地质环境与公路隧道工程技术.docx

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1、地质环境与公路隧道工程技术地质环境与公路隧道工程技术 在修建隧道中，常遇到一些特殊地质地段。如膨胀土围岩、软土、溶洞、断层、红层软岩、岩堆等，在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道受压支撑变形，衬砌结构断裂和各种工程问题，严重影响施工进度、安全和质量。 本章将讲述一些在特殊地质条件下的隧道建设技术，以便在隧道建设中起到一定参考作用。 隧道通过特殊地质地段施工时应注意以下几点： 施工前应对设计所提供的工程地质和水文地质资料进行详细分析了解，深入细致地作施工调查，制订相应的施工方法和措施，备足有关机具材料，认真编制和实施施工组织设计，使工程达到安全、优质、高效的目的。

2、反之，即便地质并非不良，也会因准备不足，施工方法不当或措施不力导致施工事故，延误施工进度。 特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。隧道选择施工方法时，应以安全为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面型式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期和经济的可行性等因素而定。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加投资。 隧道开挖方式，无论是采用钻爆开挖法、机械开挖法，还是采用人工和机械混合开控法应视地质、环境、安全等条件合理选用。如用钻爆法施工时，光面爆破和预裂爆破技术，既能使开挖轮廓线符合设计要求，又

3、能减少对围岩的扰动破坏。爆破应严格按照钻爆设计进行施工，如遇地质变化应及时修改完善设计。 隧道通过自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、砂层、砂卵石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段时，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固、超前支护或止水。 采用新奥法施工的隧道，为了掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度，以及确定施工工序，保证施工安全，应实施现场监控量测，充分利用监控量测指导施工。对软岩浅埋隧道须进行地表下沉观测，这对及时预报洞体稳定状态，修1 正施工都十分重要。 特殊地质地段隧道，除大面积淋水

4、地段、流沙地段，穿过未胶结松散地层和严寒地区的冻胀地层等，施工时应采取相应的措施外，均可采用锚喷支护施工。爆破后如开挖工作面有坍塌可能时，应在清除危石后及时喷射混凝土护面。如围岩自稳性很差，开挖难以成形，可沿设计开挖轮廓线预打设超前锚杆。锚喷支护后仍不能提供足够的支护能力时，应及早装设钢架支撑加强支护。 当采用构件支撑作临时支护时，支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。围岩出现底部压力，产生底臌现象或可能产生沉陷时应加设底梁。当围岩极为松软破碎时，应采用先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。根据现场条件，可结合管棚或超前锚扦等支护，形成联合支撑。支撑作业应迅速、及时，以充分发挥构件支撑

5、的作用。 围岩压力过大，支撑受力下沉侵入衬砌设计断面，必须挑顶时，其处理方法是：拱部扩挖前发现顶部下沉，应先挑顶后扩挖。当扩挖后发现顶部下沉，应立好拱架和模板先灌筑满足设计断面部分的拱圈，候混凝土达到所需强度并加强拱架支撑后，再行挑顶撞筑其余部分。挑顶作业宜先护后挖。 对于极松散的未固结围岩和自稳性极差的围岩，当采用先护后挖法仍不能开挖成形时，宜采用压注水泥砂浆或化学浆液的方法，以固结围岩，提高其自稳性。 特殊地质地段隧道衬砌，为防止围岩松弛，地压力作用在衬砌结构上，致使衬砌出现开裂、下沉等不良现象。因此，采用模筑衬砌施工时，除遵守隧道施工技术规范的有关规定施工外，还应注意：当拱脚、墙基松软时

6、，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。衬砌混凝土应采用高标号或早强水泥，提高混凝土等级，或采用掺速凝剂、早强剂等措施，提高衬砌的早期承载能力。仰拱施工，应在边墙完成后抓紧进行，或根据需要在初期支护完成后立即施作仰拱，使衬砌结构尽早封闭，构成环形改善受力状态，以确保衬砌结构的长期稳定坚固。 2 第一节 软土地段的隧道建设技术 一、软土对隧道的危害 1地表沉降 软土隧道地表沉降的相当显著的，Shirlaw在总结大量隧道长期沉降实测数据的基础上发现：正常情况下，地表长期沉降占总沉降量的30%90%，伴随着长期沉降的发展，地表沉降槽的宽度也在不断增加168。 2渗水漏泥 隧道的不均匀沉降会使隧道产生弯曲变

7、形，并导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗漏，甚至漏泥。 3结构局部破坏甚至坍塌 在软土地区进行隧道开挖中，其围岩应力重新分布，作用在软土上的应力也随之发生变化，使隧道一些部位受力大，一些部位受力小，超过隧道自身承载能力的部分将发生局部破坏，严重的导致隧道某部位坍塌。 二、软土与隧道的相关关系 1隧道位于软土层上方 此种情况软土层位于隧道底下，需要对软土层进行加固、注浆等措施，防止隧道地表下沉。 2隧道位于软土层中间 此种情况要对隧道周围围岩进行支护，支护方法有，超前小导管、围岩注浆，锚杆支护等。 3隧道位于软土层下方 此种情况软土层对隧道的危害相对较小，为了防止软土层遇水发生滑坡，造成隧道偏压

