膨脹性圍巖隧道

膨脹性圍巖隧道施工膨脹巖具有吸水膨脹的特性，其工程地質(zhì)特征不同于一般圍巖，而具有特殊性和復(fù)雜性，是當(dāng)今巖石力學(xué)領(lǐng)域中難題之一。在此環(huán)境中修建隧道，多發(fā)生洞內(nèi)圍巖膨脹突出、支撐變形、坍塌、襯砌開裂等現(xiàn)象，據(jù)此需確定膨脹性圍巖的分級(jí)以及判定標(biāo)準(zhǔn)、開挖、支護(hù)、防排水、二次襯砌以及監(jiān)控量測等方法及手段。8.1膨脹性圍巖分類根據(jù)產(chǎn)生膨脹的原因，分為三種類型，即吸水膨脹、風(fēng)化膨脹和應(yīng)力釋放引起的膨脹。吸水膨脹：含有蒙脫石、高嶺土等粘土礦物的軟巖、變質(zhì)巖等巖層，吸水后會(huì)呈現(xiàn)明顯的膨脹性。風(fēng)化膨脹：隧道開挖后圍巖接觸外界空氣引起風(fēng)化現(xiàn)象，隨著巖石的剝落、崩壞而發(fā)生膨脹性。地應(yīng)力釋放引起的膨脹：在地應(yīng)力、地形和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用下，而使巖層內(nèi)部形成地應(yīng)力，由于隧道開挖而得到釋放，當(dāng)?shù)貞?yīng)力大而圍巖強(qiáng)度低時(shí)，則隧道會(huì)出現(xiàn)膨脹圍巖壓力。8.2膨脹性圍巖判別標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《鐵路膨脹巖技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，膨脹巖按其膨脹性的大小可劃分為弱膨脹巖、中等膨脹巖、強(qiáng)膨脹巖三級(jí)。只要符合表8.1中的任兩項(xiàng)指標(biāo)即可進(jìn)行定級(jí)。表8.1膨脹巖的分級(jí)指標(biāo)表指標(biāo)分級(jí)極限膨脹力(KPa)極限膨脹率(V,)干燥飽和吸水率叫自由膨脹率(Fs)弱膨脹巖10030031510 3030 50中膨脹巖30050015 3030 5050 70強(qiáng)膨脹巖>500>30>50>70&3開挖方法遵循新奧法原理，運(yùn)用錨噴支護(hù)，支護(hù)體系盡早封閉成環(huán)，重視仰拱作用，加強(qiáng)防排水，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)和爆破時(shí)間等手段是進(jìn)行膨脹巖隧道施工的有效途徑。831開挖方法由于膨脹巖隧道的特點(diǎn)，開挖盡量以最大限度地減少對(duì)圍巖不擾動(dòng)為原則，選用鉆爆法開挖，宜一次成型(全斷面開挖)；當(dāng)一次成型有困難時(shí)采用分部開挖，如臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法等，采用分部開挖時(shí)，各開挖工序的各個(gè)階段必須保持穩(wěn)定。831.1臺(tái)階法分上下兩個(gè)臺(tái)階，斷面分塊少，互相干擾也小，臺(tái)階長一般采用<11.5倍隧道開挖寬度。錨噴支護(hù)能盡快封閉圍巖，可有效地控制上臺(tái)階圍巖變形。如拱部斷面扁平則受力不利，尤其開挖下臺(tái)階時(shí)，拱腳噴層懸空，將引起拱部圍巖和支護(hù)下沉，拱腳向洞內(nèi)變形，施工時(shí)采用臨時(shí)仰拱或橫撐將拱腳頂緊，形成拱部臨時(shí)封閉結(jié)構(gòu)，防止拱部過大變形。為減少對(duì)裝碴運(yùn)輸?shù)母蓴_和便于拆除，臨時(shí)仰拱宜采用噴射混凝土、型鋼或拼裝式結(jié)構(gòu)。當(dāng)圍巖自穩(wěn)性能差，初期支護(hù)需盡早閉合，宜采用超短臺(tái)階法施工，臺(tái)階長宜<35m

