刘志超

(中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆 402160)

0 前 言

在榆中引洮9号隧洞洞身开挖的施工过程中，14+030～14+063段由于膨胀土围岩膨胀而引起初支衬砌发生严重变形，随后项目部停止了掌子面施工，在拆除初支衬砌时发生了小规模塌方、掉块，待拆除完成重新支护之后再进行掘进施工。为了在以后的施工中尽量避免出现此类事件，研究膨胀土围岩的特性及危害十分有必要。

在论述该问题前必须了解两个基本概念，即水工隧洞和膨胀土。隧洞不同于隧道，虽然施工工艺大体相同，但略有差异。水工隧洞具体指的是在山体中或者地下开凿出来的过水洞，其应用范围非常广泛，包括灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航等。水工隧洞分为无压隧洞和有压隧洞两种，前者是指水流在洞内具有自由水面；后者则指的是水流充满整个断面，使洞壁承受了一定程度的水压力。上述工程中的9号隧洞则属于无压隧洞。膨胀土系指土中黏土矿物成分的主要组成为亲水性矿物，并具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，还具有湿胀干缩往复变形的高塑性黏性土。决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石黏土矿物。我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一。

1 工程概况

榆中引洮9号隧洞起止里程13+449～14+630，隧洞全长1 181m，最大埋深60m，纵坡为1/1 200，开挖断面为圆拱直墙，顶部为半径R=102cm的半圆形，下部为宽B=202cm、高H=155cm的矩形，二次衬砌施工完成后，过水断面尺寸为B=132cm、H=192cm、R=65cm。经勘测，9号隧洞13+457～14+250段围岩为第四系中粉质土壤层，冲洪积成因，土体较湿，结构密实，具水平层理，土质均匀，夹有粉质黏土层。而14+250～14+630段围岩为白垩系泥岩及砂砾岩，呈互层状分部，泥钙质胶结，胶结程度较差，具厚层状结构，层理不明显，层间结合较前，较为致密，层岩平缓，裂隙不发育，具单斜构造，结构较为完整，总体无地下水，属中软质、易软化岩层。

2 膨胀土围岩特性

在诸多案例中均可以发现，膨胀土围岩中施工的隧洞、隧道在开挖后不久，由于围岩分化、渗水或者初支衬砌强度不足，会导致洞内围岩发生变形、开裂等现象，进而发展为洞身顶部及两侧围岩向内挤入，底部鼓起，进一步导致围岩失稳、初支衬砌破坏甚至塌方等灾害。归纳起来，膨胀土围岩主要有以下特性。

1)超固结特性。由于膨胀土复杂的沉积过程，土体处于超固结状态，让膨胀土围岩中储存着较高的初始应力。当洞身开挖后围岩失去完整性，在洞身周围缺乏对围岩应力的限制，从而导致围岩应力释放、强度降低、产生卸载膨胀。这是9号隧洞洞身初支衬砌发生变形的最主要因素。

2)多裂隙土体的结构-力学特性。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结构下具有高强度特性，洞身开挖后洞壁土体失去边界支撑，在产生胀裂的同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，形成若干应力集中区，使围岩强度急剧衰减。这个特性是导致9号隧洞拆除初支衬砌时发生塌方掉块的主要原因。

3)胀缩循环特性。膨胀土围岩具有吸水膨胀、失水收缩的特性，土体中干湿循环产生胀缩效应。一是破坏了土体结构，由块间联结变为裂隙结合，围岩强度衰减或丧失，增大了围岩的压力；二是改变了围岩应力，膨胀压力、收缩压力均破坏了围岩的稳定性，特别是前者将对增大围岩压力起到叠加的作用。影响膨胀土围岩产生胀缩变形的程度及其膨胀压力大小的因素，包括膨胀土的类型与湿度，通常土的膨胀性越强，变形和膨胀压力就越大。

3 案例分析

3.1 引洮9号隧洞初支衬砌变形原因

根据膨胀土围岩的特性可以知道膨胀土围岩发生胀缩变形是由围岩的内部构造因素所决定的，同时受到外部条件(最主要的影响因素是水和空气)的控制。其中，发生胀缩变形的本质影响是组成膨胀土的特殊物质成分和结构特性，外部条件起着重要的诱发因素。在9号隧洞的施工过程中，由于前期开挖及后期整修过程中均未发现围岩有任何滴、排、渗水，加之开挖完成后随即进行了锚喷支护，使围岩与空气及时进行了隔绝，所以外部条件的影响作用几乎可以忽略。导致9号隧洞初支衬砌发生变形的最终原因还是由膨胀土围岩的内部构造因素所引起，隧洞开挖导致围岩边界失去对围岩应力的有效限制，导致围岩应力释放，挤压隧洞初支衬砌，导致其发生了变形破坏。

