膨胀土隧道

膨胀土隧道塌方成因及处理技术王大嵬（中铁十九局集团第二工程有限公司）摘要：结合新响沙湾隧道工程实例，通过对隧道膨胀土洞段塌方的研究，分析隧道塌方原因，详细阐述了塌方处理方案、施工注意要点，对同类围岩隧道施工具有一定的借鉴意义。

关键词：膨胀土塌方原因分析处理技术1 工程概况1.1 工程概况新响沙湾隧道全长3430m，除进口1057m，出口129m位于直线上，其余均位于半径为4500m的曲线上，纵坡11.5‰。

隧址区地震烈度Ⅷ地震动峰值加速度0.20g。

1.2 工程地质和水文地质1.2.1 工程地质新响沙湾隧道为鄂尔多斯台地剥蚀丘陵区，沟谷纵横，切割强烈，地形起伏较大。

围岩为白垩系下统（K1），紫红色、姜黄色、灰绿色含砾泥质砂岩，砂石含量5～20%左右，泥质胶结，砂状结构，薄层～中厚层构造。

局部夹薄层状紫红色泥岩。

强风化层约10～30米。

地层产状近水平。

1.2.2 水文地质特征地下水主要为赋存在河床冲洪积砂层中的空隙潜水，水量较丰富，膨胀土地带地下水丰富，基岩裂隙水不发育。

2 塌方过程描述2008年9月27日早7时，新响沙湾隧道GDK48+885～GDK48+950段边墙出现多条裂缝，裂缝内有水渗出，部分拱脚出现向外挤出的现象。

2008年9月28日～2008年10月9日期间，GDK48+885～GDK48+950段不时出现钢筋断裂的声音，多处出现环向裂纹，多处喷射混凝土面崩裂。

边墙从拱脚以上1.7米处钢架整体被压断，拱顶边墙变形严重。

掌子面已经全断面塌方封堵；缝宽1cm 以上的裂纹有十多条，最大裂缝宽度达到60cm；拱墙部位格栅钢架大部分挤出变形，最大变形达80cm；裂缝处渗漏水现象严重。

2008年10月10日下午15时10分GDK48+885～GDK48+950段出现整体坍塌，塌方过程无人员伤亡。

3 塌方原因分析塌体段为白垩系下统灰绿色泥质砂岩，泥质胶结，砂状结构，薄层～中厚层构造，水平层理极其发育，经铁四院检测后发现该种砂岩为膨胀性质，且属于中度膨胀。

由于膨胀土围岩具有“吸水而膨胀，失水而收缩”的特性。

塌体段为富水段，围岩遇水极易软化崩解，围岩中度膨胀性加速、加大围岩应力释放，造成围岩松动圈范围大，在初期支护支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，使围岩产生局部破坏，然后逐渐牵引周围土体连续破坏。

4 塌方处理方案处理塌体的总体方案：首先对塌体进行大管棚施工，然后在已施工完毕大管棚上方进行混凝土造壳，在混凝土壳体的掩护下，实施四台阶开挖，并且加强支护，具体措施如下：4.1 对GDK48+893.5～GDK48+898.5段塌方部位用塌方碴料从两侧向中间进行回填，回填至拱顶设计标高后对剩余空洞采用轻质材料进行填塞，以形成内模。

4.2 回填工作完毕之后在靠近塌方段处并排架设三榀I22工字钢作为管棚支承钢架，工字钢钢架之间焊接牢靠。

4.3 拱部90°范围内架设Φ108管棚，管棚间距为30㎝，外插角为15°，长度为6米（伸入塌方部位5米，外露1米），管棚与钢架焊接牢靠。

4.4 管棚施做完毕之后，对塌方部位进行混凝土浇筑，混凝土标号为C35，厚度为1m，在开挖轮廓线以外形成壳体。

4.5 回填混凝土浇筑完毕且终凝之后，对塌方体按照四台阶法进行开挖，第一台阶开挖高度为2m，第二台阶开挖高度为2.5m，第三台阶开挖高度为2.5m，第四台阶开挖高度为2.71m，具体见《塌方体开挖示意图》4.6 塌方体开挖完毕结束后立即进行初期支护，钢架设置为I22工字钢钢架，间距40㎝/榀，上台阶钢架脚部采用40槽钢垫底，钢架各单元连接处采用6m长Φ42钢管锁脚，每处不少于4根，拱脚与槽钢间的空隙采用混凝土楔块顶紧，确保钢架脚部整体稳定，各钢架间采用100*100角钢进行纵向连接，环向间距40cm，钢架脚部均采用22槽钢焊接牢靠，确保钢架脚部整体稳定。

边墙部位喷射C25混凝土并确保钢架后空洞喷填密实，喷射混凝土与φ42锁脚钢管及纵向槽钢形成系统稳定的脚部加固系统。

第一台阶施工完成后，再依次施工第二、第三、第四台阶，左右侧马口交错开挖，循环长度不大于80cm。

4.7 GDK48+898.5～GDK48+950段塌方体处理施作三次大管棚，管棚每环42根，外插角为12°～15°，长度为15米，管棚与钢架焊接牢靠；每环大管棚施工结束后，采用四台阶法对塌方体进行开挖，台阶尺寸与工序5相同；塌方体开挖结束后立即进行初期支护，支护参数与工序6相同；4.8 钢架落底单侧、单榀施作，并与仰拱钢架封闭成环，仰拱与塌方体开挖掌子面距离不大于15m，二次衬砌与塌方体开挖掌子面距离不大于30m；4.9 初期支护后每隔10m布置一检测断面，变形量测在每次开挖结束后进行，测点布置见《观测点示意图》5 结论新响沙湾隧道GDK48+885～GDK48+950塌方段围岩属于中度膨胀，地质条件复杂，且处于富水段，因此，此次塌方较大。

