膨胀性围岩隧道

膨胀性围岩隧道施工膨胀岩具有吸水膨胀的特性，其工程地质特征不同于一般围岩，而具有特殊性和复杂性，是当今岩石力学领域中难题之一。在此环境中修建隧道，多发生洞内围岩膨胀突出、支撑变形、坍塌、衬砌开裂等现象，据此需确定膨胀性围岩的分级以及判定标准、开挖、支护、防排水、二次衬砌以及监控量测等方法及手段。8.1膨胀性围岩分类根据产生膨胀的原因，分为三种类型，即吸水膨胀、风化膨胀和应力释放引起的膨胀。吸水膨胀：含有蒙脱石、高岭土等粘土矿物的软岩、变质岩等岩层，吸水后会呈现明显的膨胀性。风化膨胀：隧道开挖后围岩接触外界空气引起风化现象，随着岩石的剥落、崩坏而发生膨胀性。地应力释放引起的膨胀：在地应力、地形和地质构造运动等作用下，而使岩层内部形成地应力，由于隧道开挖而得到释放，当地应力大而围岩强度低时，则隧道会出现膨胀围岩压力。8.2膨胀性围岩判别标准根据《铁路膨胀岩技术规范》规定，膨胀岩按其膨胀性的大小可划分为弱膨胀岩、中等膨胀岩、强膨胀岩三级。只要符合表8.1中的任两项指标即可进行定级。表8.1膨胀岩的分级指标表指标分级极限膨胀力(KPa)极限膨胀率(V,)干燥饱和吸水率叫自由膨胀率(Fs)弱膨胀岩10030031510 3030 50中膨胀岩30050015 3030 5050 70强膨胀岩>500>30>50>70&3开挖方法遵循新奥法原理，运用锚喷支护，支护体系尽早封闭成环，重视仰拱作用，加强防排水，减少对围岩的扰动和爆破时间等手段是进行膨胀岩隧道施工的有效途径。831开挖方法由于膨胀岩隧道的特点，开挖尽量以最大限度地减少对围岩不扰动为原则，选用钻爆法开挖，宜一次成型(全断面开挖)；当一次成型有困难时采用分部开挖，如台阶法、侧壁导坑法、中隔壁法等，采用分部开挖时，各开挖工序的各个阶段必须保持稳定。831.1台阶法分上下两个台阶，断面分块少，互相干扰也小，台阶长一般采用<11.5倍隧道开挖宽度。锚喷支护能尽快封闭围岩，可有效地控制上台阶围岩变形。如拱部断面扁平则受力不利，尤其开挖下台阶时，拱脚喷层悬空，将引起拱部围岩和支护下沉，拱脚向洞内变形，施工时采用临时仰拱或横撑将拱脚顶紧，形成拱部临时封闭结构，防止拱部过大变形。为减少对装碴运输的干扰和便于拆除，临时仰拱宜采用喷射混凝土、型钢或拼装式结构。当围岩自稳性能差，初期支护需尽早闭合，宜采用超短台阶法施工，台阶长宜<35m

若隧道断面大，采用多台阶法施工。台阶法施工参见图8-1。831.2侧壁导坑法运用该方法可防止拱部支图8-1台阶法施工示意图护下沉，尤其在浅埋、大跨、图8-1台阶法施工示意图陷更为有效，但缺点是开挖左右导坑、扩大、挖底等分块过多，围岩受多次开挖扰动，而引起岩体松驰，且全断面闭合时间较长，易产生边墙向洞内变形和底鼓，对此选用长锚杆和临时仰拱的办法解决。侧壁导坑法施工参见图8-2。831.3拱脚侧导坑台阶法在拱脚附近开挖超前小导坑，并迅速用混凝土将其填好，使坑道相互干扰小， 可缩支撑且混凝土块可以防止侧壁挤入和 二二2拱部支护下沉。但导坑内回填的混J\\二TOC\o"1-5"\h\z7ff ft M \ \\1pf * J1 ! 里凝土需部分凿除，混凝土块未凿除一”丨 计 枫广〔;二JI I 4a| j1.■*1\1 II I丿厂前，导坑无法继续前进。此方法安一一L \「影 5| \//7全可靠，但速度 '二:V］二匕;二二:二夕12345—开挖顺序图8-2侧壁导坑法示意图慢、造价高，在膨胀压力很大时才考虑采用拱脚侧壁导坑台阶法施工参见图8-3。