若隧道斷面大，采用多臺(tái)階法施工。臺(tái)階法施工參見圖8-1。831.2側(cè)壁導(dǎo)坑法運(yùn)用該方法可防止拱部支圖8-1臺(tái)階法施工示意圖護(hù)下沉，尤其在淺埋、大跨、圖8-1臺(tái)階法施工示意圖陷更為有效，但缺點(diǎn)是開挖左右導(dǎo)坑、擴(kuò)大、挖底等分塊過多，圍巖受多次開挖擾動(dòng)，而引起巖體松馳，且全斷面閉合時(shí)間較長，易產(chǎn)生邊墻向洞內(nèi)變形和底鼓，對(duì)此選用長錨桿和臨時(shí)仰拱的辦法解決。側(cè)壁導(dǎo)坑法施工參見圖8-2。831.3拱腳側(cè)導(dǎo)坑臺(tái)階法在拱腳附近開挖超前小導(dǎo)坑，并迅速用混凝土將其填好，使坑道相互干擾小， 可縮支撐且混凝土塊可以防止側(cè)壁擠入和 二二2拱部支護(hù)下沉。但導(dǎo)坑內(nèi)回填的混J\\二TOC\o"1-5"\h\z7ff ft M \ \\1pf * J1 ! 里凝土需部分鑿除，混凝土塊未鑿除一”丨 計(jì) 楓廣〔;二JI I 4a| j1.■*1\1 II I丿廠前，導(dǎo)坑無法繼續(xù)前進(jìn)。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—開挖順序圖8-2側(cè)壁導(dǎo)坑法示意圖慢、造價(jià)高，在膨脹壓力很大時(shí)才考慮采用拱腳側(cè)壁導(dǎo)坑臺(tái)階法施工參見圖8-3。832預(yù)留變形量膨脹巖隧道開挖斷面應(yīng)預(yù)留變形量，其量值視膨脹巖性質(zhì)、埋深、施工方法、支護(hù)條件等，錨桿L=6.0m1他yr拱腳側(cè)壁導(dǎo)坑臺(tái)階法施工參見圖8-3。832預(yù)留變形量膨脹巖隧道開挖斷面應(yīng)預(yù)留變形量，其量值視膨脹巖性質(zhì)、埋深、施工方法、支護(hù)條件等，錨桿L=6.0m1他yr鮎3根1.0.7m噴混凝土圖8-3拱腳側(cè)導(dǎo)坑臺(tái)階法示意圖200H123開挖順序采用工程類比法確定；也可按表8-2選用。表8-2預(yù)留變形量分 級(jí)弱膨脹巖中等膨脹巖強(qiáng)膨脹巖預(yù)留變形量（cm）1015>20汪：強(qiáng)膨脹巖應(yīng)由計(jì)算確定，但不得小\于20cm8.3.3鉆爆法開挖米取的技術(shù)措施在膨脹性圍巖中爆破時(shí)，應(yīng)盡量減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。為減少爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，米取下列措施：短進(jìn)尺、多循環(huán)、光面爆破和預(yù)裂爆破；土質(zhì)或軟弱圍巖采用人工配合風(fēng)鎬開挖；開挖斷面盡量圓順，中間部分采用鉆爆法開挖，周邊則采用風(fēng)鎬開挖，盡量減少爆破震動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響；為減少水對(duì)圍巖的作用，采用無水鉆爆作業(yè)，用電鉆打眼；采用分部開挖時(shí)，必須堅(jiān)持各開挖工序的各個(gè)階段的穩(wěn)定性；設(shè)臵吸能變形層。8.4膨脹巖隧道的支護(hù)采用新奧法原理，膨脹巖的支護(hù)遵循以下原則：在不使圍巖喪失極限平衡和失穩(wěn)條件下，允許圍巖有足夠變形；支護(hù)變形特征適應(yīng)圍巖膨脹速率的變化；支護(hù)變形特征適應(yīng)圍巖膨脹收斂持續(xù)時(shí)間。膨脹巖隧道的初期支護(hù)由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架或可縮式鋼支撐等組成，必要時(shí)在噴射混凝土內(nèi)加入鋼纖維或增設(shè)鋼筋網(wǎng)。為了保證結(jié)構(gòu)的完整性，并能抵抗膨脹巖的底鼓力，要求膨脹巖隧道的鋼架采用封閉型鋼架，在膨脹壓力較大的隧道中多數(shù)采用可縮式鋼架，但也使用格柵鋼架，因?yàn)樗袖摬睦幂^合理、與混凝土粘結(jié)牢的特點(diǎn)。