膨脹性圍巖不良地質隧道設計與施工的策略分析

苗壯

(中國鐵路設計集團有限公司 天津 300308)

隨著我國鐵路的快速發展，鐵路隧道建設也進入了一個新的發展期。隧道數量增加，施工難度上升，且新時期鐵路對隧道質量也提出了更高要求。在山嶺隧道施工中，膨脹性圍巖不良地質隧道一直是施工的難點，特別是膨脹性泥巖，由于其復雜的工程特性，在隧道施工中極易引起成洞困難、初期支護大變形、甚至侵入隧道凈空等問題。因此對于膨脹性圍巖不良地質下的隧道修建技術，一直是隧道工程師研究的重點和難點。

圖1 臺階法

圖2 CD法

1 膨脹性圍巖不良地質介紹

膨脹性圍巖是指在水的物理化學作用下易產生體積膨脹、破碎和分解的一類巖石（土），從發生膨脹的機理可分為兩大類，一類為化學轉化為膨脹巖；另一類指含有較多的親水礦物的黏土質巖石。泥質膨脹巖是屬于易風化和軟化的軟弱巖石，當巖體受到擾動后，特別是環境濕度和壓力條件變化時，膨脹巖的性狀將發生較大的改變，產生體積膨脹和收縮，進而對位于其上的工程建筑物會產生很大的危害性，嚴重影響工程的穩定性。

例如某鐵路隧道工程穿越地層為粘性土和泥巖，具有中等～強膨脹性。膨脹土具有隨環境的干濕變化，吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂、硬結現象、并產生往復循環脹縮變形等特性。膨脹性泥巖具有含水量增加，體積膨脹、巖質軟化、飽水后崩解泥化和失水體積收縮、巖體破裂、新鮮泥巖在空氣中暴露后具有鱗片狀剝落等特性。

面對這一復雜、特殊的地質，該如何做好工程設計才能有效避開風險因素或最大程度降低不確定因素對工程的影響，確保隧道施工安全穩定進行是施工單位必須要考慮的問題[1]。

2 膨脹性圍巖不良地質隧道施工特點

在膨脹性圍巖不良地質隧道施工中，工作人員主要需注意的問題有：因圍巖承載力不強而導致的地層下陷、滑坡、偏壓等問題，并由此造成的隧道襯砌、支撐結構變形破壞。與普通地層相比，膨脹性圍巖不良地質的承載力更小，在不采取相應增強措施的情況下，會導致襯砌、支撐不均勻下沉，還會出現松散地層滑移、山體失穩等，這些問題均會給隧道的正常施工與使用帶來很大影響[2]。

在膨脹性圍巖不良地質地段，圍巖膨脹與軟塑擠壓變化，會給隧道的襯砌結構、支撐結構施加相應的膨脹壓力或擠壓壓力，進而在一定程度上影響隧道結構的穩定性，導致隧道工程無法正常施工與使用。結合以往施工經驗發現，膨脹性地壓的底部壓力、側部壓力以及垂直向壓力均非常大，且這些壓力會對隧道襯砌結構的形狀以及剛度產生直接性影響。并且這類地壓有著較強的時間效應，在施工初期往往不易發現，但是在開挖暴露3～4d后，才會出現較大地壓。除此之外，地壓的強度與施工時間有密切關系，隨著時間的延長，地壓強度會不斷增加。相關研究表明，地壓強度在初期呈快速增長，并且會在經過較長時間后才趨于穩定。

綜上，在進行膨脹性圍巖不良地質隧道施工時，要想通過全面詳細的勘察掌握地質各基本情況，如地層的穩定性、地層中含水情況、地質密實度等。在詳細了解地質情況的基礎上科學設計施工方案，認真做好排水、開挖、支撐、爆破、襯砌、檢查、加固等各項工作，進而保證隧道施工的安全性與穩定性[3]。

3 膨脹性圍巖不良地質隧道設計與施工措施

3.1 施工方法與工序安排

在進行膨脹性圍巖不良地質段隧道的施工時，為保證人員、設備、工程以及環境的安全性，應采用上導坑或弧形導坑先拱后墻的施工思路與方法。由于不良地質地層變化極為不穩定，因此在設計與施工時應在保證工程質量的前提下盡可能縮短施工時間，提高施工效率。要緊湊安排各道工序，不能出現中途停工等現象。在完成開挖施工后，要及時開展筑拱作業，不能讓圍巖長時間暴露在空氣中。要通過加緊施工來減少風化、水化作用，保證圍巖結構的穩定性。模板拆除后，要及時組織工作人員進行拱背的填充、壓漿等工作，以保證整體施工質量。實踐表明，若能緊湊安排各工序、嚴格控制施工時間，就能大大縮短圍巖的暴露時間，減小膨脹壓力，進而防止襯砌結構出現變形、裂紋等情況，讓隧道工程的施工質量得到保證[4]。

3.2 分部開挖與支撐設計施工

進行隧道施工時，可采用框架式支撐結構開展相關支護作業。在施工時根據工程實際情況合理預留沉落量，并且按照從上到下的原則開挖。若選擇應用花拱支撐結構，那么就需采用弧形導坑開挖，并分片架立。 在施工時，要在拱腳巖層處預留出一定的寬度，以便后期工作的順利開展。

3.3 襯砌結構設計與施工

為提升隧道結構的安全性、穩定性，可選用鋼骨架封閉式襯砌結構。在施工時，需根據工程實際情況對拱腳斷面處作適當加大，并應用錨桿指出技術來防止拱腳下沉。除此之外，施工時還需做好必要的防護措施，避免讓拱腳、墻腳等關鍵部位受到地下水的浸泡。同時為了提升襯砌結構的安全性、穩定性，還應在施工時對拱腳做適當的提高處理，并適當放寬起拱線[5]。

3.4 雨季進洞滑坡問題的設計與施工

在進行膨脹性圍巖不良地質地段隧道進洞施工時， 雨季施工經常會發生滑坡問題，給工程的施工與使用帶來較大影響。因此在工程設計階段，就需根據施工區域具體情況來設計相應的防治策略，并綜合采用多種措施有效解決滑坡問題。如在設計時，先調查清楚可能會引起滑坡的相關因素，預測滑坡類型，在此基礎上進行設計。如果工程中滑坡是由于坡殘積土沿頂面滑動，并且滑坡后基巖裸露，且短期內穩定性較好，在后期可能會出現嚴重質量問題。那么在設計與施工時刻采用抗滑樁與擋護相結合的措施來進行整治。同時在相應位置設置滲溝對地下水進行攔截，排出大量地下水進而提升工程結構的穩定性、牢固性，降低滑坡出現幾率。

4 結語

綜上所述，膨脹性圍巖不良地質地段的隧道施工具有一定的復雜性、危險性，施工難度大。為盡可能保證施工活動的順利進行，單位需進行詳細的地質勘查，掌握不良地質特征特點，在此基礎上根據工程施工要求科學設計施工方案，規范施工過程，進而保證膨脹性圍巖不良地質隧道施工質量。