832预留变形量膨胀岩隧道开挖断面应预留变形量，其量值视膨胀岩性质、埋深、施工方法、支护条件等，锚杆L=6.0m1他yr拱脚侧壁导坑台阶法施工参见图8-3。832预留变形量膨胀岩隧道开挖断面应预留变形量，其量值视膨胀岩性质、埋深、施工方法、支护条件等，锚杆L=6.0m1他yr鮎3根1.0.7m喷混凝土图8-3拱脚侧导坑台阶法示意图200H123开挖顺序采用工程类比法确定；也可按表8-2选用。表8-2预留变形量分 级弱膨胀岩中等膨胀岩强膨胀岩预留变形量（cm）1015>20汪：强膨胀岩应由计算确定，但不得小\于20cm8.3.3钻爆法开挖米取的技术措施在膨胀性围岩中爆破时，应尽量减小对围岩的扰动。为减少爆破震动对围岩的扰动，米取下列措施：短进尺、多循环、光面爆破和预裂爆破；土质或软弱围岩采用人工配合风镐开挖；开挖断面尽量圆顺，中间部分采用钻爆法开挖，周边则采用风镐开挖，尽量减少爆破震动对围岩稳定的影响；为减少水对围岩的作用，采用无水钻爆作业，用电钻打眼；采用分部开挖时，必须坚持各开挖工序的各个阶段的稳定性；设臵吸能变形层。8.4膨胀岩隧道的支护采用新奥法原理，膨胀岩的支护遵循以下原则：在不使围岩丧失极限平衡和失稳条件下，允许围岩有足够变形；支护变形特征适应围岩膨胀速率的变化；支护变形特征适应围岩膨胀收敛持续时间。膨胀岩隧道的初期支护由喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架或可缩式钢支撑等组成，必要时在喷射混凝土内加入钢纤维或增设钢筋网。为了保证结构的完整性，并能抵抗膨胀岩的底鼓力，要求膨胀岩隧道的钢架采用封闭型钢架，在膨胀压力较大的隧道中多数采用可缩式钢架，但也使用格栅钢架，因为它有钢材利用较合理、与混凝土粘结牢的特点。841支护参数初期支护参数的大小，根据设计或以往类似的经验确定。参照表8-3单线膨胀岩隧道初期支护参数表及表8-4双线膨胀岩隧道初期支护参数表。表8-3单线膨胀岩隧道初期支护参数表支护参数围岩级别锚 杆喷混凝土钢架长度（m）间距（m）厚度（cm）间距（m）弱膨胀岩>3.01.0101.0中等膨胀岩350.8150.75强膨胀岩>50.5200.5（可缩式）表8-4双线膨胀岩隧道初期支护参数表支护参数围岩级别锚 杆喷混凝土钢架长度（m）间距（m）厚度（cm）间距（m）弱膨胀岩>4.01.0151.0中等膨胀岩460.8200.75强膨胀岩>60.5250.5842支护作业技术措施弱膨胀围岩采用封闭形钢架，宜采用U型型钢或格栅钢架。可缩式钢架采用滑动节的个数与整个布点活动量来满足膨胀岩的膨胀量与约束量。可缩钢架伸缩节在工厂制作，经试压、紧固方可用于工程。喷射混凝土应分段由下而上依次进行，分层施作，层间间隔依变形要求来控制或采用隧道纵向预留变形缝来适应膨胀岩变形。可拆换支护背板的总压缩量，应与预留变形量相一致。网喷混凝土施工，一般先喷一层约4cm厚混凝土，并安设钢筋网，然后再补喷到设计的厚度；两层钢筋网时，当第一层钢筋网的覆盖小于3cm后，再加设第二层网，并补喷至设计厚度。在渗水地段，先及时引、排水，然后变更混凝土配合比，使喷射混凝土与围岩面粘合。在涌水地段喷混凝土时，应首先采用注浆堵水，必要时实施引排，然后施作喷射混凝土。