841支護(hù)參數(shù)初期支護(hù)參數(shù)的大小，根據(jù)設(shè)計(jì)或以往類似的經(jīng)驗(yàn)確定。參照表8-3單線膨脹巖隧道初期支護(hù)參數(shù)表及表8-4雙線膨脹巖隧道初期支護(hù)參數(shù)表。表8-3單線膨脹巖隧道初期支護(hù)參數(shù)表支護(hù)參數(shù)圍巖級(jí)別錨 桿噴混凝土鋼架長度（m）間距（m）厚度（cm）間距（m）弱膨脹巖>3.01.0101.0中等膨脹巖350.8150.75強(qiáng)膨脹巖>50.5200.5（可縮式）表8-4雙線膨脹巖隧道初期支護(hù)參數(shù)表支護(hù)參數(shù)圍巖級(jí)別錨 桿噴混凝土鋼架長度（m）間距（m）厚度（cm）間距（m）弱膨脹巖>4.01.0151.0中等膨脹巖460.8200.75強(qiáng)膨脹巖>60.5250.5842支護(hù)作業(yè)技術(shù)措施弱膨脹圍巖采用封閉形鋼架，宜采用U型型鋼或格柵鋼架。可縮式鋼架采用滑動(dòng)節(jié)的個(gè)數(shù)與整個(gè)布點(diǎn)活動(dòng)量來滿足膨脹巖的膨脹量與約束量?？煽s鋼架伸縮節(jié)在工廠制作，經(jīng)試壓、緊固方可用于工程。噴射混凝土應(yīng)分段由下而上依次進(jìn)行，分層施作，層間間隔依變形要求來控制或采用隧道縱向預(yù)留變形縫來適應(yīng)膨脹巖變形。可拆換支護(hù)背板的總壓縮量，應(yīng)與預(yù)留變形量相一致。網(wǎng)噴混凝土施工，一般先噴一層約4cm厚混凝土，并安設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后再補(bǔ)噴到設(shè)計(jì)的厚度；兩層鋼筋網(wǎng)時(shí)，當(dāng)?shù)谝粚愉摻罹W(wǎng)的覆蓋小于3cm后，再加設(shè)第二層網(wǎng)，并補(bǔ)噴至設(shè)計(jì)厚度。在滲水地段，先及時(shí)引、排水，然后變更混凝土配合比，使噴射混凝土與圍巖面粘合。在涌水地段噴混凝土?xí)r，應(yīng)首先采用注漿堵水，必要時(shí)實(shí)施引排，然后施作噴射混凝土。8.4.3預(yù)防底鼓的技術(shù)措施選取合理的仰拱拱形，并及時(shí)施作仰拱，使支護(hù)襯砌及早形成閉合結(jié)構(gòu)，以增加襯砌的整體剛度，同時(shí)防止水流浸泡基底，以控制邊墻變形和底鼓現(xiàn)象。底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重的層狀巖石，采用長錨桿加固底部圍巖，尤其在應(yīng)力集中、塑性區(qū)大的墻腳附近，可提高節(jié)理裂隙面上的抗剪強(qiáng)度和巖體的整體剛度；在松散破碎圍巖可采用注漿加固底層，以增加巖體的強(qiáng)度和整體性，減少膨脹壓力和底鼓。做好隧底的防排水工作，不讓水浸泡底部圍巖，防止圍巖軟化和膨脹844支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)與輔助技術(shù)措施針對(duì)膨脹巖隧道施工中開挖面失穩(wěn)、支撐下沉、斷面擠入、襯砌開裂破壞等現(xiàn)象，處理措施如下：穩(wěn)定開挖面，在開挖面噴混凝土并設(shè)臵錨桿，設(shè)超前錨桿等。加強(qiáng)基腳，向底部地層注漿加固，向兩側(cè)打底部錨桿，支撐加底板及橫向肋，或設(shè)臨時(shí)仰拱。防止邊墻擠入、底部上鼓，在兩側(cè)邊墻增打長錨桿，錨桿長度要超過圍巖塑性區(qū)范圍；設(shè)底部橫撐、打底部錨桿；修筑仰拱；縮短臺(tái)階長度，及早閉合；下半斷面、仰拱同時(shí)施工；設(shè)縱向伸縮縫；采用可縮性支撐。防止開裂采用鋼纖維混凝土，設(shè)加強(qiáng)鋼筋，設(shè)縱向伸縮縫。