8、、结构等破坏，在隧道施工时，还要对软土层进行适当加固。 3 三、软土地段隧道的病害机理分析 隧道一旦开挖后，因其周围岩体应力的重新分布与改变，常有地质灾害发生如抽心、挤压、岩爆及边坡滑动等，综合国内研究资料，隧道破坏机制有如下几种： 张裂破坏：隧道在极破碎岩体且覆盖层薄的岩层中开挖，因岩体自身强度低、自立性差，隧道开挖后，其周围岩体应力会重新分布。当围岩应力大于岩体强度时，隧道周围岩体因无法自立，破碎岩体极容易张裂松脱，导致在洞顶的岩块塌落，侧壁岩体坍滑至洞内。 塑性变形：软岩或含泥质破碎岩体，因其力学强度低、稳定性差，当隧道开挖应力释放后，周围岩体应力重分布，在地应力与地下水等作用下，导致围

9、岩产生塑性变形，造成隧道净空减少或损坏，一般称此种破坏为挤压破坏，通常这种变形会持续一段时间。如图6.1.1。 4 图6.1.1 隧道挤压塑性变形 弯曲折断破坏：岩体中如果有一组极发达的软弱面，尤其是夹有软岩互层时，当隧道开挖后，常发生弯曲折断破坏。这种破坏形式主要是由于软弱面间的剪力强度低，薄层岩体抗弯强度不高，在隧道开挖后，围岩受到重力和地应力的双重影响，导致薄层岩体向洞内位移弯曲变形，岩块跌落。如图6.1.2。 图6.1.2 隧道中层状岩层可能发生弯曲折断破坏模式 岩块崩落：当岩体被软弱面及开挖面切割成有限块体时，因重力作用会造成岩块崩落或坠落。 脆性破坏：高强度且完整的岩体，当隧道开挖

10、后，应力二次分布，若切向应力大于岩体强度，且侧向应力解除，围岩将会产生剧烈的脆性爆炸损坏，即岩爆。一般高地应力条件下的高强度岩体，在隧道开挖中常会发生岩爆。 在软土地层中，地下铁道、污水隧道等常采用盾构法施工。盾构在地下推进时，地表会发生不同程度的变形，从而对周边土体造成一定的扰动。隧道盾构掘进施工过程中，周围土体受到的扰动主要表现为其应力状态和应变状态的变化。应力状态的变化是指总应力和孔隙水压力的改变，而总应力变化是由于开挖卸荷和土拱作用引起的，孔隙水压力变化则是由于盾构掘进过程中土体受挤压作用和地下水位变化引起的。 Renato等认为，隧道开挖时土体卸荷德程度随沿隧道径向土体位移的增大而增

11、加169，如图6.1.3中的左半段曲线所示。当隧道支护受力与土体卸荷达到平衡时，隧道周围土体将不再卸荷。如果不对软土隧道进行支护，则土体持续卸荷最终将导致土体破坏并引起隧道坍塌。 5 图6.1.3 土体地应力释放与支护 Romo总结了软土地层隧道施工引起土体应力应变状态变化的扰动因素：隧道作业面附近的应力变化；盾构掘进时盾构与土体间的剪应力；隧道支护和注浆引起土体的径向位移；隧道开挖引起土体扰动的固结变形；衬砌层的收敛变形；上覆浅层土体的稳态流变等。认为地表位移与土层状况、覆盖层厚度、隧道直径、盾构结构种类、施工条件、盾尾空隙以及回填注浆等诸因素密切相关。 四、软土地段的隧道处治技术对策 地表

12、沉降计算方法 隧道施工引起的地面沉降可以看作满足不排水条件情况，地表沉降的体积应等于地层损失的体积。根据这一假定，通过概率分析的方法可给出盾构施工引起的地面沉降的计算公式： S(x)=Vix2exp-2 2pi2i式中：S为沉降量；Vi为地层损失量；x为距隧道中心线的距离；i为沉降槽宽度系数。此式表示的沉降曲线，其反弯点在x=i处，在该点出现最大沉降坡度。可见，地面沉降最大值为： Smax=Vi2pi=Vi2.5i沉降槽宽度系数可按下式计算： 6 i=Z2ptan45-2j式中：j为土的内摩擦角，对于成层地基取其加权平均值。 隧道软基处理方案选择 高速公路软土地基处理方法很多，在实践中也得到了

