膨脹性圍巖對隧道施工的影響

費豪

【摘要】文章分析了膨脹土的特性，膨脹性發生于不同階段對隧道設計施工產生的不同影響，并作出了比較。

【關鍵詞】膨脹性圍巖；影響；對比

我國是膨脹土分布十分廣泛的國家，如廣西、河北、河南、四川、湖北、云南、陜西、安徽、江蘇等地均有不同程度的分布。在具有膨脹性的土層中進行隧道開挖，就必須要十分小心膨脹土的吸水情況，做好防范措施，以免發生巨大工程事故。而膨脹土對隧道的影響大致可分為兩類，一是在隧道施工前，膨脹土已發揮其膨脹性并對施工產生影響；二是隧道施工完畢后，膨脹土才吸水膨脹對隧道結構產生影響。本文主要從這兩方面入手，探討膨脹土對隧道施工的影響。

1、膨脹土的主要特性

膨脹土是指土中黏土礦物成分主要由親水性礦物組成，同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性，且具有濕脹干縮往復變形的高塑性黏性土。其膨脹性源自于其內的親水性礦物，多含有鈣質或鐵錳質結構，一般呈棕、褐、黃及灰白色，尤以蒙脫石與伊利石為主。

膨脹土質軟，抗壓強度底，空隙率較大，遇水后表面水膜增厚，顆粒間距增大，造成土體膨脹，若遇阻力將產生較大的膨脹壓力，失水后又很快崩解成碎塊。

2、膨脹土對隧道施工的影響

（1）膨脹性發生于隧道施工前

由于周圍巖體的約束作用，膨脹土吸水后其變形收到限制，那么就會產生較大膨脹壓力。一旦進行隧道開挖，圍巖的受力狀態便會產生變化，由原來的三向受力狀態變為二向受力狀態，圍巖應力重分布，一部分受約束的膨脹變形得以繼續進行，這就會導致兩種結果，一是圍巖變的極不穩定，稍加開挖便導致洞室坍塌，二是圍巖在變形的過程中處于動態的自平衡，最終達到穩定狀態。

由前已知，膨脹土質軟，抗壓強度底，吸水后其強度與剛度更是大打折扣，對施工將帶來更大的困難。由于坑道下部膨脹巖體的承載力較低，加之坑道上部圍巖壓力過大，這就易造成坑道產生過大的下沉。并且若在施工過程中土體產生膨脹，此時洞底圍巖的上部壓力已經解除，當無仰拱支護約束時，極易造成洞底圍巖的隆起變形，嚴重時，甚至能引起洞室坍塌，對施工人員的人身安全造成威脅。

另外膨脹土還有個特性，失水后易崩解成碎塊。在開挖隧道結束到支護的完成需要一個過程，這時，表層的裸露巖體易風干脫水，產生收縮裂縫，這也可以引起土中原生裂縫的張開擴大，不僅使圍巖變形增大，穩定性降低，也促進了水在圍巖內的流通，加大了土體的膨脹，形成一個惡性循環，對整個工程產生危害。

目前膨脹性圍巖的隧道結構設計方法主要有兩類，一是減輕作用在支護結構上的荷載而容許發生一定位移的柔性結構設計法，二是為了控制松弛而盡可能早地控制位移的剛性結構設計法。當膨脹性發生于隧道施工前時，膨脹土在周圍巖土體的約束下已經產生了一部分的變形，當開挖后，由于圍巖的動態自平衡又釋放了一部分變形，致使圍巖在已有的自平衡下短期內不會再產生過大的變形，而由于膨脹土的吸水，致使其強度應力比變的極低，流變性顯著，已有的自平衡就變的很不穩定，通常提前施作大剛度襯砌來控制隧道變形，但時機非常重要，應考慮將圍巖壓力大部分釋放，襯砌圍巖壓力分擔比例降低到總壓力的70%以下，并且在考慮圍巖蠕變、結構耐久性和可靠性前提下，對理論及現場檢測進行綜合分析以確定。

綜上所述，膨脹性發生于施工前時，對施工和設計均帶來了很大的困難。

（2）膨脹性發生于隧道施工后

隧道施工完成后，由于地下水位的改變或地表水的浸濕等原因，導致膨脹性圍巖吸水膨脹，這種膨脹受到支護結構的約束，反過來給支護結構一個較大的膨脹壓力。在這種膨脹性來臨之前，支護結構與圍巖的相互作用與普通圍巖一樣，膨脹壓力的產生，增大了支護結構的受力，降低了結構安全性，水的存在，也能對支護結構產生腐蝕作用，降低耐久性。

那么此類設計的關鍵就在于控制圍巖的濕度變化，在有地下水滲流時，應加強隧道整體的防、排水措施，有條件時盡量截斷水源或引流使其繞過隧道，在雨量較大的地區，為防止地表水的過度浸濕，應在地表開挖排水溝，及時將其引走。

另外，考慮到膨脹土的變形，設計時應考慮采取含柔性變形層的支護結構，一旦膨脹性來臨，允許其發生一部分變形，這樣可以降低圍巖作用于支護結構上的荷載，增加安全性。

綜上所述，膨脹性發生于施工后時，對隧道的整體結構會產生較大的不利影響，但設計時可以采取相應的防范措施避免之，在較干燥的環境下施工也更為方便。

3、結束語

從以上的分析中可看出，膨脹性發生于施工前，對設計、施工均帶來更大的困難，對人力財力的耗費都要大的多。

由于膨脹土的種種特性，在進行膨脹性圍巖隧道施工時，應對當地地質水文情況作準確的調查，并根據現有的技術手段，結合前人的經驗教訓來進行設計與施工。

參考文獻：

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[2].張治國 不良和特殊地質地段隧道施工的處理措施