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)造運動等作用下，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)力大而圍巖強度低時，則隧道會出現(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、強膨脹巖三級。只要符合表8.1中的任兩項指標(biāo)即可進(jìn)行定級。表8.1膨脹巖的分級指標(biāo)表指標(biāo)分級極限膨脹力(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強膨脹巖>500>30>50>70&3開挖方法遵循新奧法原理，運用錨噴支護(hù)，支護(hù)體系盡早封閉成環(huán)，重視仰拱作用，加強防排水，減少對圍巖的擾動和爆破時間等手段是進(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，開挖盡量以最大限度地減少對圍巖不擾動為原則，選用鉆爆法開挖，宜一次成型(全斷面開挖)；當(dāng)一次成型有困難時采用分部開挖，如臺階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法等，采用分部開挖時，各開挖工序的各個階段必須保持穩(wěn)定。831.1臺階法分上下兩個臺階，斷面分塊少，互相干擾也小，臺階長一般采用<11.5倍隧道開挖寬度。錨噴支護(hù)能盡快封閉圍巖，可有效地控制上臺階圍巖變形。如拱部斷面扁平則受力不利，尤其開挖下臺階時，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，施工時采用臨時仰拱或橫撐將拱腳頂緊，形成拱部臨時封閉結(jié)構(gòu)，防止拱部過大變形。為減少對裝碴運輸?shù)母蓴_和便于拆除，臨時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，宜采用超短臺階法施工，臺階長宜<35m

若隧道斷面大，采用多臺階法施工。臺階法施工參見圖8-1。831.2側(cè)壁導(dǎo)坑法運用該方法可防止拱部支圖8-1臺階法施工示意圖護(hù)下沉，尤其在淺埋、大跨、圖8-1臺階法施工示意圖陷更為有效，但缺點是開挖左右導(dǎo)坑、擴大、挖底等分塊過多，圍巖受多次開挖擾動，而引起巖體松馳，且全斷面閉合時間較長，易產(chǎn)生邊墻向洞內(nèi)變形和底鼓，對此選用長錨桿和臨時仰拱的辦法解決。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 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、造價高，在膨脹壓力很大時才考慮采用拱腳側(cè)壁導(dǎo)坑臺階法施工參見圖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 級弱膨脹巖中等膨脹巖強膨脹巖預(yù)留變形量（cm）1015>20汪：強膨脹巖應(yīng)由計算確定，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，應(yīng)盡量減小對圍巖的擾動。為減少爆破震動對圍巖的擾動，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，盡量減少爆破震動對圍巖穩(wěn)定的影響；為減少水對圍巖的作用，采用無水鉆爆作業(yè)，用電鉆打眼；采用分部開挖時，必須堅持各開挖工序的各個階段的穩(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，因為它有鋼材利用較合理、與混凝土粘結(jié)牢的特點。841支護(hù)參數(shù)初期支護(hù)參數(shù)的大小，根據(jù)設(shè)計或以往類似的經(jīng)驗確定。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?？煽s式鋼架采用滑動節(jié)的個數(shù)與整個布點活動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?？刹饟Q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)，然后再補噴到設(shè)計的厚度；兩層鋼筋網(wǎng)時，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)，并補噴至設(shè)計厚度。在滲水地段，先及時引、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，必要時實施引排，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)補強與輔助技術(shù)措施針對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；縮短臺階長度，及早閉合；下半斷面、仰拱同時施工；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)象與措施序號工程名稱施工中的現(xiàn)象措施A（比較簡單的變動就可解決的措施）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；開挖時保留核心土；對開挖正面進(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圍巖的擾動；增加基腳部噴混凝土的厚度以增大承載面積。增加錨桿；縮短臺階開挖長度及早閉合支護(hù)環(huán)；用噴混凝土做臨時仰拱；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階長度，盡早閉合支護(hù)環(huán)；采取短臺階（超短臺階）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)的時間；提早錨桿安設(shè)時間；減少鉆爆開挖對圍巖的擾動。增長錨桿；設(shè)縱向伸縮縫；用短臺階或臨時仰拱法交替施工;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)的時間；提早錨桿安設(shè)時間；縮短臺階、仰拱的一次開挖長度；在噴射混凝土開裂時設(shè)縱向伸縮縫 增加或加長錨桿；盡早成環(huán)；用短臺階或臨時仰拱法交替施工;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。排對洞內(nèi)滲漏水點，及時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，在施工期間加強施工監(jiān)測，能對圍巖和支護(hù)情況作出正確評價，并反饋于設(shè)計，為設(shè)計、施工提供安全、經(jīng)濟(jì)的依據(jù)。8.6.1監(jiān)控量測項目工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、取樣試驗及支護(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)控量測項目表序號監(jiān)測項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）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10

5錨桿桿體應(yīng)力鋼筋計O.IMPa6—次襯砌內(nèi)應(yīng)力混凝土應(yīng)變計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數(shù)見表8-7表8-7量測斷面間距及每斷面測點數(shù)圍巖級別斷面間距（m）每斷面測點數(shù)量凈空變化拱頂下沉VW5101 2條基線1 3點IV10 301條基線1點出30 501條基線1點注：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，取量測頻率較高的作為實施的量測頻率。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變形管理等級指導(dǎo)施工。表8-10單線隧道初期支護(hù)極限相對位移(%圍巖級別埋深(m)<5050~300300~500拱腳水平相對凈空變化值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、拱腳水平相對凈空變化指兩測點間凈空水平變化值與其距離之比;拱頂相對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、墻腰水平相對凈空變化極限值可按拱腳水平相對凈空變化值乘以 1.21.3表8-11雙線隧道初期支護(hù)極限相對位移(%圍巖級別埋深(m)<5050~300300~500拱腳水平相對凈空