膨胀性围岩对隧道施工的影响

费豪

【摘要】文章分析了膨胀土的特性，膨胀性发生于不同阶段对隧道设计施工产生的不同影响，并作出了比较。

【关键词】膨胀性围岩；影响；对比

我国是膨胀土分布十分广泛的国家，如广西、河北、河南、四川、湖北、云南、陕西、安徽、江苏等地均有不同程度的分布。在具有膨胀性的土层中进行隧道开挖，就必须要十分小心膨胀土的吸水情况，做好防范措施，以免发生巨大工程事故。而膨胀土对隧道的影响大致可分为两类，一是在隧道施工前，膨胀土已发挥其膨胀性并对施工产生影响；二是隧道施工完毕后，膨胀土才吸水膨胀对隧道结构产生影响。本文主要从这两方面入手，探讨膨胀土对隧道施工的影响。

1、膨胀土的主要特性

膨胀土是指土中黏土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性黏性土。其膨胀性源自于其内的亲水性矿物，多含有钙质或铁锰质结构，一般呈棕、褐、黄及灰白色，尤以蒙脱石与伊利石为主。

膨胀土质软，抗压强度底，空隙率较大，遇水后表面水膜增厚，颗粒间距增大，造成土体膨胀，若遇阻力将产生较大的膨胀压力，失水后又很快崩解成碎块。

2、膨胀土对隧道施工的影响

（1）膨胀性发生于隧道施工前

由于周围岩体的约束作用，膨胀土吸水后其变形收到限制，那么就会产生较大膨胀压力。一旦进行隧道开挖，围岩的受力状态便会产生变化，由原来的三向受力状态变为二向受力状态，围岩应力重分布，一部分受约束的膨胀变形得以继续进行，这就会导致两种结果，一是围岩变的极不稳定，稍加开挖便导致洞室坍塌，二是围岩在变形的过程中处于动态的自平衡，最终达到稳定状态。

由前已知，膨胀土质软，抗压强度底，吸水后其强度与刚度更是大打折扣，对施工将带来更大的困难。由于坑道下部膨胀岩体的承载力较低，加之坑道上部围岩压力过大，这就易造成坑道产生过大的下沉。并且若在施工过程中土体产生膨胀，此时洞底围岩的上部压力已经解除，当无仰拱支护约束时，极易造成洞底围岩的隆起变形，严重时，甚至能引起洞室坍塌，对施工人员的人身安全造成威胁。

另外膨胀土还有个特性，失水后易崩解成碎块。在开挖隧道结束到支护的完成需要一个过程，这时，表层的裸露岩体易风干脱水，产生收缩裂缝，这也可以引起土中原生裂缝的张开扩大，不仅使围岩变形增大，稳定性降低，也促进了水在围岩内的流通，加大了土体的膨胀，形成一个恶性循环，对整个工程产生危害。

目前膨胀性围岩的隧道结构设计方法主要有两类，一是减轻作用在支护结构上的荷载而容许发生一定位移的柔性结构设计法，二是为了控制松弛而尽可能早地控制位移的刚性结构设计法。当膨胀性发生于隧道施工前时，膨胀土在周围岩土体的约束下已经产生了一部分的变形，当开挖后，由于围岩的动态自平衡又释放了一部分变形，致使围岩在已有的自平衡下短期内不会再产生过大的变形，而由于膨胀土的吸水，致使其强度应力比变的极低，流变性显著，已有的自平衡就变的很不稳定，通常提前施作大刚度衬砌来控制隧道变形，但时机非常重要，应考虑将围岩压力大部分释放，衬砌围岩压力分担比例降低到总压力的70%以下，并且在考虑围岩蠕变、结构耐久性和可靠性前提下，对理论及现场检测进行综合分析以確定。

综上所述，膨胀性发生于施工前时，对施工和设计均带来了很大的困难。

（2）膨胀性发生于隧道施工后

隧道施工完成后，由于地下水位的改变或地表水的浸湿等原因，导致膨胀性围岩吸水膨胀，这种膨胀受到支护结构的约束，反过来给支护结构一个较大的膨胀压力。在这种膨胀性来临之前，支护结构与围岩的相互作用与普通围岩一样，膨胀压力的产生，增大了支护结构的受力，降低了结构安全性，水的存在，也能对支护结构产生腐蚀作用，降低耐久性。

那么此类设计的关键就在于控制围岩的湿度变化，在有地下水渗流时，应加强隧道整体的防、排水措施，有条件时尽量截断水源或引流使其绕过隧道，在雨量较大的地区，为防止地表水的过度浸湿，应在地表开挖排水沟，及时将其引走。

另外，考虑到膨胀土的变形，设计时应考虑采取含柔性变形层的支护结构，一旦膨胀性来临，允许其发生一部分变形，这样可以降低围岩作用于支护结构上的荷载，增加安全性。

综上所述，膨胀性发生于施工后时，对隧道的整体结构会产生较大的不利影响，但设计时可以采取相应的防范措施避免之，在较干燥的环境下施工也更为方便。

3、结束语

从以上的分析中可看出，膨胀性发生于施工前，对设计、施工均带来更大的困难，对人力财力的耗费都要大的多。

由于膨胀土的种种特性，在进行膨胀性围岩隧道施工时，应对当地地质水文情况作准确的调查，并根据现有的技术手段，结合前人的经验教训来进行设计与施工。

参考文献：

[1]. 李国良 朱永全 乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术

[2].张治国 不良和特殊地质地段隧道施工的处理措施