穿越膨胀土地层隧道施工塌方成因分析

于新军

(中铁十四局集团公司，山东济南 250000)

0 引言

膨胀土是一种同时具有吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的高塑性粘土，由于其具有胀缩特性，往往给工程建设造成巨大的破坏，给人民财产造成严重的损失。随着我国西部开发力度的加大，西部地区的交通建设将快速发展。在西部交通建设尤其是隧道建设过程中，经常会遇到穿越膨胀土地层的情况，隧道穿越膨胀土地层施工过程中经常遇到塌方等地质灾害，例如包西铁路新响沙湾隧道工程在施工过程中发生了塌方病害，严重影响了施工进度。因此研究此类隧道塌方成因对工程的安全施工具有重大现实意义。自20世纪30年代膨胀土为人们所认识以来，大量的研究都是围绕膨胀土的强度理论、膨胀机理以及微观变形等土体本身的性质展开的［1-5］;另外，还有一部分研究针对膨胀土的改良进行，通过研制添加剂来改善膨胀土的力学特性［6，7］。但是这些成果都是基于膨胀土本身力学特性的研究，在膨胀土层施工隧道的相关研究还比较缺乏。因此，研究膨胀土隧道塌方地质灾害的成因就具有重要的研究意义。

山西某隧道穿越膨胀土地层，在施工过程中发生了多次塌方事故，造成了严重的经济损失。本文基于该隧道施工塌方工程实例分析，开展隧道围岩土体的试验研究，分析膨胀土隧道围岩大变形及塌方成因，以期为确定合理的支护对策提供理论支持。

1 工程概况

山西某隧道起止里程 DK73+754～DK75+557，隧道全长1 803 m，最大埋深约82 m，出露标高约1 266 m～1 170 m，相对高差约96 m。隧道内线路为单面上坡，DK73+754～DK75+450段坡率为3‰，DK75+450～DK75+557段坡率为8‰。隧道所处地段主要为黄土梁、黄土峁地貌，山峰相连，冲沟发育，多呈“V”字形。据现场调绘及钻探揭示，勘探深度范围内地层岩性主要为第四系全新统冲积砂质黄土(Qal+pl4)、上更新统风积(Qeol3)砂质黄土、第三系(N)膨胀土以及太古界(Ar)全～强风化云母片岩等。隧道纵断面图如图1所示。

图1 隧道纵断面图

隧道采取边开挖边支护的方式，根据设计相关支护方案及支护参数见表1。

表1 隧道结构支护参数一览表

2 塌方概述

隧道自2010年6月14日开工以来，发生多次塌方或大变形，严重影响隧道安全建设及施工进度，造成严重经济损失。现将隧道发生塌方或大变形情况进行总结。

1)出口DK75+485。2010年8月2日，小河沟隧道出口刚进洞不久，在洞内发现多条环向裂缝。同时，监控量测显示拱顶累计下沉达8 cm，监控量测数据如图2所示。从监控量测数据可知，在8月2日当天拱顶下沉达到5 cm，严重影响了施工安全，施工人员不得不停止施工，并加强支护直到监控量测数据稳定后再继续施工。

2)出口DK73+260。2011年7月30日，在施工至 DK75+260处时，施工人员发现监控量测数据突变，喷射混凝土开始掉块，初支钢架扭曲变形。为保证施工安全，安装了临时支撑，但由于隧道变形过大，临时支撑发生屈曲破坏，隧道最终发生塌方，并造成山体滑坡。此次塌方造成隧道出口停工达一年之久，造成巨大的经济损失。

3)进口DK74+300。2012年2月14日，隧道施工至DK74+300时，上台阶及与中台阶衔接部位开裂明显，上台阶时有爆裂声音，围岩压力过大造成中台阶初支破坏，为保证施工安全，施工人员封闭掌子面并增设竖向支撑及斜向支撑。

图2 拱顶下沉曲线（2010年）

3 塌方成因分析

隧道施工期间发生多次大变形及塌方，给隧道安全施工造成严重影响。笔者通过开展室内试验，分析多种因素对膨胀土隧道的影响，探究隧道大变形及塌方成因，为确定合理的支护对策提供理论支持。

