膨胀土浅埋隧道松动土体力学行为及侵限处理施工技术

王金明

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

膨胀土是一种具有特殊结构的黏性土，土中含有较多的黏粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等矿物成分，具有遇水膨胀、失水收缩的特性［1］． 我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一，有膨胀土发育的地区达20 余个省、市和自治区［2］． 膨胀土隧道在开挖后由于应力重分布及地下水作用等原因，隧道容易产生向洞内的挤压和变形，出现初支开裂、围岩失稳、坍塌、仰拱隆起等病害现象，给工程施工带来不良影响．特别是埋深浅、断面大的隧道，这种危害更加严重．因此，在膨胀土隧道设计与施工中有必要正确认识膨胀土的特性，采取合理的技术措施进行隧道设计与施工，对确保隧道施工安全及结构稳定具有重要意义．

1 膨胀土的基本特性

1．1 超固结特性

膨胀土围岩大多具有原始地层的超固结特性，土体中储存有较高的初始应力．当隧道开挖后，围岩应力得到释放，强度降低，产生卸荷膨胀，开挖后围岩将发生较大的塑性变形． 金银［3］以云桂铁路弥勒膨胀土为研究对象，通过选取原状膨胀土开展一维固结试验，研究了弥勒膨胀土的压缩、超固结及次固结特性．结果表明:弥勒膨胀土地基15 m 深度范围内具有明显的超固结特性，其超固结比OCR为0．99 ～3．14．

1．2 胀缩特性

膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应:①使土体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大;②造成围岩应力变化，无论膨胀压力还是收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用．

1．3 多裂隙性

膨胀土中发育有各种形态的裂隙，形成土体的多裂隙性．膨胀土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体． 由于膨胀土体在天然原始状态下具有较高的强度，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀裂;同时因风干脱水使原生裂隙张弛，形成若干应力集中区，使围岩强度急剧降低．因此，隧道施工开挖过程中，经常出现初期围岩变形大、发展速度快等现象．

2 工程概况

2．1 地质资料与设计情况

云桂铁路某隧道位于云南省弥勒市境内，全长582 m，最大埋深29 m，上覆土层为中等膨胀性黏土，下伏基岩为全风化玄武岩，围岩承载力较差． 全隧设计采用CRD 法施工，初期支护为全环I20b 钢架支护，钢架间距0．6 m，拱部为60 mm，中管棚超前支护，每环38 根，每根长6 m．隧道围岩物理力学参数见表1．

表1 隧道岩土物理力学参数

2．2 地表裂缝情况

现场拆除临时竖撑，施作仰拱钢架，发现洞内上台阶左、右侧钢架基础接头处均有水平纵向裂缝，钢架接头处伴有初支混凝土剥落现象，地表出现裂缝，宽度3 ～5 cm．具体情况如下:DK635 +960—DK636+000 段隧道中线右侧20 m 范围有多条裂缝大致呈45°角向隧道中线发育，裂缝形状近似半圆弧形;DK635 +980—DK636 +000 段有裂缝垂直隧道中线横向发育;DK635 +960—DK636 +000 段中线左侧约20 m 有3 条裂缝呈45°角向隧道中线发育．地表裂缝情况如图1 所示．

图1 地表裂缝分布

2．3 侵限情况

根据量测数据，DK635 +968—DK636 +003 段有不同程度的初支侵限，不能满足二衬设计厚度要求，其中最大侵限20．5 cm，最大侵限断面为DK635+978，其余断面侵限10 ～15 cm，侵限最大位置出现在拱部及拱腰位置，侵限情况见表2．

表2 侵限段落统计表

3 初支侵限原因分析

3．1 膨胀土围岩自身稳定性差

该隧道围岩埋深为0 ～29 m，断面跨度达到15 m，开挖净高13 m，开挖面积达到160 m2，属于超大断面隧道． 根据王明年等［4］的研究结论，大断面黄土隧道的深、浅埋分界深度在40 ～60 m，小于11 m属于超浅埋隧道，该隧道埋深可界定为超浅埋和浅埋之间．围岩自承能力差，不能形成承载拱，初期支护在巨大的围岩压力作用下很容易产生较大的拱顶下沉和周边收敛，出现初支侵限现象．

膨胀土围岩的超固结性导致开挖后产生卸荷膨胀，加上仰拱下部积聚的地下水与膨胀土围岩作用后产生的膨压效应，二者叠加后，作用在初支结构上的围岩压力急剧增大，使初支结构产生大变形．这种现象在钢架接头及拱架基础等受力薄弱部位更加明显．

从物理力学参数看，隧道围岩黏聚力和内摩擦角较低，根据摩尔－库伦公式可知，围岩抗剪强度低，开挖后易发生大变形． 同时，基底承载力仅为180 kPa，特别是在有地下水的情况下，一旦外力超过基底承载力极限，拱脚极易失稳．