经过我单位人员严密组织以及采取合理的处理方案新响沙湾隧道膨胀土塌方段安全顺利处理完毕。

通过新响沙湾隧道膨胀土段的施工和塌方段处理，有以下几点体会：5.1 膨胀土围岩的“吸水膨胀，失水收缩”特性，特别是在富水洞段，隧道容易发生塌方，因此膨胀土隧道超前地质预报工作必须进行，以便提前预测工作面前方围岩工程地质和水文地质情况。

5.2 膨胀土围岩隧道在开挖过程中或过程后，周边土体容易向洞内膨胀突出，所以膨胀土隧道围岩监控量测尤为重要。

5.3 膨胀土隧道围岩应力释放是导致隧道塌方的主要原因，采取合适的开挖方式最为重要。

塌方处理完毕后，新响沙湾隧道膨胀土围岩洞身开挖方式为三台阶（上台阶预留核心土法）开挖，实践证明此种开挖方式能够较好的控制膨胀土开挖面的应力释放。

5.4 膨胀土围岩隧道在开挖完成之后，围岩变形一般在3～4周内发生，隧道的仰拱和二衬应及早进行封闭。

尤其是仰拱施工，因为仰拱是隧道形成环向受力的关键工序，在施工中应最大程度上的缩短掌子面与仰拱之间的距离，使隧道形成环向受力。

膨胀土围岩地段施工技术膨胀土系指土中粘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粘性土。

决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石粘土矿物。

我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一。

现已发现有膨胀土发育的地区达20余个省、市、自治区，遍及西南、西北、东北、长江与黄河中下游及东南沿海地区。

其中主要有：云南、贵州、四川、湖北、安徽、广东、广西、陕西、山西、河南、山东和河北等省区分布是十分广泛的。

一、膨胀土围岩的特性隧道穿过膨胀土地层，隧道开挖后不久，常常可以见到围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。

使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。

这些现象说明膨胀土围岩性质是极其复杂的。

它与一般土质的围岩性质有着根本的区别。

膨胀土围岩的基本特性，主要有以下三方面：（1）膨胀土围岩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。

当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。

因此，膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。

（2）膨胀土中发育有各种形态的裂隙，形成土体的多裂隙性。

膨胀土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。

由于膨胀土体在天然原始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而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，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，发展速度快等现象。

（3）膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应。

一是使土体结构破坏，强度衰减或丧失，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压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。

二、膨胀土围岩对隧道施工的危害由于膨胀土围岩的特殊工程地质性质及其围岩压力特性，使膨胀土的隧道围岩具有普遍开裂、内挤、坍塌和膨胀等变形现象。

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。

施工中常见的几种情况，简述如下：（1）围岩裂缝：隧道开挖后，由于开挖面上土体原始应力释放产生胀裂；另外，因为表层土体风干而脱水，产生收缩裂缝。

同时，两种因素都可以使土中原生隐裂隙张开扩大。

沿围岩周边产生裂缝，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）坑道下沉：由于坑道下部膨胀土体的承载力较低，加之上部围岩压力过大，而产生坑道下沉变形。

坑道的下沉，往往造成支撑变形、失效，进而引起土体坍塌等现象。

（3）围岩膨胀突出和坍塌：膨胀土开挖过程中或开挖后，围岩产生膨胀土变形，周边土体向洞内膨胀突出，开挖断面缩小。

在土体丧失支撑或支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，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连续破坏，形成坍塌。

（4）底鼓：隧道底部开挖后，洞底围岩的上部压力解除，又无支护体约束的条件下，由于应力释放，洞底围岩产生卸荷膨胀；加之坑道积水，使洞底围岩产生浸水膨胀。

因而造成洞底围岩鼓出变形。

（5）衬砌变形和破坏：在先拱后墙法施工中，拱部衬砌完成后至开挖马口的这段时间，由于围岩和膨胀压力，常常产生拱脚内移，同时发生不均匀下沉，拱脚支撑受力大，发扭曲、变形或折断。

拱顶受挤压下沉，也有向上凸起。

拱顶外缘经常出现纵向贯通拉裂缝，而拱顶内缘出现挤裂、脱皮、掉块现象。

在拱腰部位出现纵向裂缝，这些裂缝有时可发展到张开、错台。

当采用直墙时，边墙常受膨胀侧压而开裂，甚至张开、错台，少数曲墙也有出现水平裂缝的情况。

当底部未做仰拱或仅做一般铺底时，有时会出现底部鼓起，铺底被破坏。

三、膨胀土围岩的隧道施工要点（一）加强调查、量测围岩的压力和流变在膨胀土地层中开挖隧道，除了认真实施设计文件所提出的技术要求外，在施工过程中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。

对地下水亦应探明分布范围及规律，了解水对施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施。

如原设计难以适应围岩动态情况，也可据此作适当修正（二）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”。