1)含水率。土体中水的含量在其体积增湿膨胀变形过程中起着尤为重要的作用。因此选取多个土层样本开展含水率的测定实验，测定结果见图3。由实验结果可知，隧址区土体最大含水率在29%左右，最小含水率为28%，平均值为28.5%。

图3 隧道膨胀土含水率

膨胀土属于非饱和土，其中水分主要由两部分构成，一部分为颗粒表面的吸着水与颗粒间隙的含水，另一主要部分为颗粒本身构造孔洞内部的充填水。吸着水在结构上的粒间起连接作用，失水后，影响其粒间与层间的结构强度。充填内部孔洞水主要被伊利石与蒙脱石这两种粘土矿物所附着吸收，形成结晶水合物，会在土体内部产生膨胀变形。实验结果表明隧址区土体含水率较低，其结合水的能力即较强，增湿膨胀的潜力也就愈大，对围岩压力的影响就比较明显。因此，当遇到强降水天气时，膨胀土隧道围岩易发生膨胀变形，甚至导致塌方冒顶。而在2011年7月29日现场天气记录表明，隧址区普降暴雨，由此可知，DK73+260处隧道塌方受到围岩土体含水率低的影响。

2)干密度。非饱和土的干密度受孔隙度、含水率及气体等因素的影响，同时其作为一个重要计算指标又反过来影响孔隙比、孔隙率与压缩系数等指标的计算值。因此，笔者在现场取样测定隧址区土体干密度。

膨胀土的干密度越大，土样中个体颗粒或集聚体也就越多，汲取的水量也就越多，结合水膜的总厚度也就越厚。实验测定结果见图4，从图中数据可知，在DK75+485附近，土层干密度比较大并呈现增长的趋势，这容易导致土体吸收大量的水，使得土体结构破坏［8-10］，体积膨胀，隧道有可能发生大变形甚至塌方破坏。因此，DK75+485附近出现的大变形可能受到干密度的影响。

图4 隧道出口膨胀土干密度

3)液性指数与塑性指数。液性指数是判断土的软硬状态，表明天然含水率与界限含水率相对关系的重要指标。塑性指数在一定程度上能够综合反映场地粘性土的性质特征。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土中粘粒或亲水矿物(如蒙脱石或伊利石等)含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大，也就是说塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。通过对场地膨胀土的试验测定，测定结果见表2，膨胀土的塑性指数值一般在22.7～23.0之间，最小为22.4，液性指数一般在0.1～0.22之间，最小为0.004，由此可知，场地膨胀土处于弱可塑态，土质偏软，易受水分作用而发生膨胀变形。

表2 隧道塑性指数与液性指数

4)膨胀性能测试。考虑到该隧道在施工期间频频发生塌方冒顶事故，依托原设计支护形式总是多次出现初期支护钢支撑挠曲变形，即使缩短钢支撑间距、增加锚喷厚度亦不能有效控制围岩的位移变形。因此，对事故段膨胀土进行了补充膨胀性能测试，结果见表3。测试取样结果证实了洞体施工前期勘测，低估了场区内膨胀土体的变形性能，不能对塌方冒顶事故产生预测。因此，施工期极有必要对特殊性膨胀土的关键段及弱富水区域位置进行土体膨胀能力补测，以期尽可能最真实地获得膨胀土的各项膨胀性能指标，并进行安全级别划分，便于调整衬砌支护参数，减少施工安全隐患。

表3 膨胀土的膨胀性能试验结果统计表

4 结语

总结某膨胀土隧道围岩大变形及塌方情况，通过开展实验获得以下结论:1)含水率越低，膨胀土围岩增湿膨胀的潜力越大，当遇到强降水等条件时，膨胀土隧道围岩发生膨胀变形，易导致隧道大变形甚至塌方;2)膨胀土体干密度越大，越容易膨胀变形，导致土体结构破坏，强度变低，从而影响围岩大变形的发生;3)液性指数与塑性指数是评价膨胀土围岩的一项重要指标，处在可塑状态的膨胀土含水量变化大，土体吸水能力比较强;4)施工期极有必要对特殊性膨胀土的关键段及弱富水区域位置进行土体膨胀能力补测，便于调整衬砌支护参数，减少施工安全隐患。

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