中强膨胀性围岩隧道施工技术
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色 以灰 白色 为主 。母 岩 中的 白云 母 、 钾 长 石 风化 后
形成亲水矿物一伊利石、 蒙脱石 ， 遇水膨胀 ， 失水收
缩， 体积 变化 较大 ， 涨 缩 可反 复 交 替 ， 试 验 所测 其 自 由膨胀 率 Ｆ ｓ ＝７ ０％ ， 属 中等偏 强 膨 胀 ， 开 挖后 对 围
岩 的稳 定产 生极大 的破 坏 。
与机 械 配合 ， 断 面根 据 监 控 量 测数 据 以及 围岩膨 胀
情况 加 大预 留变 形量 ２ ０ ｃ ｍ￣３ Ｏ ｃ ｍ。
３ 支 护 材 料 性 能 分 析 与 比选
在 膨胀 岩段 的拱 架 支 护 ， 对材 料 的选择 进 行 了 相 关 的 比选 ， 最后选 择 Ｕ 型 钢架 支 护 。在力 学性 能 上 工字 钢及 Ｈ 型钢相 对呈 刚性 ， 格栅 拱 架虽 然为 柔
岩 为云母 片岩 、 片麻 岩 的全 ～强风化 产物 ， 岩石 遇水 后 迅速 软化呈 半岩 半 土 状 ， 强 度 极低 ， 手 捏 即碎 ， 颜
特性 和 Ｕ型可伸缩拱架的工作原理 ， 结合现场 的实 际施工 ， 确定合 理的支护体 系与适 当的施工方法 ， 总结 中强膨胀
性 围 岩 隧道 施 工 技 术 。
关键 词
膨胀岩 隧道 支护 施工技术
１ 工 程 概 况
湖北 宜 （ 昌） 巴（ 东） 高 速公路 段界 岭 隧道进 口位 于 宜 昌市 夷 陵区雾 渡 河镇 ， 出 口位 于 兴 山 县水 月 寺 镇 。该 隧道采 用分 离 的独 立双 洞双 向 ４车道公 路隧
２ 膨 胀性 围岩 的基 本 特 性
膨 胀性 围岩根 据 产 生 的原 因可 分 为 三种 ： 吸水
膨胀 、 风化 膨胀 和 由地 应 力 释放 而 引 起 的膨 胀 。在
Ｕ 型可伸 缩性 拱架 由若 干拱 架 单 元组 成 ， 节 与 节之 间用摩 擦连 接件 连接 ， 当拧 紧连接件 的螺母 后 ， 连接件 将拱 架单 元 间搭 接 的 型钢 压 紧 ， 给 他们 提 供 预紧力 。要 推动 拱架节 间搭 接部 分滑动 必须 克服搭 接部分 型钢 与型 钢 之 间 ， 型钢 与 连接 件 之 问 的摩 擦
阻力 。
界岭 隧道施 工施 工 实践 中 ， 膨 胀 性 围岩 大 都 是 吸水
和风化引起 的综合膨胀岩 ， 即在水和空气 的物理、 化
学作 用下 ， 富含 云母软 岩 、 变 质岩 等岩体 发生 体积增 大 。在隧 道施工 中， 由于钻 爆 法 开 挖使 洞 壁 较 远处 裂 隙水渗 入及施 工用水 的浸 入 ， 使 围岩 吸水膨 胀 ， 从 而对 隧道 初期支 护 产 生膨 胀 压 力 ； 开挖 外 露 的变质 岩 遇空气 迅速 软化 ， 围岩应 力得 到有效 释放 ， 使用 隧 道 围岩产 生塑性 变形 ， 加 大 了膨 胀压 力 。 若 隧道 支护体 系 处 治不 当 ， 甚 至 采用 非 膨 胀 性
隧道 开挖 后 ， 围岩 发生 变 形 ， 压 紧拱 架 ， 拱架 承
受荷 载 ， 产 生 内力 。 内力对 拱 架 力 学性 能 最 有影 响
的是 轴力 和弯矩 。轴 力推 动拱架 节 间搭 接 型钢 的滑