8.4.3预防底鼓的技术措施选取合理的仰拱拱形，并及时施作仰拱，使支护衬砌及早形成闭合结构，以增加衬砌的整体刚度，同时防止水流浸泡基底，以控制边墙变形和底鼓现象。底鼓现象严重的层状岩石，采用长锚杆加固底部围岩，尤其在应力集中、塑性区大的墙脚附近，可提高节理裂隙面上的抗剪强度和岩体的整体刚度；在松散破碎围岩可采用注浆加固底层，以增加岩体的强度和整体性，减少膨胀压力和底鼓。做好隧底的防排水工作，不让水浸泡底部围岩，防止围岩软化和膨胀844支护补强与辅助技术措施针对膨胀岩隧道施工中开挖面失稳、支撑下沉、断面挤入、衬砌开裂破坏等现象，处理措施如下：稳定开挖面，在开挖面喷混凝土并设臵锚杆，设超前锚杆等。加强基脚，向底部地层注浆加固，向两侧打底部锚杆，支撑加底板及横向肋，或设临时仰拱。防止边墙挤入、底部上鼓，在两侧边墙增打长锚杆，锚杆长度要超过围岩塑性区范围；设底部横撑、打底部锚杆；修筑仰拱；缩短台阶长度，及早闭合；下半断面、仰拱同时施工；设纵向伸缩缝；采用可缩性支撑。防止开裂采用钢纤维混凝土，设加强钢筋，设纵向伸缩缝。膨胀岩隧道施工中的不利现象与处理措施参见表8-5表8-5膨胀岩隧道施工中的现象与措施序号工程名称施工中的现象措施A（比较简单的变动就可解决的措施）措施B（包括增加支撑构件在内需采取较大变动的措施）1幵挖面及其附近围MU1岩开挖正面不稳定缩短次掘进长度；开挖时保留核心土；对开挖正面进行喷混凝土；超前插板或管棚。减小导坑尺寸；采取稳定开挖面的方法（如开挖面加锚杆）进行地质改良。围岩承载力不足下沉量大开挖尽量减少对围岩的扰动；增加基脚部喷混凝土的厚度以增大承载面积。增加锚杆；缩短台阶开挖长度及早闭合支护环；用喷混凝土做临时仰拱；进行地层改良。发生底鼓及早喷射仰拱混凝土在仰拱处增打锚杆缩短台阶长度，尽早闭合支护环；采取短台阶（超短台阶）用正反仰拱

2喷射混凝土喷射混凝土脱离甚至坍塌开挖后及早喷射混凝土；加钢丝网增加喷层厚度。增打锚杆或加长锚杆喷射混凝土中应力增大产生裂纹和剪切加钢丝网在喷层中设纵向伸缩缝；喷射钢纤维混凝土。增加或加长锚杆；采用可缩性支撑。3锚杆轴力增大锚杆断裂增加锚杆采取大承载力的锚杆。4钢架可缩性钢架变形量超过允许值或产生屈服破坏增加或加长锚杆;设纵向伸缩缝；另加H型刚拱架缩短拱架排距。5围岩内变位围岩内变形增大松弛异常增大缩短从开挖到支护的时间；提早锚杆安设时间；减少钻爆开挖对围岩的扰动。增长锚杆；设纵向伸缩缝；用短台阶或临时仰拱法交替施工;背后注浆。6内净空变位内净空变位增大变形速率增大缩短从开挖到支护的时间；提早锚杆安设时间；缩短台阶、仰拱的一次开挖长度；在喷射混凝土开裂时设纵向伸缩缝 增加或加长锚杆；尽早成环；用短台阶或临时仰拱法交替施工;变更开挖方法。8.5防排水施工水是膨胀性围岩地下工程产生病害的主要根源，围岩含水量的变化直接使其强度和体积发生变化，即使很少的水，依然可加速围岩的坍塌。膨胀岩地段的防、排水，坚持以防为主，防、堵、截、排相结合的原则，并结合当地的气象、水文、地质，因地制宜地进行。防及时施作锚喷闭合支护，封闭暴露围岩，防止施工用水和水汽浸入岩体。隧道浅埋地段的地表低洼处必须填平，小河沟（槽）采用浆砌封闭，控制地表水下渗。堵在有水地段，如断层破碎带、节理发育、地下水丰富地段，采用全断面预注浆圭寸堵。截边坡、仰坡、坡顶天沟、截水沟等要保证其截排能力良好并设臵防下渗设施；控制洞外路堑水不得向隧道内排放。排对洞内渗漏水点，及时施作盲沟或采用弹性软式透水管，将水归入沟槽，汇集排入洞内水沟；隧道两端（包括明洞）设臵系统完善、功能良好的排水设施。