13、广泛的应用，并取得满意的效果。排水板结合堆载预压法、超载预压法、旋喷桩法、碎石桩法、预制钢管桩法、强夯法以及换填法等，都有其各自的适用范围。然而隧道明洞段软基处理与路基有很大不同。 首先，隧道软基处理要求承载力较高，根据明洞顶回填厚度不同承载力一般要求达到300400KPa左右； 第二，隧道软基处理对工后沉降要求严格，明洞施工后，明洞与暗挖段二次衬砌内轮廓要完全对应沉降必须控制在很小的范围内，才能满足隧道规范的要求； 第三，隧道段地处山区，工作空间狭小，交通不便，一些施工机具设备运输困难软基处理与洞内开挖工序影响大，要求施工时间短。根据隧道段软基处理的特点及要求，拟定了换填法、强夯法、预制混凝

14、土方桩法或薄壁混凝土管桩法、高压旋喷桩法和微型树根法进行比较。 隧道软土地基的几种施工处理方法 1换填法 换填法是处理构造物基底承载力不足的常用方法，一般换填深度在3m以内为经济深度，对于特殊情况也可以采用，其特点是施工速度快，如果采用换填碎石或片石，则换填后承载力及沉降能满足隧道要求。但是由于隧道明洞两侧明挖的山体已经较高，而需要换填的平均深度在10m左右，开挖换填过程中边坡因无法放坡基本采用垂直防护，施工困难，且对隧道暗挖段及两侧山体稳定构成威胁，因此，该方法不可取。 2强夯法 强夯法是通过冲击能量波改变土体的物理力学性质，增加路基的稳定性并减少沉降的一种软基处理方法。其特点是施工工艺简单

15、，施工速度快，工程短，无须添加特殊材料，费用低，适用于加固碎石土、砂土、低饱和土和粘土以及泥碳等基础，一般加固深度56m，夯实后的低级达到中密至密实状态，地基承载力达到200KPa7 以上。 强夯法的基本持征 强夯法处理后的地基可使土的压缩性明显降低，提高地基土承载力，对不同的土质提高的程度有所不同； 强夯处理能使地基强度趋向均匀，有利消除不均匀沉降； 与其他夯击法如机械夯实、爆炸夯实等相比，强夯法夯击能量大，并可根据地基处理要求来确定夯点间距、夯击能量及夯击方法，使地基深处土也得到改善； 施工中必要的夯击能量可以分几通完成； 强夯法处理垃圾土，可使有害气体迅速排除。 软土的强夯加固机理 软土

16、被压密 施行强夯时，在冲击力作用下，土中的气体体积和孔隙体积受压缩，孔隙水压力增大，在夯点周围形成典切裂缝，使夯点与未夯区之间形成较大的孔隙水压力梯度，随着孔隙水排出，孔隙水压力降低，气体体积有所减少。每夯一遍，液相、气相所占比例就减少一些，土体因而被压密 软土的触变性 由于软土具有触变性，在强夯冲击作用广，土体结构暂时被破坏，结合水变成自由水，土的抗剪强度降低，当孔隙水压力达到最大时，土体强度下降到最低限度，当孔隙水压力逐渐消散，使土体颗粒接触更加紧密，土的抗剪强度和变形模量也大幅度增长，如图6.1.4所示。随着时间推延，新的吸着水逐渐固定。强度恢复的快慢，与土质种类有很大关系。这是在检验夯

17、后效果时所应当注意的，质量检验宜在强夯施工一个月后进行。 图6.1.4 强夯后地基土抗剪强度增长与时间的关系 图6.1.5 夯点周围裂隙系统 8 夯后土体渗透性增大 在夯击时，在大能量的冲击应力作用下，使夯点周围形成环状剪切裂缝，形成了树枝状排水网络，便士的渗透系数陡增，承受着较高压力的孔隙水沿着裂隙形成的排水通道很快诽出，加速软土的固结。所以地基土强夯后渗透性的强弱，孔隙水压力的消散状态，对处理效果起到很重要的作用。 强夯法对软土地基的适用条件 任何一种软土地基处理技术都有其相宜条件，同样，强夯法也有一定的适用范围和特殊要求。从国内外工程实践经验看，能否用强夯法加固饱和软土地基的一个关键性问

18、题就是土的粒径、土层特性及其含水量。 3预制混凝土方桩法或薄壁混凝土管桩法 预制桩加固法是通过物理方法将预制的混凝土方桩或薄壁预应力混凝土管桩压入软土地基中，通过对土体挤压作用而提高承载力，同时桩体本身还起直接支撑作用，通过桩顶扩大端及上面的碎石垫铺层而使应力进行均匀分散，从而提高地基总体承载力的一种低级复合加固法。该方法具有施工速度快、质量容易保证等特点，工后承载力与沉降也满足隧道要求，但是该段地基夹有孤石阻挡部分下面软基无法起到加固作用，会造成不均匀沉降。因此，否定了该方法。 4高压旋喷桩法 高压旋喷注浆，就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层的预定位置后用高压设备使浆液从喷嘴中喷出来，冲