3．2 施工过程存在弊端

根据施工记录并分析监控量测资料，该隧道变形较大的工序为隧道上台阶开挖、拆除临时竖撑及仰拱开挖，主要原因是施工中未对浅埋膨胀土隧道施工引起足够重视，未能有效地提供初期支护约束条件，拆除临时横撑的时机过早，拆除临时竖撑及仰拱开挖段落过长．

4 膨胀土隧道松动土体的力学行为

地表出现裂缝的主要原因是土体沿隧道开挖破裂角产生受拉破坏．目前，对隧道开挖破裂角的计算主要按照《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005J449—2005)以及朗肯公式进行．这些方法未考虑隧道跨度及埋深的影响，国内外学者通过理论推导、数值模拟、模型试验及现场监测等不同方法研究了不同围岩参数及隧道跨度埋深对破裂角的影响［5－8］．张韬等［9］通过数值模拟分析了应力剪胀对浅埋偏压隧道破坏面形状的影响，结果表明，考虑剪胀效应时隧道破裂角比规范计算值要大． 从隧道的地表裂缝分布情况看，地表裂缝基本分布在隧道中心线两侧各20 m 范围内，根据破裂角的定义计算该隧道的破裂角约为68．66°，取内摩擦角为15°，按规范计算的破裂角为63．09°(按实际不同土层内摩擦角加权计算破裂角会更小)，实际破裂角比规范计算值大，这与笔者数值模拟的结果是一致的．

膨胀土属于超固结黏土，具有明显的剪胀特性，膨胀土隧道的松动圈小于规范计算值．因此，在膨胀土隧道设计时可以通过详细的数值模拟，适当减小加固范围而增加支护刚度，特别是超浅埋隧道洞顶旋喷桩加固范围设计．

5 地表裂缝成因分析

从图1 中可以看出:地表出现多条纵向裂缝，纵向裂缝与隧道中线大致呈45°角，横向裂缝与纵向裂缝有时会出现贯通现象． 一般情况下隧道洞内收敛及拱顶下沉使隧道上方围岩沿破裂角产生指向隧道中心的径向位移，地表裂缝基本与隧道中线平行且对称分布． 隧道由于仰拱一次开挖过长，钢架悬空，接长成环不及时，导致仰拱开挖里程段内初期支护环向刚度突然降低，隧道上方围岩产生垂直向下的位移，拱顶下沉加剧，导致仰拱开挖段前方围岩产生垂直于线路中线方向的受拉破坏，从而出现横向裂缝．上、下台阶开挖时如果进尺过大、支护不及时，也会在开挖面前方出现横向裂缝． 两种情况叠加在一起，发生地表纵向裂缝大致呈45°角偏向隧道中心线发育的现象，横向裂缝够长时二者贯通．

6 侵限段处理措施

从现场看，地表滑带已形成，并有微量位移，后缘和周界裂缝已贯通，滑体前部被挤压产生鼓胀变形，滑坡目前处于(第二阶段)挤压阶段． 在地表水下渗的作用下，有进一步发展为整体滑动的可能，整个坡体目前处于不稳定的状态，必须立即采取措施进行加固，同时加强围岩变形的监测．

6．1 地表处理

地表裂缝采用M7．5 水泥砂浆封闭，封闭宽度1 m，厚度15 cm．建立地表位移观测点，观测地表裂缝宽度、深度及其变化趋势．裂缝范围外5 ～10 m 设置截水天沟，引排地表水，避免地表水漫流至裂缝内．降雨期间，必要时对地表采用彩条布覆盖，防止降雨下渗软化隧道围岩．

6．2 初支侵限段处理

综合考虑施工安全及换拱所需时间，对不同里程段分别采取不同的侵限处理方案．

6．2．1 工况一(DK635 +968—DK635 +997 段)

该段已完成下台阶开挖，局部段落已完成仰拱施工．若直接换拱，断面高度较高，风险较大，且侵限处理时间较长．为保证施工安全，同时确保未开挖段在雨季到来之前施工完成，该段采用先设置C30 混凝土临时模筑衬砌，待隧道开挖贯通后再进行换拱处理，处理措施及工序如下:

1)隧道贯通前． 对DK635 +968—DK635 +997段采用临时横撑、竖撑及斜撑进行加固，并加强监控量测．待围岩稳定后开挖本段仰拱，仰拱每次开挖进尺不大于2 m，仰拱钢架必须及时封闭成环．施作拱墙C30 混凝土临时模筑衬砌，模筑衬砌内设置双层钢筋网．临时模筑衬砌施作完成后，加强对临时模筑衬砌的监控量测，发现异常及时采取措施，确保施工安全．

