张建斌

(中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 工程概况

济青高铁机场隧道工程位于鲁东地段的胶莱凹陷区，该区段褶皱、断裂构造不发育，总体为倾向南西的单斜构造。隧道洞身以泥岩及泥质砂岩为主，泥岩中夹泥质砂岩、砂岩，具有中等膨胀潜势，局部地段地下水发育。

在隧道施工过程中，基坑施工引起地层诱发新的裂隙，为地下水的运移提供了有利条件，而在隧道建成以后，地下水渗入隧道两侧及仰拱地层，泥岩及泥质砂岩就会出现体积膨胀，从而对隧道结构产生附加的膨胀力，对隧道结构产生不利影响。因此，有必要对隧道建成以后周边地层浸水膨胀作用对隧道安全性的影响进行研究。

2 膨胀土力学性质分析

2.1 计算方法选定

含水率变化是影响膨胀土力学性质的主要因素，目前大多数研究者对膨胀性问题的研究主要通过含水率的变化，改变土体的强度参数粘聚力和摩擦角来研究膨胀问题，但是上述研究方法主要还是考虑重力场的作用，并不能有效地体现膨胀土向各个方向的膨胀力学特性。

土中含水率的变化影响了膨胀力的作用效果，因此通过瞬态渗流分析模拟区域土体内的含水率的变化，确定膨胀土围岩的膨胀力作用情况。考虑到渗流问题的控制方程与温度场热传导的控制方程在数学形式上相似，并且膨胀土吸水后产生体积膨胀与材料温度升高产生的体积膨胀效应类似，所以利用温度场热传导问题的热膨胀特性可以很好地模拟膨胀土的膨胀特性[1-5]。

由于温度场的热膨胀性质与膨胀土遇水膨胀的性质的数学表述一致，通过参数换算就可借助于温度场来模拟湿度场，通过热-力耦合分析，从而得到土体中湿度变化时膨胀土变形受力特性[6-7]。

基于膨胀土的力学特性，决定采用温度应力场模拟膨胀土增湿产生的湿度应力场，运用有限差分软件热-力耦合模块进行计算[8-9]。

2.2 计算内容

膨胀性泥岩的工程力学特性与地表水入渗相关，结合现场工程实践对局部膨胀性泥岩隧道研究，不考虑土体填埋施作过程，主要针对隧道开挖衬砌施作完毕后，膨胀性泥岩局部(隧道边墙及仰拱)遇水发生膨胀作用对衬砌结构受力及变形的影响。主要研究膨胀性泥岩浸水膨胀出现在隧道边墙及仰拱位置时，不同的膨胀力下对衬砌的影响，研究围岩、衬砌的受力和变形规律，进而提出针对膨胀性泥岩地层隧道在施工阶段可以采取的应对技术措施。

2.3 膨胀力的确定

基于其他类似工程实践可借鉴的考虑，本工程具膨胀性潜势泥岩的膨胀力确定，主要依据膨胀土黏性矿物含量、自由膨胀率、初始含水率试验。通过工程类比，结合现场监测试验，按照泥岩及泥质砂岩具有中等膨胀潜势，确定计算膨胀力为:50、100、150、200、250、300 kPa。

2.4 计算工况

选取衬砌施作及土方回填完毕的隧道进行计算分析，取纵向计算长度3 m。因为明挖施工，隧道拱部上方采用三七灰土进行回填，拱部以上地层不会出现膨胀。在下面的分析中，仅分析膨胀区分别位于隧道边墙及仰拱处两种工况，主要分析在膨胀力作用下隧道结构典型位置处的应力的变化特征，包括拱顶、拱腰、墙中、仰拱中部和两侧墙脚。

2.5 计算结果分析

(1)泥岩未膨胀时衬砌应力

为了更加客观反映泥岩局部膨胀对隧道衬砌内力的影响，首先进行泥岩未膨胀时隧道衬砌内力模拟，可以得知:由于隧道埋深浅，上覆土体荷载小，且隧道结构尺寸大，强度等级高，因而衬砌应力较小。

(2)墙腰处泥岩局部膨胀衬砌内力分析

具膨胀潜势的泥岩地层局部浸水膨胀出现在隧道墙腰位置时，隧道衬砌结构不同位置处最大主应力随膨胀力变化曲线如图1所示。

图1 墙腰局部膨胀下不同位置处最大主应力随膨胀力变化

从图1可以看出:随着隧道边墙处局部膨胀压力的增加，仰拱中部应力变化最大，由最初受拉状态变化为受压状态，由于混凝土结构抗压强度远远大于抗拉强度，实质上墙腰处局部膨胀对仰拱中受力改善有利；除了拱顶处的应力随着膨胀力增加变化幅度很小外，其他位置都有一定响应，以仰拱中最突出，墙中、墙脚、拱腰其次，但是对墙中影响最大，墙中随着膨胀力的增加由受压状态变为受拉状态，且最大拉应力一直增加，当膨胀压力为300 kPa时，其拉应力为0.12 MPa。