19、击破坏土体。当能量大、速度快和呈脉动状的喷射流的重压超过土体结构强度时，土粒便从土体剥落下来。一部分细小的土粒将随浆液冒出水面，其余的土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力作用下，与浆液搅拌混合，并按一定浆土比例和质量大小有规律地重新排列。浆液凝固后便在土中形成一个固结体。旋喷时，喷嘴一面喷射一面旋转提升，固结体呈圆柱状，主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度、改善土的变形性质，使其在上部荷载的直接作用下，不产生破坏和过大变形。高压旋喷桩法就是通过在软弱土层中形成水泥固结体与桩间土一起形成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基的沉降变形达到地基加固的目的。 5微型树根桩软基处理 微型树根桩法是指利用

20、水泥浆液或其他化学浆液，通过压力灌注、渗透、劈裂、挤密土体，将土颗粒胶结起来，改变地基土的力学性能，形成结构新、强度大、稳9 定性好的结石体；同时注浆钢管和浆液形成微型桩体，直接承受部分荷载，起到卸荷的作用。高压注浆对于地基承载力不足、浸水沉陷、软弱土层，土层不均匀的加固，效果显著。 微型树根桩的优点 所需施工场地较小，一般平面尺寸0.6m1.8m，净空高度2.2m就能施工； 施工时噪音小，振动小，对已损坏需托换的建筑物比较安全； 所有操作都可在地面上进行，比较方便； 压力灌浆使树根桩与地基土紧密结合，桩和承台联结成一整体； 桩径很小，因而施工对承台和地基土几乎不产生扰动； 能穿透各种障碍物，

21、可在各种类型的土中制作树根桩； 处理后地基复合承载力高，工后沉降量小。 微型树根桩的应用范围 建筑物需要加层，地基和基础承载力不足时； 由于地质勘察、设计和施工原因，建筑物建成后，发生不均匀沉降； 由于市政工程，如地铁或隧道通过建筑物下面地基土层时，为防止建筑物的不均匀沉降； 古建筑的地基基础加固； 对岩石和土体边坡稳定加固等。 五、工程实例 1工程背景 江西省景婺黄高速公路是交通部确定的部省联合组织实施的全国六个勘察设计典型示范工程之一。景德镇至婺源高速公路属杭州至兰州国家重点公路在江西境内的一段。蛟岭隧道位于景婺黄高速公路的婺源县与景德镇市交界处，为一座分离式隧道，右洞长1655m，左洞长

22、1531.2m，属长隧道170。 2隧道软土地基的发现及调查 蛟岭隧道景德镇端左线根据施工组织计划要求先施工明洞以保证暗挖面洞顶边坡稳定及将一地方煤矿运输道路移至明洞通过，以减少暗挖位置施工过程中其上运煤重车通行产生的不利影响。因此，明洞段施工进度直接影响到后续开挖的施工工10 序时间要求紧迫。 明洞段开挖后发现设计路面以下为软塑状，实际承载力只有140KPa，不能满足明洞地基承载力的设计要求。业主召开紧急会议，决定先对明洞下面软基进行探测，查明情况后再进行处理。于是调集勘探部门进行地质补测，查明该段软基为残坡积亚粘土，蠕动状松散结构，该软弱层埋藏很深，沿路线走向地层变化很大，在洞口段30m范

23、围内粘土层由2.5m过渡到17.5m厚又变化到7.6m，软土内夹杂孤石，且局部存在溶洞，在横向上路基左半幅孤石较多，右半幅孤石较少，地质情况非常复杂。 3处理方法 采用微型树根桩处理。 根据地质资料，本工程场地上部粘土层厚最深处达17.5m，其下为岩层。施工中要求树根桩桩端进入岩层不小于1m，各段所给深度为平均深度。隧道左线明洞K83+910K83+931.2段，微型树根桩注浆孔平均深度10m，孔间距800800mm，梅花形布置，要求处理后地基承载力不小于380KPa；K83+931.2K83+951.2段，微型树根桩注浆孔平均深度8m，孔间距10001000mm，梅花形布置，要求处理后地基承

24、载力不小于290KPa。 微型树根桩注浆孔孔径130mm，内置f1086花管，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，上覆平均厚度1m的级配碎石垫褥层。要求施工必须精确定位，保证注浆后f1086花管置于孔径130mm的钻孔中央，具体结构形式见图6.1.6。 注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，水泥：水玻璃1：0.5，注浆初压1.01.5MPa，终压4.04.5MPa，f1086打孔钢花管选用热轧无缝钢管，钢管上打f15m注浆孔，注浆孔间距15cm，梅花形布置。施工中必须按相关规范保证注浆压力与注浆质量。 图6.1.6 微型树根桩注浆孔剖面图 微型树根桩地基竣工验收时，承载力检验采用复合地基载荷试验或原位测试，

