構發生變形破壞。

3 膨脹土施工措施

3.1 加強膨脹土預報觀察，早發現，早處理

在設計、施工中對高塑性粘土地段要高度重視，根據現場施工情況結合試驗，確定是否為膨脹土。一般情況在地下水小的區域施工中由于土體含水量變化不大，膨脹性表現的并不明顯，一旦地下水量發生變化，就要密切注意隧道收斂情況，通過對現場情況綜合分析，并結合試驗結果，盡早確定粘土是否具有膨脹性，盡早制定切實可行的施工法案。

3.2 水是引起膨脹土破壞的根本原因，施工時要密切注意地下水的變化。施工中要根據實際情況探尋解決地下水的方法。

3.3 采取先讓后頂的原則，先采用柔性支撐，待發生一定的變形后再增加初支結構剛度

膨脹土含水量一旦發生變化，其引起的強大內聚力，單靠增加初支結構的剛度不但很難限制圍巖變形，還會大大增加成本。從經濟技術比較，不可能無限制的增加初支結構的剛度。因此出于思想應允許變形，給與一定的變形空間，膨脹土體積變化一定程度后，內力就得到了一定的釋放，變形和壓力也會逐漸減小，此時，再對初支結構進行加強處理，采用對初支結構補噴混凝土，加設臨時支撐等方法，增加支護剛度，初支結構承受的壓力比開始就提高剛度要小很多，確保結構穩定。施工時可以采用格柵鋼架密支撐噴砼，再掛鋼筋網補噴砼或加工字鋼支撐的方法進行。預留變形量要視膨脹土膨脹情況進行調整，一方面滿足圍巖膨脹要求，另一方面還要為初支變形后二次處理預留空間，保證二襯厚度。

3.4 由于膨脹土遇水后，土體處于變形不穩定狀態，應對隧道周圍土體進行注漿處理，采用環向錨管，縱橫間距根據土體情況和實際效果調整，對隧道周圍土體進行固結，考慮用水泥水玻璃雙液漿，加快凝結時間，加固隧道周圍土體，減弱變形發展。

3.5 二襯結構要適當加強，并及早施作

對二襯結構要進行加強，增加配筋，在穩定后及早施作，并注意加強對二襯變形進行監控量測，分析收斂情況和二襯受力情況。

3.6 加強監控量測工作，通過變形觀測，及時反饋圍巖變化信息，對施工情況和風險進行評價，認真分析，檢驗圍巖的穩定情況和施工方案的實際效果，根據圍巖變化情況確定下步施工方案。

膨脹土對隧道施工危害極大，水是產生變形的核心，要在經濟技術分析的基礎上，采用“先讓后頂”的原則，加強在設計施工各環節的準確調查，及早發現，及早應對，綜合處理。