3.2 初支衬砌变形观测

在发现隧洞初支衬砌发生变形后，项目部立即组织了变形观测，在观测数据图1中可以发现里程14+052处断面自2016年5月28日到2016年6月15日期间共计收敛7.8cm，收敛速率平均0.41cm/d。

图1 14+052断面收敛观测记录表

而最为突出的是里程14+041.5处断面，在观测数据图2中可以发现自2016年6月7日到2016年6月12日期间共计收敛8.6cm，收敛速率平均1.43cm/d。

图2 14+041.5断面收敛观测记录表

到2016年7月12日对里程14+041.5断面进行测量时隧洞洞身净间距最小值为96cm，累计收敛84cm，自6月12日到7月12日，该里程断面累计收敛75.4cm，收敛速率平均2.51cm/d。根据以上数据可以发现后期收敛速率较前期更大。这是因为前期钢支撑受到膨胀土围岩挤压变形不大，还可以提供一定的支撑能力，所以变化速率较小，但随着钢支撑的变形，导致其在连接处及拱顶中心处发生应力集中，加剧了钢支撑的变形，在钢支撑变形到一定程度时基本丧失对围岩的支撑作用，从而使得洞身初支衬砌进一步加速变形。

这些数据只是对于9号隧洞而言，在断面小的隧洞中有如此快的变形速度，那在大断面隧道中可想而知，所以研究膨胀土围岩的危害很重要。

4 膨胀土围岩的危害

由于膨胀土围岩的特殊工程地质性质及其围岩压力特性，使膨胀土的隧洞围岩具有普遍开裂、内挤、坍塌和膨胀等变形现象。膨胀土隧洞围岩变形常具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治较困难等特点。从变形性质看大多具有不均匀性以及非完全对称性变形破坏。洞壁两侧围岩常常同时内挤或出现对称性裂缝，而洞顶与洞底围岩变形则不一定同时发生，而多是局部出现。比较常见的变形情况如下。

1)围岩裂缝：开挖隧洞后，开挖面上膨胀土围岩原始应力得以解除，从而发生胀裂；裂口及表层围岩因风干而脱水，产生收缩裂缝。胀缩变形扩大了围岩中的原生隐裂隙。沿围岩周边产生裂缝，尤其在拱部围岩容易产生张拉裂缝与上述裂缝贯通，形成局部变形区。

2)围岩膨胀突出和坍塌：在开挖中或开挖后，由于开挖卸载产生应力释放，引发周边围岩向洞内膨胀突出，缩小了洞身开挖断面。如果初支衬砌支撑力不足，此时将会因围岩压力和膨胀压力的综合作用导致围岩局部破坏，由裂缝发展到溜塌，逐渐牵引周围土体连续破坏，形成坍塌，甚至导致冒顶。

3)衬砌变形破坏：由于围岩膨胀突出变形太大，初支衬砌支撑力不够引起隧洞侧墙初支喷射混凝土发生开裂，在钢拱架连接处形成横向通缝，顶拱初支混凝土发生挤裂、脱皮、掉块现象，钢筋网片发生突出变形，钢拱架在连接处及拱顶发生扭曲变形，拱脚向内收敛变形，同时发生不均匀沉降。

4)底鼓：隧洞开挖后，洞底围岩的上部压力得以解放，如果此时没有支护体的约束，洞底围岩会发生卸荷膨胀的现象；加上洞内有积水将导致浸水膨胀，最终两种膨胀作用的叠加使隧洞底鼓变形的情况更加严重，且很大可能会引发裂缝现象，这样积水更加容易渗入土中引起膨胀，又导致底鼓变形现象恶化。

5)洞身下沉：在有的隧洞开挖中，钢支撑强度虽然满足抵抗膨胀土围岩压力的要求，但是洞底膨胀土围岩的承载力不高，再者上部围岩压力比较大，使得洞身整体下沉和变形，进而造成支撑变形、破坏，丧失支撑能力，最终发生土体坍塌等事故。