25、载荷试验检测点数不少于3点，原位测试点数不少于6点。 六、小结 1在软土地区进行隧道施工时，要依据当地的水文地质，地层地貌等实际情况，选择最适当的软土加固措施和施工方法。 2采用微型树根桩进行地基加固处理施工方便，所需施工场地小，适应性强，地基复合承载力高，工后沉降量小，尤其适用于小范围结构物具有特殊条件及要求的地基加固处理。 12 第二节 膨胀土地段的隧道建设技术 在膨胀土地层中开掘隧道，常常可以见到围岩因开掘而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。使设置在膨胀土围岩中的隧道的洞壁发生位移，导致围岩失稳，支撑、衬砌变形、破坏。这些现象的发生，反映了膨胀土围岩性质的极端复杂性，同时

26、也说明膨胀土与一般土质或完整岩石的围岩性质，有着根本的区别。膨胀土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特点。 一、膨胀土对隧道的危害 膨胀土对隧道的危害包括引起隧道围岩变形和衬砌变形等25。 隧道围岩变形 由于膨胀土围岩的特殊工程地质性质及其围岩压力特性，使膨胀土中的隧道围岩具有普遍开裂、内挤、坍塌和膨胀等变形现象，其变形规模和严重程度，可说是普通土质隧道围岩所不能及的。膨胀土隧道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，大多具有不均一性，以及非完全对称型变形破坏。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

27、，而多是局部出现。现将在膨胀土隧道施工中常见的几种围岩变形，简述如下： 1围岩裂缝：隧道开掘后，一是由于开掘面上土体应力释放产生胀裂，二是因为表层土体风干而脱水，产生收缩裂缝。同时，两种原因均使土中原生隐裂隙张开扩大。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导坑下沉：是膨胀土隧道施工中，经常遇见的支撑立柱普遍下沉的一种变形现象。产生导坑下沉变形，一是由于下部膨胀土体的承载能力较低，二是上部围岩压力过大的综合作用结果。由于导坑下沉，常造成支撑失效，进而引起土体坍塌等变形发生。 3围岩膨胀突出：是膨胀土隧道开掘过程中或开掘后，围岩产生膨胀变形的现象。特别是超固结膨胀土围

28、岩，由于开掘卸载产生应力释放，引起周边土体向中心临空面膨胀突出，常常造成洞体断面缩小。尤其是在围岩既有超固结应力，又有构造应力的膨胀土地层中，或者是在强膨胀土地层中，初始应力愈高，膨胀性愈强，13 围岩膨胀突出现象愈严重，有时甚至凭直观都可见到隧道或巷道断面逐渐缩小的现象。在隧道围岩变形中，膨胀突出变形时间往往历时较长，有的数月，有的数年。这种变形现象，在膨胀土或膨胀岩中都很普遍。例如，四川某矿巷道断面设计宽度为1.6m，施工开挖后由于围岩膨胀突出，使巷道变形最后断面缩小到0.8m，只相当于设计断面的一半。 4坍塌与冒顶：主要是隧道开挖时顶部膨胀土体产生溜塌、坍滑，洞顶坍塌直至地表形成通天漏斗

29、的变形现象。隧道顶部围岩常常因围岩应力特性，在土体丧失支撑的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，容易形成强度软弱区。首先使土体产生局部破坏，由裂缝发展到出现溜塌，然后逐渐牵引周围土体产生连续破坏，形成洞顶坍塌，直至坍方区发展到地表。这是在膨胀土隧道或地下洞室施工中经常遇到的严重变形病害，特别是在灰白色、灰绿色强膨胀土层中施工，坍塌与冒顶现象更易发生。 5底臌：是隧道底部围岩向上膨胀臌出的变形现象。产生底臌的原因，主要是因为隧道施工开掘后，洞底围岩裸露，在上部压力解除，又无支护体约束的条件下，一方面由于应力释放，洞底围岩产生卸载膨胀，另一方面由于坑道积水，使洞底围岩产生浸水膨胀。两种膨胀作

30、用叠加，造成洞底围岩向隧道中心临空面臌出，形成底臌变形。一般在底臌变形的同时，常常伴随裂缝产生，表水更易渗入土中引起膨胀，使底臌变形更加恶化。有的地下洞室严重底臌高达lm，裂缝宽约12cm。 隧道衬砌变形 膨胀土中的隧道衬砌变形，常常与围岩变形病害密切相关，同样反映了膨胀土围岩的力学特征。常见的衬砌变形主要有：拱圈变形、拱脚变形、边墙变形和底板变形等。 1拱圈变形：主要表现为拱圈开裂，拱顶混凝土脱落掉块等。由于洞顶围岩应力集中与围岩裂缝，使拱圈顶部沿正中开裂，常常形成贯通裂缝。一般拱腹裂缝窄小，拱背裂缝张开较宽大，具有楔形裂缝特征。 2拱脚变形：最普遍的现象是拱脚内挤、墙基内移和下沉等。拱脚变

