膨脹土圍巖地段施工工學(xué)論文
膨脹土系指土中粘土礦物成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)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(fù)變形的高塑性粘性土。決定膨脹性的親水礦物主要是蒙脫石粘土礦物。
我國(guó)是世界上膨脹土分布面積最廣的國(guó)家之一。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有膨脹土發(fā)育的地區(qū)達(dá)20余個(gè)省、市、自治區(qū)，遍及西南、西北、東北、長(zhǎng)江與黃河中下游及東南沿海地區(qū)。其中主要有：云南、貴州、四川、湖北、安徽、廣東、廣西、陜西、山西、河南、山東和河北等省區(qū)分布是十分廣泛的。
一、膨脹土圍巖的特性
隧道穿過(guò)膨脹土地層，隧道開(kāi)挖后不久，常常可以見(jiàn)到圍巖因開(kāi)挖而產(chǎn)生變形，或者因浸水而膨脹，或因風(fēng)化而開(kāi)裂等現(xiàn)象。使坑道的頂部及兩側(cè)向內(nèi)擠入，底部鼓起，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，支撐、襯砌變形和破壞。這些現(xiàn)象說(shuō)明膨脹土圍巖性質(zhì)是極其復(fù)雜的。它與一般土質(zhì)的圍巖性質(zhì)有著根本的區(qū)別。
膨脹土圍巖的基本特性，主要有以下三方面：
（1）膨脹土圍巖大多具有原始地層的超固結(jié)特性，使土體中儲(chǔ)存有較高的初始應(yīng)力。當(dāng)隧道開(kāi)挖后，引起圍巖應(yīng)力釋放，強(qiáng)度降低，產(chǎn)生卸荷膨脹。因此，膨脹土圍巖常常具有明顯的塑性流變特性，開(kāi)挖后將產(chǎn)生較大的塑性變形。
（2）膨脹土中發(fā)育有各種形態(tài)的裂隙，形成土體的多裂隙性。膨脹土圍巖實(shí)際上是土塊與各種裂隙和結(jié)構(gòu)面相互組合形成的膨脹土體。由于膨脹土體在天然原始狀態(tài)下具有高強(qiáng)度特性，隧道開(kāi)挖后洞壁土體失去邊界支撐而產(chǎn)生脹縮，同時(shí)因風(fēng)干脫水使原生隱裂隙張弛，使圍巖強(qiáng)度急劇衰減。因此，隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，常有初期圍巖變形大，發(fā)展速度快等現(xiàn)象。
�。�3）膨脹土圍巖因吸水而膨脹，失水而收縮，土體中干濕循環(huán)產(chǎn)生脹縮效應(yīng)。一是使土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度衰減或喪失，圍巖壓力增大。二是造成圍巖應(yīng)力變化，無(wú)論膨脹壓力或收縮壓力，都將破壞圍巖的穩(wěn)定性，特別是膨脹壓力將對(duì)增大圍巖壓力起疊加作用。
二、膨脹土圍巖對(duì)隧道施工的危害
由于膨脹土圍巖的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)及其圍巖壓力特性，使膨脹土的隧道圍巖具有普遍開(kāi)裂、內(nèi)擠、坍塌和膨脹等變形現(xiàn)象。膨脹土隧道圍巖變形常具有速度快、破壞性大、延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和整治較困難等特點(diǎn)。施工中常見(jiàn)的幾種情況，簡(jiǎn)述如下：
�。�1）圍巖裂縫：隧道開(kāi)挖后，由于開(kāi)挖面上土體原始應(yīng)力釋放產(chǎn)生脹裂；另外，因?yàn)楸韺油馏w風(fēng)干而脫水，產(chǎn)生收縮裂縫。同時(shí)，兩種因素都可以使土中原生隱裂隙張開(kāi)擴(kuò)大。沿圍巖周邊產(chǎn)生裂縫，尤其在拱部圍巖容易產(chǎn)生張拉裂縫與上述裂縫貫通，形成局部變形區(qū)。
�。�2）坑道下沉：由于坑道下部膨脹土體的承載力較低，加之上部圍巖壓力過(guò)大，而產(chǎn)生坑道下沉變形�？拥赖南鲁�，往往造成支撐變形、失效，進(jìn)而引起土體坍塌等現(xiàn)象。
�。�3）圍巖膨脹突出和坍塌：膨脹土開(kāi)挖過(guò)程中或開(kāi)挖后，圍巖產(chǎn)生膨脹土變形，周邊土體向洞內(nèi)膨脹突出，開(kāi)挖斷面縮小。在土體喪失支撐或支撐力不夠的狀態(tài)下，由于圍巖壓力和膨脹壓力的綜合作用，使土體產(chǎn)生局部破壞，由裂縫發(fā)展到出現(xiàn)溜塌，然后逐漸牽引周?chē)馏w連續(xù)破壞，形成坍塌。
�。�4）底鼓：隧道底部開(kāi)挖后，洞底圍巖的上部壓力解除，又無(wú)支護(hù)體約束的條件下，由于應(yīng)力釋放，洞底圍巖產(chǎn)生卸荷膨脹；加之坑道積水，使洞底圍巖產(chǎn)生浸水膨脹。因而造成洞底圍巖鼓出變形。
