浅析隧道膨胀土施工技术

张义民

摘 要：膨胀土是一种特殊性质的高塑性粘土，随含水量变化具有吸水膨胀、脱水收缩的特征，膨胀土的力学特性随含水量变化发生巨大改变。文章根据哈布特盖隧道施工情况，对隧道施工中如何应对膨胀土问题进行简要分析。通过实践总结，从技术经济角度分析，隧道膨胀土问题不能单纯靠加大初期支护的刚性来限制变形，应改限制变形为允许变形，采用“先让后顶”刚柔结合的方法综合治理，并在施工中注意早发现，早处理，对二衬进行必要的加强及早施作。文章以新建伊敏至伊尔施铁路哈布特盖隧道为例，对膨胀土隧道施工技术进行探讨。

关键词：隧道；膨胀土；施工技术

1 哈布特盖隧道膨胀土施工情况

哈布特盖隧道是新建伊敏至伊尔施铁路中长度最大的隧道，位于内蒙古呼伦贝尔市境内，铁路穿越呼伦贝尔草原，全长185公里，隧道全长3.4公里，大部分围岩较好，部分地段围岩破损，节理较发育，地下水丰富，施工难度较大。

施工可分为未确认膨胀土隧道初期支护变形处理阶段和确认为膨胀土后施工阶段。

1.1 未确认膨胀土前隧道初期支护变形处理阶段

由于没有想到变形是由膨胀土引起，所以，处理原则采用的是强支护，限制围岩变形的思想，通过加强初期支护的刚度，达到限制围岩变形的目的。

隧道出口掌子面施工至DK133+072时，监控量测数据反映DK133+110-DK133+095段拱部下沉处于稳定状态，周边收敛值较大，累计最大处达到61毫米。为防止变形进一步扩大，确保初支结构安全，对变形地段采用了横向架设Ⅰ18工字钢进行支撑，限制收敛变形。现场检查隧道内情况，围岩级别为五类，地质为黄褐色粉质粘土，地下水比前一地段明显加大，未变形地段初期支护混凝土处于干燥状态，而变形段为湿润状态，局部出现渗流，线滴现象。

加设横向支撑后隧道周边收敛并未减弱，变形继续加大，且有加速的趋势，监控量测数据显示，此阶段收敛速率达到每天10多毫米。铁路隧道施工规范第9.0.11第2条规定，净空变化速率小于0.2mm/d时围岩达到稳定状态。当围岩位移速率不断上升时，围岩处于危险状态。

直到12天后DK133+095位置收敛已达185毫米。渗水量进一步加大，初支结构收敛变形明显，出现大量纵、横向裂缝，拱架出现严重变形，局部初支砼呈破碎状态，且有进一步发展趋势。

为防止变形进一步加大，施工中陆续采取了加设I18工字钢支撑，并进行环向小导管注浆等方法。压注水泥水玻璃双液浆，使围岩土体迅速固结，强制土体稳定，同时可以尽量减弱地下水渗出。

通过加固处理，收敛变形逐渐趋于稳定，才逐渐对侵限地段拆除了横撑，进行了换拱处理。

掌子面继续开挖施工时，由格栅钢架改为I18工字钢型钢拱架，但实际效果并不理想，无法抵御围岩变形，初支结构也出现了较大收敛并出现裂纹，局部型钢拱架出现变形，继续采取了加固，换拱措施。

1.2 确定膨胀土后的处理措施

发生变形6个月，为找出变形真正原因，制定可行的施工方案，确保安全，掌子面始终处于停工状态。

期间，请有资质的单位对临时加设的横向工字钢支撑进行了应力测定，结果显示支撑型钢承受的应力达80Mpa多。

通过对围岩取样试验，确定围岩土体为膨胀土，土样自由膨胀率达60%多。隧道初支变形的真正原因才终于找到。

经过分析，论证，调整了思路，改刚性支护为柔性支护，“先让后顶”，改限制围岩变形为允许围岩产生较大变形，在施工初期支护时预留围岩变形空间，释放土内的压力，并采取对周围土体进行注浆加固，加强二衬等措施，加强围岩变形观测，待变形达到基本稳定后，再进行加强支护。

本阶段，由于所剩余膨胀土地段长度较小，并且膨胀土地层逐步上移，初支结构收敛变形并不是十分剧烈，基本上未采取第二次加固措施，收敛变形就处于稳定状态。

此图为膨胀土DK133+050断面从初期支护完毕到变形趋于稳定的过程。从图中可以看出变形速率处于明显下降状态，表明围岩处于逐步稳定状态。

2 膨胀土对初支结构影响原因分析

膨胀土的显著特点和危害就体现在体积遇水膨胀，失水干缩上，由于隧道开挖，破坏了原有地下水的平衡状态，改变了径流方向，隧道内成为水压力最小方向，大量地下水向洞内方向汇集，隧道周围高塑性粘土含水量升高，体积发生膨胀，向压力小的方向（隧道洞内）产生位移，靠初支结构的刚度难以抵御，使初支结构发生变形破坏。

3 膨胀土施工措施

3.1 加强膨胀土预报观察，早发现，早处理

在设计、施工中对高塑性粘土地段要高度重视，根据现场施工情况结合试验，确定是否为膨胀土。一般情况在地下水小的区域施工中由于土体含水量变化不大，膨胀性表现的并不明显，一旦地下水量发生变化，就要密切注意隧道收敛情况，通过对现场情况综合分析，并结合试验结果，尽早确定粘土是否具有膨胀性，尽早制定切实可行的施工法案。

3.2 水是引起膨胀土破坏的根本原因，施工时要密切注意地下水的变化。施工中要根据实际情况探寻解决地下水的方法。

3.3 采取先让后顶的原则，先采用柔性支撑，待发生一定的变形后再增加初支结构刚度

膨胀土含水量一旦发生变化，其引起的强大内聚力，单靠增加初支结构的刚度不但很难限制围岩变形，还会大大增加成本。从经济技术比较，不可能无限制的增加初支结构的刚度。因此出于思想应允许变形，给与一定的变形空间，膨胀土体积变化一定程度后，内力就得到了一定的释放，变形和压力也会逐渐减小，此时，再对初支结构进行加强处理，采用对初支结构补喷混凝土，加设临时支撑等方法，增加支护刚度，初支结构承受的压力比开始就提高刚度要小很多，确保结构稳定。施工时可以采用格栅钢架密支撑喷砼，再挂钢筋网补喷砼或加工字钢支撑的方法进行。预留变形量要视膨胀土膨胀情况进行调整，一方面满足围岩膨胀要求，另一方面还要为初支变形后二次处理预留空间，保证二衬厚度。

3.4 由于膨胀土遇水后，土体处于变形不稳定状态，应对隧道周围土体进行注浆处理，采用环向锚管，纵横间距根据土体情况和实际效果调整，对隧道周围土体进行固结，考虑用水泥水玻璃双液浆，加快凝结时间，加固隧道周围土体，减弱变形发展。

3.5 二衬结构要适当加强，并及早施作

对二衬结构要进行加强，增加配筋，在稳定后及早施作，并注意加强对二衬变形进行监控量测，分析收敛情况和二衬受力情况。

3.6 加强监控量测工作，通过变形观测，及时反馈围岩变化信息，对施工情况和风险进行评价，认真分析，检验围岩的稳定情况和施工方案的实际效果，根据围岩变化情况确定下步施工方案。

膨胀土对隧道施工危害极大，水是产生变形的核心，要在经济技术分析的基础上，采用“先让后顶”的原则，加强在设计施工各环节的准确调查，及早发现，及早应对，综合处理。