31、形主要受两侧围岩水平膨胀压力影响。 3边墙变形：大多表现为边墙内挤，严重侵限和边墙裂缝等。这类变形主要受两侧围岩巨大的水平膨胀压力影响，与围岩膨胀突出密切相关。 4底板变形：主要表现为底板臌胀与裂缝。常由表水下渗引起底部土体膨胀，14 在竖向膨胀压力作用下，使围岩臌胀导致底板隆起和裂缝，产生变形破坏。 从上述隧道围岩与衬砌变形病害的发生，可以看出这类变形实际上是膨胀土体特殊的潜在破坏作用的直接表现，而且与隧道施工紧密相连，具有明显的施工开挖效应。显然，在膨胀土隧道施工中，如能尽量减少或消除施工因素对土体的破坏，控制其胀缩变形，将大大减少并限制围岩压力的发生与发展，对于增强膨胀土中隧道的稳定性，

32、有着重要作用。 二、膨胀土与隧道的相关关系 1隧道从膨胀土层中穿过 这种情况下，膨胀土对隧道的危害较大，如前述，伴随着隧道的施工开挖和运营，膨胀土围岩常常产生变形和衬砌破坏，而且具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治较困难特点。应该根据不同的情况选择合适的施工方法和治理措施，加强支护。 2膨胀土位于隧道开挖的仰坡和边坡上 膨胀土遭风化或受水浸湿后，抗剪强度显著降低，易导致边坡失稳下滑，从而影响到隧道的稳定。应该根据隧道和边坡的关系和具体情况，对膨胀土边坡进行一定的治理。 三、膨胀土地段隧道的病害机理分析 由于膨胀性围岩的特殊地质性质及所具有的围岩压力特性，使隧道开挖后不久即产生膨胀压力，围岩迅

33、速发生风化、软化、坑道顶部及两侧普遍开裂，向内挤压、坍塌和膨胀、底部隆起；围岩变形快、延续时间长、整治较困难，并随着时间的增长，使隧道的支撑、衬砌发生严重的变形或破坏，其变形规模和严重程度，是普通土质隧道围岩所不能及的。 1膨胀土的特性对隧道病害的产生起决定性作用 膨胀土围岩的基本特性，归纳起来主要表现在以下三个方面25： 超固结土体的应力特性 由于膨胀土大多具有原始地层的超固结特性，使土体中储存有较高的初始应力，15 当隧道或地下洞室开掘后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸载膨胀。因此，膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特征，开掘后将产生较大的塑性变形。 多裂隙土体的结构力学特性 具有多裂隙

34、和各种结构面的膨胀土体，被裂隙和结构面纵横切割，成为大小不等、形状各异的土块。膨胀土隧道围岩实际上即是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的集合体，即膨胀土体。显然，这种土体的工程地质特性，尤其是结构力学特征是相当复杂的，而且决定着膨胀土体中隧道围岩压力的基本性质。 膨胀土体的结构力学特征，主要表现为具有明显的非均质性与不连续性，以及围岩强度与变形的各向异性和随时间的衰减性。由于膨胀土体在天然原始结构状态下具有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑，一方面产生胀裂，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。因此，隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快

35、，设防不及等现象。 胀缩效应的力学特性 膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体干湿循环产生胀缩效应。一是使土体结构破坏，由块间联结变为裂隙结合，甚至成为散粒结构，强度完全丧失，导致围岩压力增大，二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩应力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀产生的膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。 在天然湿度较大、土质较单一的同类膨胀土中，围岩作用于隧道衬砌上的压力一般发展较缓慢，而且压力的增加速度随胀缩变形的增大而增大。但是当围岩的天然湿度较小，且土体中含有软弱夹层或其他结构面时，浸水膨胀后，将很快形成很大的膨胀压力作用于衬砌，造成衬砌破坏。围岩产生胀缩变形的程度及其膨胀压

36、力的大小，主要取决于膨胀土类型与湿度变化条件。一般土的膨胀性愈强，变形愈大，膨胀压力也大。 根据在膨胀土中开挖地沟与载荷试验台下埋设压力盒实测膨胀压力表明，土体浸水膨胀时，地沟底部产生的竖向膨胀压力比侧向膨胀压力要大得多。如荆门膨胀土天然状态浸水膨胀时，侧向膨胀压力平均值仅0.11kgf/cm2，最大值为0.26kgf/cm2。但竖向膨胀压力平均值则为0.3kgf/cm2，最大值为0.610.7kgf/cm2，约为侧向膨胀力的三倍。可见，在生产实践中经常观察到膨胀土地沟与隧道、巷道等地下洞室的沟底或洞底产生变形的普遍性，与较大的竖向膨胀压力是密切相关的。 由于膨胀土层具有干收缩、湿膨胀软化的特