2)隧道贯通后． 拆除C30 混凝土临时模筑衬砌，每次拆除长度不得大于1．2 m，并加强监控量测，通过监控量测优化调整拆除长度;隧道拱墙采用42 mm 小导管径向注浆加固，间距1．2 m×1．0 m，小导管长4 m，注1∶1 水泥砂浆，注浆压力0．5 ～1．0 MPa;原位拆除已侵限钢架，嵌入新钢架，钢架间距0．6 m，并及时与仰拱钢架封闭成环．施工方法采用外扩大拱脚，拱腰钢架接头采用G32 自进式锚杆，每处2 根，每根长6 m．钢架基础采用75 mm 注浆钢花管加固，每处4 根，注1∶1 水泥砂浆，注浆压力0．5 ～1．0 MPa．拆换长度达到6 m 后，施作拱墙C35 钢筋混凝土二次衬砌．

6．2．2 工况二(DK635 +997—DK636 +003 段)

该段仅完成上台阶开挖，采用直接换拱处理．具体措施及工序如下:

1)对DK635 +997—DK636 +003 段拱部采用42 mm 小导管径向注浆加固，间距1．2 m×1．0 m，小导管长4 m，注1 ∶1 水泥砂浆，注浆压力0． 5～1．0 MPa．

2)于相邻两变形钢架之间凿槽嵌入全环I22b钢架，钢架尽量与径向小导管或锚杆焊接在一起．施工方法采用CRD 法，上台阶钢架基础采用外扩大拱脚，拱腰钢架接头采用G32 自进式锚杆，每处2 根，每根长6 m． 钢架基础采用75 mm 注浆钢花管加固，每处4 根，注1 ∶1 水泥砂浆，注浆压力0． 5～1．0 MPa．

3)拆除侵限的钢架及初期支护，并进行扩挖，重新施作初期支护，各部分开挖后钢架应及时封闭成环．

4)在初期支护侵限处理过程中，应加强对相邻段变形的监控量测，拆换段两端初期支护每5 m 设监测断面，确保施工安全及结构稳定．

6．3 后续开挖施工方案

隧道变形较大工序为隧道上台阶开挖、拆除临时竖撑及仰拱开挖工序，为保证下一步开挖过程中对变形的控制，后续施工中应采取以下措施．

1)严格按设计要求的CRD 法施工，上台阶钢架基础采用外扩大拱脚，并垫钢板，增加上台阶钢架基础的受力面积．上台阶开挖每循环约0．8 m 采用喷8 cm 厚、C20 混凝土封闭掌子面一次;下导坑采用多台阶或放坡开挖，坡度不陡于1∶1．

2)为保证钢架基础的稳定，上下台阶钢架基础采用75 mm 注浆钢花管加固，注1∶1 水泥砂浆，注浆压力0．5 ～1．0 MPa，每处4 根，每根长6 m，其中2 根的施作角度与水平方向呈大角度，主要提供基础承载力，另外2 根施作角度与水平方向呈小角度，主要提供水平抗拔力．

3)上台阶拱腰钢架接头均采用G32 自进式锚杆，每处钢架接头2 根，每根长6 m．

4)施工中，中隔壁临时竖撑及临时横撑均采用I20b 钢架，钢架接头处均与初支钢架连接牢固． 调整后的初期支护结构如图2 所示．

图2 优化后的CRD 工法支护结构图

7 结 语

本文以云桂铁路某隧道侵限处理施工为例，对膨胀土浅埋隧道初支侵限的原因及其松动土体力学行为进行了分析，并对两种不同工况下侵限处理技术进行了阐述，得到如下结论:

1)初支侵限是膨胀土本身的特性和施工两方面共同作用的结果，尤其是大断面的浅埋膨胀土隧道，施工过程中必须引起高度重视，要提供有效的初期支护约束条件，严格控制临时支撑拆除及仰拱开挖长度．

2)膨胀土浅埋隧道破裂角大于规范计算值，相应的围岩松动圈比规范计算值小． 膨胀土隧道设计时可考虑适当减小加固范围而增加支护刚度．

3)由于施工原因，地表横向和纵向裂缝同时存在，纵向裂缝大致呈45°角偏向隧道中心线发育，纵、横向裂缝有时存在贯通现象．

4)综合考虑施工安全及换拱所需时间，对不同工况段应该采取不同的处理方案:对下台阶开挖已完成的段落，若直接换拱，断面高度较高，风险较大，且侵限处理时间较长．所以，该段采取先设置临时模筑衬砌，待隧道开挖贯通后再作换拱处理．对仅完成上台阶开挖的段落，采取直接换拱处理．

5)该隧道初支侵限的成功处理及其顺利贯通表明了上述方案的可行性，可为今后类似工程提供参考．

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