动， 而弯矩 则 阻止其 滑动 。 当轴力 推 动型钢 时 ， 连接 件将 发 生歪斜 ， 受力 后产 生变形 ， 使连 接件 与型钢 问 的压力 加大 ， 由此产 生 附加压 紧力 ， 预紧力 和附加 压 紧力就 形成 了型钢 搭接部 分之 间 的摩 擦 阻力 。当轴 向推动 力小 于这个 摩擦 阻力 时 ， 拱架 不缩 ； 若推 动力 大于摩 擦 阻力 ， 型 钢 之 间产 生 相 对 滑动 ， 拱架缩短，
性 支护 ， 但 同样 与工 字 钢 及 Ｈ 型钢 一 样 ， 采 用 法 兰
式 对接 ， 拱架 不 能 随 围岩 一起 收敛 变形 。拱架 在 较
低 的围岩压力 作 用下 产 生 弹性 变 形 和 挠 曲 ， 当外 荷
载继续 增加 ， 拱架 内力 随之 加 大 ， 拱 架 没 有可 缩 性 ， 则 在 内力大 到一 定程度 后 ， 拱 架就 会 出现 塑形 变形 ， 严 重 时拱架将 遭 到破坏 而失 去拱撑 能力 。
公路 隧道
２ ０ １ ３年 第 １ 期（ 总第 ８ １期）
中强膨 胀 性 围岩 隧道 施 工 技 术
黄 强
（ 中铁十七局集团第 四工程有 限公 司 重 庆 ４ ０ １ １ ２ຫໍສະໝຸດ Baidu１ ）
摘 要
宜巴高速公路界岭隧道地处丘陵地区， 穿越中强膨胀性围岩地带 ， 针对膨胀围岩特点， 通过分析其基本
相应 减小 了拱架 承 受 的外 荷 载 ， 轴 向推 力 小 于摩 擦 阻力 ， 型钢 之 间出现 相 对稳 定 ， 拱 架 不 再 缩短 ， 与外
围岩的刚性支护 ， 则容易产生洞室坍塌 、 初支侵限、 衬砌开裂及仰拱鼓起等不 良后果 ， 而地下水往往富
集 于隧道仰 拱部位 ， 故膨 胀 压 力 对仰 拱 的破 坏作 用 更 为显著 。此外 ， 膨 胀性 围岩 性 状 变化 主要 由岩石 含水 量变 化引起 ， 若 能保持 开挖前 的含 水量 ， 通 常不
道， 其 中左洞 长 ５ ６ ５ ３ ｍ， 右 洞长 ５ ６ ８ １ ｍ。界 岭 隧道 围
再遇水偏要膨胀坍塌， 其干燥失水越多， 遇水膨胀变 形也越大， 围岩膨胀压力会增加， 同时岩体会软化 ，
承 载力 降低 。因而 ， 膨胀 性 围岩是一 种吸 水膨胀 、 失
水 收缩 和反 复膨胀 变形 的 围岩 。
具备膨胀特性 ； 但开挖后膨胀性 围岩迅速干燥失水，
・
５２ ・
黄 强等 中强膨胀 性 围岩 隧道 施 工技 术 荷载 力 处于 相对 平衡 状 态 。Ｕ 型 钢 拱 架 出现 “ 滑 动
一
（ ２ ） 施工 采 用上 下 台阶法 ， 开挖 采用 局部 钻爆法
增 阻一再 滑动 一再 增 阻” 的反复 可缩 性工 作 过程 ，
形成亲水矿物一伊利石、 蒙脱石 ， 遇水膨胀 ， 失水收
缩， 体积 变化 较大 ， 涨 缩 可反 复 交 替 ， 试 验 所测 其 自 由膨胀 率 Ｆ ｓ ＝７ ０％ ， 属 中等偏 强 膨 胀 ， 开 挖后 对 围
岩 的稳 定产 生极大 的破 坏 。
与机 械 配合 ， 断 面根 据 监 控 量 测数 据 以及 围岩膨 胀
情况 加 大预 留变 形量 ２ ０ ｃ ｍ￣３ Ｏ ｃ ｍ。
３ 支 护 材 料 性 能 分 析 与 比选