37、性，因此，在隧道施工开挖过程中，16 常有初期围岩变形大，发展迅速等不良现象，使围岩压力增大。膨胀土围岩产生较大的塑性变形，特别是膨胀地压力对隧道增大围岩压力起叠加作用，所以膨胀土围岩的湿膨胀压力或干收缩压力，都将破坏围岩和支护的稳定性。 2膨胀土隧道围岩压力的施工效应，是导致隧道变形病害的主要原因 对围岩的膨胀性的危害认识不足，设计时结构相对偏弱，施工中采取的措施不到位，导致隧道产生变形破坏。 四、膨胀土地段的隧道处治技术对策 膨胀土隧道设计要点 膨胀土中的隧道设计应充分考虑到膨胀土围岩压力过大，且围岩顶部、底部及两侧的压力极不均一的特点，着重考虑以下几点原则： 合理选择隧道的断面型式和结构

38、类型，以利于尽量减少围岩应力集中，增强围岩的稳定； 隧道设计最好采用圆形断面，其次是马蹄形曲墙，受力条件最佳； 隧道底部应设置仰拱，使之与曲墙形成一闭合结构； 应考虑对隧道衬砌边墙地基采取加固，以防止地基不均匀沉陷和胀缩变形，制约底板的隆胀。 设置必要的排水设施，加强排水。 膨胀土围岩隧道的处治技术 实践表明，膨胀土中隧道产生的变形病害，主要是由于膨胀土围岩特性所决定的。因此，防治隧道变形病害的产生，首先必须查明膨胀土围岩的工程地质条件，特别是膨胀土的胀缩程度、膨胀压力，以及土体结构特性和水文地质条件等。在此基础上以防止围岩应力松弛，防膨胀变形为原则，选择适应膨胀土围岩特性的合理防治措施25。

39、 1合理设计隧道断面形状与结构型式：在一定的围岩压力条件下，不同的隧道断面形状，其应力分布状态是有明显区别的。为了尽量减少围岩应力集中，有利于围岩的稳定，膨胀土中隧道断面形状最好采用圆形，其次是马蹄形曲墙。隧道底部应设置仰拱，使之形成一闭合结构。同时应对衬砌边墙地基进行加固，防止地基不均匀沉陷与胀缩变形，制约底板臌胀变形。 17 2合理选择施工方法：膨胀土隧道围岩压力的施工效应，是导致隧道变形病害的重要原因。如前所述，合理的施工方法，对隧道的稳定性有着十分重要的作用。因此，在膨胀士隧道施工中，应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，故宜采用无爆破掘进法，如掘进机、风镐、液压镐等。在开挖

40、过程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬砌，以尽快恢复洞壁因土体开挖而解除的部分围岩应力，减少围岩膨胀变形。 3防止围岩湿度变化：隧道开挖后，膨胀土围岩风干脱水或浸水，都将引起围岩体积变化，产生胀缩效应。因此，隧道开挖中及时喷射混凝土，封闭和支护围岩。在有地下水渗流的隧道，应采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩的浸湿等。 4合理进行围岩支护：膨胀土围岩支护必须适应围岩的膨胀特性，由于隧道开掘后初始应力较大，往往采用先“柔”后“刚”的二次支护方法，如喷射混凝土，增设锚杆，灌注钢筋混凝土衬砌等。 膨胀土围岩治理措施 1膨胀土隧道中水的治理 由于围岩含有蒙脱石、高岭土等膨胀性组

41、份，水的渗入会造成体积膨胀，使地压增大，造成隧道破坏严重。所以，在整个隧道施工过程中应加强对水的防治及管理，对于膨胀土围岩，加强水的治理是控制围岩稳定的重要措施， 隧道施工能遇到的水主要有地下岩层水，施工工程用水和空气水分，针对水的不同来源，在支护工程设计中，分别采取了相应的防水措施，并要求支护结构体具有很强的防渗水性能。 2膨胀土隧道仰拱的处治措施182 膨压现象是膨胀性围岩与地下水因化学而结合产生力学行为的隧道工程施工现象。膨压效应常发生于隧道底拱，这是因重力作用产生的排水行为所造成。 一般地，在自重应力场作用下，地下水存在由上向下的流动趋势，当隧道开挖后，地下水会自然的排至隧道底部，由于

42、在拱顶和边墙上复合式补砌是弯曲的，对隧道围岩能形成有效的约束，因此地下水仅在仰拱下部位置赋集，与膨胀性围岩作用后，形成膨压之势。基于此原因，在隧道中所能看到的“膨压”效应，几乎全部是通过“仰拱”的行为集中反映出，而在拱顶以及边墙出现“膨压”效应则相对较少；仰拱或是临时仰拱的破坏十分显著，发生次数频繁。 18 根据膨胀性围岩隧道可能发生的不同膨胀压力以及变形破坏情况，可以采取下面4种仰拱支护的技术措施，如图6.2.1所示。 刚性约束仰拱。这种衬砌结构主要是针对围岩变形较小时，适合选用；为了提高仰拱的承载力，要求采用大曲率仰拱。 底部打设长锚杆的仰拱。其适用条件为：围岩变形较小时情况，这一点与第一