�。�5）襯砌變形和破壞：在先拱后墻法施工中，拱部襯砌完成后至開(kāi)挖馬口的這段時(shí)間，由于圍巖和膨脹壓力，常常產(chǎn)生拱腳內(nèi)移，同時(shí)發(fā)生不均勻下沉，拱腳支撐受力大，發(fā)扭曲、變形或折斷。拱頂受擠壓下沉，也有向上凸起。拱頂外緣經(jīng)常出現(xiàn)縱向貫通拉裂縫，而拱頂內(nèi)緣出現(xiàn)擠裂、脫皮、掉塊現(xiàn)象。在拱腰部位出現(xiàn)縱向裂縫，這些裂縫有時(shí)可發(fā)展到張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)。當(dāng)采用直墻時(shí)，邊墻常受膨脹側(cè)壓而開(kāi)裂，甚至張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)，少數(shù)曲墻也有出現(xiàn)水平裂縫的情況。當(dāng)?shù)撞课醋鲅龉盎騼H做一般鋪底時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)底部鼓起，鋪底被破壞。
三、膨脹土圍巖的隧道施工要點(diǎn)
（一）加強(qiáng)調(diào)查、量測(cè)圍巖的壓力和流變
在膨脹土地層中開(kāi)挖隧道，除了認(rèn)真實(shí)施設(shè)計(jì)文件所提出的技術(shù)要求外，在施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)圍巖壓力及其流變情況進(jìn)行充分的調(diào)查和量測(cè)，分析其變化規(guī)律。對(duì)地下水亦應(yīng)探明分布范圍及規(guī)律，了解水對(duì)施工的影響程度，以便根據(jù)圍巖動(dòng)態(tài)采取相應(yīng)的施工措施。如原設(shè)計(jì)難以適應(yīng)圍巖動(dòng)態(tài)情況，也可據(jù)此作適當(dāng)修正。
�。ǘ┖侠磉x擇施工方法
膨脹土隧道圍巖壓力的施工效應(yīng)，是導(dǎo)致隧道變形病害的主要原因。采用合理的施工方法，對(duì)隧道的穩(wěn)定性有著十分重要的作用。因此，在施工中應(yīng)以盡量減少對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)和防止水的浸濕為原則，所以宜采用無(wú)爆破掘進(jìn)法。如采用掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)鎬、液壓鎬等開(kāi)挖。在開(kāi)挖過(guò)程中盡可能縮短圍巖暴露時(shí)間，并及時(shí)襯砌，以盡快恢復(fù)洞壁因土體開(kāi)挖而解除的.部分圍巖應(yīng)力，減少?lài)鷰r膨脹變形。開(kāi)挖方法宜不分部或少分部，多采用正臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法和“眼鏡法”。正臺(tái)階法適用于跨度小的隧道，它分部少相互干擾小，且能較早地使支護(hù)（襯砌）閉合。側(cè)壁導(dǎo)坑法和“眼鏡法”較適用于跨度較大的隧道，它具有防止上半斷面支護(hù)（襯砌）下沉的優(yōu)點(diǎn)，但全斷面閉合時(shí)間較遲，必須注意防止邊墻混凝土受壓向隧道內(nèi)擠。
�。ㄈ┓乐箛鷰r濕度變化
隧道開(kāi)挖后，膨脹土圍巖風(fēng)干脫水或浸水，都將引起圍巖體積變化，產(chǎn)生脹縮效應(yīng)。
因此，隧道開(kāi)挖后及時(shí)噴射混凝土，封閉和支護(hù)圍巖。在有地下水滲流的隧道，應(yīng)采取切斷水源并加強(qiáng)洞壁與坑道防、排水措施，防止施工積水對(duì)圍巖的浸濕等。如局部滲流，可采用注漿堵水阻止地下水進(jìn)入坑道或浸濕圍巖。
（四）合理進(jìn)行圍巖支護(hù)
膨脹土圍巖支護(hù)必須適應(yīng)圍巖的膨脹特性。在施工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
�。�1）噴錨支護(hù)，穩(wěn)定圍巖。噴錨支護(hù)作為開(kāi)挖膨脹土圍巖的施工支護(hù)，可以加強(qiáng)圍巖的自承能力，允許有一定的變形而又不失穩(wěn)。采用噴錨支護(hù)，應(yīng)緊跟開(kāi)挖必要時(shí)在噴射混凝土的同時(shí)，采用鋼筋網(wǎng)。也可采用鋼纖維混凝土提高噴層的抗拉和抗剪能力。當(dāng)膨脹壓力很大時(shí)，可用錨噴及鋼架或格柵聯(lián)合支護(hù)，在隧道底部打設(shè)錨桿，也可以在隧道頂部打入超前錨桿或小導(dǎo)管支護(hù)。膨脹土圍巖隧道的支護(hù)，盡可能使其在開(kāi)挖面周壁上迅速閉合。如果是臺(tái)階開(kāi)挖，可在上半部開(kāi)挖后盡快作出半部閉合，使圍巖盡早受到約束。
總之，不論采用哪一種類(lèi)型的支護(hù)，都必須根據(jù)工程實(shí)際情況及圍巖變形狀態(tài)而定。
（2）襯砌結(jié)構(gòu)及早閉合。膨脹土圍巖隧道開(kāi)挖后，圍巖向內(nèi)擠壓變形一般是在四周同時(shí)發(fā)生，所以施工時(shí)要求隧道襯砌及早封閉。從理論上講，拱部、邊墻及仰拱宜整體完成，襯砌受力條件最好。但受施工條件的限制往往難以實(shí)現(xiàn)。因此，在灌筑拱圈部分時(shí)，應(yīng)在上臺(tái)階的底部先設(shè)置臨時(shí)混凝土仰拱或噴射混凝土作臨時(shí)仰拱，以使拱圈在邊墻、仰拱未完成前，自身形成臨時(shí)封閉結(jié)構(gòu)。然后當(dāng)進(jìn)行下部臺(tái)階施工時(shí)，再拆除臨時(shí)仰拱，并盡快灌筑永久性仰拱。
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