膨脹巖隧道施工中的不利現(xiàn)象與處理措施參見表8-5表8-5膨脹巖隧道施工中的現(xiàn)象與措施序號(hào)工程名稱施工中的現(xiàn)象措施A（比較簡單的變動(dòng)就可解決的措施）措施B（包括增加支撐構(gòu)件在內(nèi)需采取較大變動(dòng)的措施）1幵挖面及其附近圍MU1巖開挖正面不穩(wěn)定縮短次掘進(jìn)長度；開挖時(shí)保留核心土；對(duì)開挖正面進(jìn)行噴混凝土；超前插板或管棚。減小導(dǎo)坑尺寸；采取穩(wěn)定開挖面的方法（如開挖面加錨桿）進(jìn)行地質(zhì)改良。圍巖承載力不足下沉量大開挖盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；增加基腳部噴混凝土的厚度以增大承載面積。增加錨桿；縮短臺(tái)階開挖長度及早閉合支護(hù)環(huán)；用噴混凝土做臨時(shí)仰拱；進(jìn)行地層改良。發(fā)生底鼓及早噴射仰拱混凝土在仰拱處增打錨桿縮短臺(tái)階長度，盡早閉合支護(hù)環(huán)；采取短臺(tái)階（超短臺(tái)階）用正反仰拱

2噴射混凝土噴射混凝土脫離甚至坍塌開挖后及早噴射混凝土；加鋼絲網(wǎng)增加噴層厚度。增打錨桿或加長錨桿噴射混凝土中應(yīng)力增大產(chǎn)生裂紋和剪切加鋼絲網(wǎng)在噴層中設(shè)縱向伸縮縫；噴射鋼纖維混凝土。增加或加長錨桿；采用可縮性支撐。3錨桿軸力增大錨桿斷裂增加錨桿采取大承載力的錨桿。4鋼架可縮性鋼架變形量超過允許值或產(chǎn)生屈服破壞增加或加長錨桿;設(shè)縱向伸縮縫；另加H型剛拱架縮短拱架排距。5圍巖內(nèi)變位圍巖內(nèi)變形增大松弛異常增大縮短從開挖到支護(hù)的時(shí)間；提早錨桿安設(shè)時(shí)間；減少鉆爆開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)。增長錨桿；設(shè)縱向伸縮縫；用短臺(tái)階或臨時(shí)仰拱法交替施工;背后注漿。6內(nèi)凈空變位內(nèi)凈空變位增大變形速率增大縮短從開挖到支護(hù)的時(shí)間；提早錨桿安設(shè)時(shí)間；縮短臺(tái)階、仰拱的一次開挖長度；在噴射混凝土開裂時(shí)設(shè)縱向伸縮縫 增加或加長錨桿；盡早成環(huán)；用短臺(tái)階或臨時(shí)仰拱法交替施工;變更開挖方法。8.5防排水施工水是膨脹性圍巖地下工程產(chǎn)生病害的主要根源，圍巖含水量的變化直接使其強(qiáng)度和體積發(fā)生變化，即使很少的水，依然可加速圍巖的坍塌。膨脹巖地段的防、排水，堅(jiān)持以防為主，防、堵、截、排相結(jié)合的原則，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀?、水文、地質(zhì)，因地制宜地進(jìn)行。防及時(shí)施作錨噴閉合支護(hù)，封閉暴露圍巖，防止施工用水和水汽浸入巖體。隧道淺埋地段的地表低洼處必須填平，小河溝（槽）采用漿砌封閉，控制地表水下滲。堵在有水地段，如斷層破碎帶、節(jié)理發(fā)育、地下水豐富地段，采用全斷面預(yù)注漿圭寸堵。截邊坡、仰坡、坡頂天溝、截水溝等要保證其截排能力良好并設(shè)臵防下滲設(shè)施；控制洞外路塹水不得向隧道內(nèi)排放。排對(duì)洞內(nèi)滲漏水點(diǎn)，及時(shí)施作盲溝或采用彈性軟式透水管，將水歸入溝槽，匯集排入洞內(nèi)水溝；隧道兩端（包括明洞）設(shè)臵系統(tǒng)完善、功能良好的排水設(shè)施。洞內(nèi)設(shè)專用防滲漏排水溝、槽，嚴(yán)禁在巖體上直接挖溝排放；洞內(nèi)永久排水系統(tǒng)必須暢通，確保使用。8.6監(jiān)控量測準(zhǔn)確掌握膨脹巖隧道通過地段的地質(zhì)和水文情況是困難的，在施工期間加強(qiáng)施工監(jiān)測，能對(duì)圍巖和支護(hù)情況作出正確評(píng)價(jià)，并反饋于設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)、施工提供安全、經(jīng)濟(jì)的依據(jù)。