43、种类型相同。 刚性约束仰拱 2）底部打射长 柔性支护仰拱 复合式约束 锚杆的仰拱 仰拱结构 图6.2.1 膨胀性围岩隧道地段仰拱支护的技术措施 柔性支护仰拱，它不约束仰拱围岩变形。这种结构允许仰拱围岩发生大的变形，其目的是：通过允许仰拱围岩发生大的变形，以显著降低存在于仰拱与围岩之间的接触应力，使得围岩的膨压，最终能自身停止。 复合式约束仰拱结构，与第一种类型相比，它增加了一层柔性变形材料，这种复合式仰拱结构，允许仰拱围岩发生一定变形，释放部分存在于仰拱与围岩之间的接触应力，在达到结构设计的承载水平值时，才发挥作用。 比较上述4种设计类型的支护结构，不难看出，在目前工程实践中，针对膨胀性围岩隧

44、道施工，使用普通的支护结构是第1和第2种类型，或者是它们的组合。然而，这两种类型的支护结构，均只适合于膨胀性围岩变形较小时情况，当变形较大时，则可能发生仰拱闭合后又破坏的现象；或者发生明显变形以及隧道位移不能收敛的情况。由此可见，目前针对膨胀性围岩的隧道施工支护措施，存在明显不足，亟待提高。 19 对于第3种类型支护结构，容易从围岩收敛与支护特性曲线的相互关系中得以理解，然而单独使用则十分危险，尤其是在缺乏对膨胀性围岩自稳性质缺乏认识的基础上，是不宜采用的。 比较理想的支护结构是第4种类型，如图6.2.2所示；显然它是第1和第3种类型优点的结合，既降低了存在于仰拱与围岩之间的高接触应力，同时又

45、达到了稳定整体结构，尽早收敛的目的。 膨胀土围岩隧道施工要点 1加强对围岩压力及流变调查和量测 在膨胀性地层中开挖隧道，除了开挖前应调查其特性和规模，并参考其他类似情况的工程实例，认真实施设计文件所提出的技术要求外，在施工过程中，还应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测，分析其变化规律。对地下水亦应探明其分布范围及规律，了解地下水对隧道施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施。如原设计方案难以适应围岩动态情况，也可据此作适当修正。 2选择合理施工方法 膨胀土隧道围岩压力的施工效应，是导致隧道变形病害的主要原因。采用合理的施工方法，对隧道的稳定性有着十分重要的作用。因此，在施工中

46、应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，所以宜采用无爆破掘进法。如采用掘进机、风镐、液压镐等开挖。在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬砌，以尽快恢复洞壁因土体开挖而解除的部分围岩应力，减少围岩膨胀变形。开挖方法宜不分部或少分部，多采用正台阶法、侧壁导坑法和“眼镜法”。正台阶法适用于跨度小的隧道，它分部少相互干扰小。且能较早地使支护闭合。侧壁导坑法和“眼镜法”较适用于跨度较大的隧道，它具有防止上半断面支护下沉的优点、但全断面闭合时间较迟，必须注意防止边墙混凝土受压向隧道内挤。 宜采用短台阶法或中央导坑法开挖，但开挖部分不宜过多。应紧跟开挖尽快对围岩施加约束，可用锚喷构筑法施工及钢

47、拱架式格栅联合支护；膨胀压力很大时，可在隧道底部打设锚杆，亦可在隧道顶部一定范围内打入斜向超前锚杆或20 图6.2.2 复合式仰拱结构的形式 小导管，形成闭合环。斜向锚杆的外斜角度。杆长、间距、范围均应符合公路隧道施工技术规范有关规定。 喷射混凝土层宜采用钢纤维混凝土，以提高喷层的抗拉和抗剪能力。衬砌的拱部和侧墙宜同时施工，仰拱应尽早完成。仰拱与侧墙连接处应尽可能做成圆弧状，衬砌与围岩应密贴。当围岩压力极大，其变形速率难以收敛时，应在上台阶或中央导坑的底部先修筑临时混凝土仰拱，待变形基本收敛后，开挖下部台阶。在施工开挖中应尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，所以宜采用无爆破掘进法，如采用掘进机、风镐、液压镐等进行开挖。在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，应及时衬砌，以减少围岩膨胀变形。 钢架支撑宜采用可缩性结构。钢支撑的制作和安装应符合下列规定： 钢支撑的可缩接头，应根据位移量确定，可设23个； 接头的伸缩量，应根据隧道最大控制位移计算确定，每个接头最大伸缩量不宜大于10cm，可缩接头的滑动阻力，可按钢架支撑承受轴向力的1/2进行计算； 当采用钢管