5 膨胀土围岩施工技术要点

根据膨胀土围岩的结构特性和构造特点可以知道，在膨胀土围岩中施工隧洞，要想避免围岩对隧洞造成危害，必须要做到以下几点。

5.1 加强测量围岩变化

隧洞开挖后，无论是膨胀土围岩风干脱水还是浸水均会改变围岩的体积，产生胀缩效应、隧洞变形，具体表现在收敛急剧扩展、拱顶下沉加大甚至坍塌等，因此，做好膨胀土围岩隧洞的监测预警工作非常重要。在施工时，必须详细观察和测量围岩的压力与位移情况，根据监测结果研究变化规律。探索出地下水的分布范围和规律，并了解水其对施工产生不利影响的程度，最终基于围岩动态情况探讨和制定具有可行性的措施。此外，还要对洞身周边位移、拱顶下沉、浅埋段地表位移等进行监测。

5.2 选择合理的施工工艺

开挖中对隧洞围岩的扰动加大了膨胀土围岩隧洞施工的安全隐患，所以必须制定针对性的施工方法，尽可能降低对围岩的扰动程度和避免被水浸湿，对隧洞的稳定性有着十分重要的作用。首选采用无爆破掘进法，如采用掘进机、风镐、液压镐等开挖；由于条件限制不得不采用爆破施工时，可以采用短进尺、弱爆破，以尽量减少对围岩的扰动。在开挖时尽量减少围岩暴露在外的时间并及时衬砌，最快恢复洞壁因为土体开挖而解除的部分围岩应力，减少围岩膨胀变形的程度。

5.3 及时加强围岩支护

开挖破坏了围岩的整体性，洞身临空面失去围岩支撑，这是产生隧洞变形的主要影响因素，对此，及时进行膨胀土围岩隧洞支护施工非常关键。

隧洞围岩支护比较适合运用挂网喷锚的方式。其能够尽可能增加支护面积，使其形成一个整体，加强围岩的自承能力。当膨胀压力较大时，通过增大钢拱架型号、减小钢拱架间距、增设底拱等一种或几种方式共同使用等方法加强支护。具体采用何种支护方式可根据现场围岩膨胀强度因地制宜。由于隧洞断面较小，一般设计不设置仰拱，另外隧洞二次衬砌必须等隧洞初支开挖完成之后才能施工，所以建议在膨胀土围岩段支护时，初支衬砌增设底拱，使钢支撑环状封闭，增强钢支撑的支撑强度，在初支完成到二衬施工期间应加强隧洞围岩的收敛变形观测，发现收敛及时尽早整改，以防造成更大的破坏。

5.4 防止围岩湿度变化

膨胀土本身的遇水膨胀、失水收缩的特性加大了施工难度，加上存在地下水发育、地表降水渗透的情况，极易造成土体失稳[1]。对此，开挖完成后必须及时进行混凝土施工，封闭和支护围岩。针对存在地下水渗流的隧洞，可切断水源、加强洞身防、排水措施等来降低浸湿情况。如果发生局部渗流，则利用注浆的方式避免地下水进入洞内和浸湿围岩。

5.5 特殊情况处理措施

膨胀土围岩隧洞地表，特别在浅埋段如出现地裂、地沟等现象，加上地表降水的影响将会破坏隧洞，施工人员对此应加大重视[2]。具体可采取以下两点处理措施：①用三七灰土回填地裂、地沟，以防水流下渗；②加强处理隧道地表排水，将地表水引流到隧道影响范围之外。

隧洞初支完成后，发现围岩收敛变形、洞身净距满足不了设计要求时，应尽快处理变形段，防止围岩进一步膨胀变形、塌方，造成更大的经济损失甚至人员伤亡。主要处理措施有：凿除初支衬砌突出变形部分至几何尺寸符合设计要求，增设钢支撑，然后置换变形的钢支撑。

6 结束语

膨胀土围岩对隧洞施工造成的危害与其固有的地质特性是相辅相成的，只有深入了解并研究其特性与危害，才能有效预防事故的发生。膨胀土围岩隧洞施工的关键在于加强监测、减少围岩扰动、加强和及时封闭支护、预防地表水渗入及洞内的防排水。如果在施工过程中遇到围岩变形急剧增大的现象，首先要确保施工人员及机具的安全，在此基础上对产生的原因进行调查分析并采取有效的处理措施来减少财产损失。

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