(3)仰拱处泥岩局部膨胀衬砌内力分析

具膨胀潜势的泥岩地层局部浸水膨胀出现在隧道仰拱位置时，不同位置处最大主应力随膨胀力变化曲线如图2所示。

图2 仰拱局部膨胀下不同位置处最大主应力随膨胀力变化

从图2可以看出:两墙脚处最大主应力随膨胀力变化数值及趋势几乎相同，趋势成线性增加，从趋势上可以看出仰拱处局部膨胀对墙脚危害最大；墙脚和拱顶处随膨胀力增加，一直处于拉应力状态，而拱腰和墙中处一直处于压应力状态；拱顶处拉应力和墙中压应力随膨胀力增加均增加，但是增幅略小。在仰拱下地层出现浸水膨胀时，墙脚处受影响最大，其次是拱顶部位，拉应力最大值也仅有0.31 MPa。

3 避免隧道外侧出现膨胀的工程技术措施

通过局部浸水膨胀对整体衬砌结构的影响计算分析，结合现场工程实践，针对隧道周边地层局部浸水膨胀对隧道衬砌结构的影响，在施工中可以采取相关合适的工程措施以减轻或避免衬砌出现过大变形和产生过大应力。

3.1 地表防渗

加强对地表水的防治，通过回填不透水三七土，修建沟槽引离地表水，并对明显的节理、裂隙进行注浆充填，截断地表水向地下渗流的通道，避免地表水渗入地层。

3.2 隧道周边纵向分区分隔处理

采用袖阀管对膨胀地层隧道变形缝、施工缝位置进行注浆，形成隔水注浆墙，沿隧道纵向进行分区排水，施工缝处分隔墙宽度1.0 m，变形缝处宽2 m，横向处理深度自围护结构向外3.0 m，竖向深度为回填设计高程至基坑底部以下4 m范围，仰拱底部在仰拱施工前施作。通过排水分区设置，膨胀岩即使出现病害，也仅仅出现在局部地段，将病害限制在一个小的范围内。分区排水示意如图3所示。

图3 分区排水示意

注浆采用袖管后退式注浆的方法进行，浆液以渗透-劈裂方式扩散，扩散半径1～1.5 m，每个施工单位注浆范围，基坑左右侧沿带宽各设置2个注浆孔，竖向孔间距1 m，基坑内基底设置单排注浆孔，孔间距1.5 m，注浆检查孔每10 m设置3个，用于检查注浆效果。

(1)钻孔

根据设计图纸要求放线定位，用竹签做好标记。用地质钻机就位，调整钻杆垂直度，钻孔施工过程中用优质泥浆，如膨润土造浆护壁，钻孔孔径为90 mm。

(2)插入袖阀管

袖阀管外径50 mm，每节33 cm，注浆管设6个直径8 mm的溢浆孔，用抗爆破压力4.5 MPa的橡胶套包裹溢浆孔，浆液可以通过溢浆孔进入底层，而底层中的水和颗粒难以进入注浆管中，从而达到单向阀的作用[10-11]。袖管安装完成后采用水泥砂浆进行封孔固管止浆。

(3)注浆

连接注浆管，注浆由下向上分段进行。浆液采用普通水泥浆，水灰比0.8～1∶1。注浆时，注浆压力控制2～3 MPa，当发现有地面冒浆或压力骤升时停止注浆，并查明原因，若为浆液注满即可进行下一孔施工。

注浆采用跳孔法施工，施工时隔1孔施工，相邻两孔注浆时间间隔不小于48 h，待先期施工的注浆体具有一定强度后返回进行剩余孔施工。注浆施工时注意做好标记，并编好孔号，以防遗漏。

3.3 结构局部加强措施

为防止后期膨胀引起的不利变形，如果已经通过地质勘查明确了膨胀土的位置，在此处衬砌结构应该局部加强。对具膨胀性岩地层不应按一般常规方法判定其围岩类别，应视具体情况综合判断，适当降低围岩类别，以便从工程结构上予以加强[12]。

3.4 监控量测措施

针对局部膨胀区域除进行收敛变形等常规项目外，应结合围岩压力、衬砌内力以及围岩内部多点位移计等项目进行综合监控，全面了解围岩变形和结构受力情况；对监测的围岩压力可以和现场室内试验初步测得膨胀压力进行对比，提前采取结构措施。

4 结论

通过分析膨胀围岩对结构的作用，采用温度升高物体膨胀的热力学效应原理，结合工程实践，对隧道不同部位局部膨胀对结构的受力影响进行了数值计算分析，得到主要结论如下:

(1)处于局部膨胀区域的衬砌结构应力集中明显，且随着膨胀力增加几乎呈线性增加，但应力值较小。靠近膨胀区处的结构和拱顶部位受影响较大，其他位置处的应力受影响较小。由于结构截面尺寸大及材料强度高，在隧道周边局部浸水膨胀时对隧道结构的影响是有限的，隧道结构是安全的。

(2)针对泥岩及泥质砂岩的膨胀特性，结合数值计算分析结果，提出了相应的工程措施，即重视勘察和室内力学试验，地表防渗，纵向分区分隔处理，改善或加强结构薄弱部位，发挥监控量测主导作用。