8.6.1監(jiān)控量測項(xiàng)目工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、取樣試驗(yàn)及支護(hù)狀況的觀察；隧道周邊位移；襯砌內(nèi)力，見表8-6。表8-6監(jiān)控量測項(xiàng)目表序號(hào)監(jiān)測項(xiàng)目測試方法和儀表測試精度備 注1凈空變化隧道凈空變化測定儀（收斂計(jì)）0.1mm—般進(jìn)行水平收斂量測2拱頂下沉水準(zhǔn)測量的方法，水準(zhǔn)儀、鋼尺1mm3隧底隆起水準(zhǔn)測量的方法，水準(zhǔn)儀、塔尺1mm4噴混凝土受力混凝土應(yīng)變計(jì)10

5錨桿桿體應(yīng)力鋼筋計(jì)O.IMPa6—次襯砌內(nèi)應(yīng)力混凝土應(yīng)變計(jì)O.IMPa注：H）--隧道埋深；b--隧道最大開挖寬度。862量測斷面間距及每斷面測點(diǎn)數(shù)見表8-7表8-7量測斷面間距及每斷面測點(diǎn)數(shù)圍巖級(jí)別斷面間距（m）每斷面測點(diǎn)數(shù)量凈空變化拱頂下沉VW5101 2條基線1 3點(diǎn)IV10 301條基線1點(diǎn)出30 501條基線1點(diǎn)注：洞□、斷層破碎帶、淺埋地段斷面間距取最小值凈空變化、拱頂下沉量測在每次開挖后12h內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得大于24h,且在下一循環(huán)開挖前必須完成863量測頻率量測項(xiàng)目的量測頻率根據(jù)位移速度和量測斷面距離開挖面距離按表8-8、8-9確定，當(dāng)按表8-8、表8-9選擇量測頻率出現(xiàn)較大差異時(shí)，取量測頻率較高的作為實(shí)施的量測頻率。表8-8量測頻率（按位移速度）位移速度（mm/d量測頻率>52次/d151次/d0.5 11次/23d0.2 0.51次/3d<0.21次/7d表8-9量測頻率（按距開挖工作面距離）量測斷面距開挖工作面距離（m）量測頻率(0 1)b2次/d(1 2)b1次/d(25)b1次/23d>5b1次/7d各項(xiàng)量測作業(yè)均持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后23周結(jié)束8.6.4量測數(shù)據(jù)整理與分析

圍巖穩(wěn)定性的綜合判別，根據(jù)量測結(jié)果按下列指標(biāo)進(jìn)行：8.641實(shí)測最大位移值或回歸預(yù)測最大位移值不應(yīng)大于表8-10和表8-11所列指標(biāo)，并按表8-12變形管理等級(jí)指導(dǎo)施工。表8-10單線隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移(%圍巖級(jí)別埋深(m)<5050~300300~500拱腳水平相對(duì)凈空變化值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拱頂相對(duì)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、硬巖取下限，軟巖取上限；2、拱腳水平相對(duì)凈空變化指兩測點(diǎn)間凈空水平變化值與其距離之比;拱頂相對(duì)下沉是指拱頂下沉值減去隧道下沉值后與原拱頂至隧底高度至比；3、墻腰水平相對(duì)凈空變化極限值可按拱腳水平相對(duì)凈空變化值乘以 1.21.3表8-11雙線隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移(%圍巖級(jí)別埋深(m)<5050~300300~500拱腳水平相對(duì)凈空