洞内设专用防渗漏排水沟、槽，严禁在岩体上直接挖沟排放；洞内永久排水系统必须畅通，确保使用。8.6监控量测准确掌握膨胀岩隧道通过地段的地质和水文情况是困难的，在施工期间加强施工监测，能对围岩和支护情况作出正确评价，并反馈于设计，为设计、施工提供安全、经济的依据。8.6.1监控量测项目工程地质、水文地质、取样试验及支护状况的观察；隧道周边位移；衬砌内力，见表8-6。表8-6监控量测项目表序号监测项目测试方法和仪表测试精度备 注1净空变化隧道净空变化测定仪（收敛计）0.1mm—般进行水平收敛量测2拱顶下沉水准测量的方法，水准仪、钢尺1mm3隧底隆起水准测量的方法，水准仪、塔尺1mm4喷混凝土受力混凝土应变计10

5锚杆杆体应力钢筋计O.IMPa6—次衬砌内应力混凝土应变计O.IMPa注：H）--隧道埋深；b--隧道最大开挖宽度。862量测断面间距及每断面测点数见表8-7表8-7量测断面间距及每断面测点数围岩级别断面间距（m）每断面测点数量净空变化拱顶下沉VW5101 2条基线1 3点IV10 301条基线1点出30 501条基线1点注：洞□、断层破碎带、浅埋地段断面间距取最小值净空变化、拱顶下沉量测在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h,且在下一循环开挖前必须完成863量测频率量测项目的量测频率根据位移速度和量测断面距离开挖面距离按表8-8、8-9确定，当按表8-8、表8-9选择量测频率出现较大差异时，取量测频率较高的作为实施的量测频率。表8-8量测频率（按位移速度）位移速度（mm/d量测频率>52次/d151次/d0.5 11次/23d0.2 0.51次/3d<0.21次/7d表8-9量测频率（按距开挖工作面距离）量测断面距开挖工作面距离（m）量测频率(0 1)b2次/d(1 2)b1次/d(25)b1次/23d>5b1次/7d各项量测作业均持续到变形基本稳定后23周结束8.6.4量测数据整理与分析

围岩稳定性的综合判别，根据量测结果按下列指标进行：8.641实测最大位移值或回归预测最大位移值不应大于表8-10和表8-11所列指标，并按表8-12变形管理等级指导施工。表8-10单线隧道初期支护极限相对位移(%围岩级别埋深(m)<5050~300300~500拱脚水平相对净空变化值V0.30 1.000.80 3.503.00 5.00IV0.20 0.700.50 2.602.40 3.50出0.10 0.500.40 0.700.60 1.50n0.200.60拱顶相对下沉V0.060.120.100.600.50 1.20V0.03 0.070.06 0.150.100.60出0.01 0.040.03 0.110.10 0.25n0.01 0.050.04 0.08注：1、硬岩取下限，软岩取上限；2、拱脚水平相对净空变化指两测点间净空水平变化值与其距离之比;拱顶相对下沉是指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度至比；3、墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以 1.21.3表8-11双线隧道初期支护极限相对位移(%围岩级别埋深(m)<5050~300300~500拱脚水平相对净空