在 膨胀 岩段 的拱 架 支 护 ， 对材 料 的选择 进 行 了 相 关 的 比选 ， 最后选 择 Ｕ 型 钢架 支 护 。在力 学性 能 上 工字 钢及 Ｈ 型钢相 对呈 刚性 ， 格栅 拱 架虽 然为 柔
岩 为云母 片岩 、 片麻 岩 的全 ～强风化 产物 ， 岩石 遇水 后 迅速 软化呈 半岩 半 土 状 ， 强 度 极低 ， 手 捏 即碎 ， 颜
特性 和 Ｕ型可伸缩拱架的工作原理 ， 结合现场 的实 际施工 ， 确定合 理的支护体 系与适 当的施工方法 ， 总结 中强膨胀
性 围 岩 隧道 施 工 技 术 。
关键 词
膨胀岩 隧道 支护 施工技术
１ 工 程 概 况
湖北 宜 （ 昌） 巴（ 东） 高 速公路 段界 岭 隧道进 口位 于 宜 昌市 夷 陵区雾 渡 河镇 ， 出 口位 于 兴 山 县水 月 寺 镇 。该 隧道采 用分 离 的独 立双 洞双 向 ４车道公 路隧
２ 膨 胀性 围岩 的基 本 特 性
膨 胀性 围岩根 据 产 生 的原 因可 分 为 三种 ： 吸水
膨胀 、 风化 膨胀 和 由地 应 力 释放 而 引 起 的膨 胀 。在
Ｕ 型可伸 缩性 拱架 由若 干拱 架 单 元组 成 ， 节 与 节之 间用摩 擦连 接件 连接 ， 当拧 紧连接件 的螺母 后 ， 连接件 将拱 架单 元 间搭 接 的 型钢 压 紧 ， 给 他们 提 供 预紧力 。要 推动 拱架节 间搭 接部 分滑动 必须 克服搭 接部分 型钢 与型 钢 之 间 ， 型钢 与 连接 件 之 问 的摩 擦
阻力 。
界岭 隧道施 工施 工 实践 中 ， 膨 胀 性 围岩 大 都 是 吸水
和风化引起 的综合膨胀岩 ， 即在水和空气 的物理、 化
学作 用下 ， 富含 云母软 岩 、 变 质岩 等岩体 发生 体积增 大 。在隧 道施工 中， 由于钻 爆 法 开 挖使 洞 壁 较 远处 裂 隙水渗 入及施 工用水 的浸 入 ， 使 围岩 吸水膨 胀 ， 从 而对 隧道 初期支 护 产 生膨 胀 压 力 ； 开挖 外 露 的变质 岩 遇空气 迅速 软化 ， 围岩应 力得 到有效 释放 ， 使用 隧 道 围岩产 生塑性 变形 ， 加 大 了膨 胀压 力 。 若 隧道 支护体 系 处 治不 当 ， 甚 至 采用 非 膨 胀 性
隧道 开挖 后 ， 围岩 发生 变 形 ， 压 紧拱 架 ， 拱架 承
受荷 载 ， 产 生 内力 。 内力对 拱 架 力 学性 能 最 有影 响
的是 轴力 和弯矩 。轴 力推 动拱架 节 间搭 接 型钢 的滑
动， 而弯矩 则 阻止其 滑动 。 当轴力 推 动型钢 时 ， 连接 件将 发 生歪斜 ， 受力 后产 生变形 ， 使连 接件 与型钢 问 的压力 加大 ， 由此产 生 附加压 紧力 ， 预紧力 和附加 压 紧力就 形成 了型钢 搭接部 分之 间 的摩 擦 阻力 。当轴 向推动 力小 于这个 摩擦 阻力 时 ， 拱架 不缩 ； 若推 动力 大于摩 擦 阻力 ， 型 钢 之 间产 生 相 对 滑动 ， 拱架缩短，
性 支护 ， 但 同样 与工 字 钢 及 Ｈ 型钢 一 样 ， 采 用 法 兰
式 对接 ， 拱架 不 能 随 围岩 一起 收敛 变形 。拱架 在 较
低 的围岩压力 作 用下 产 生 弹性 变 形 和 挠 曲 ， 当外 荷
载继续 增加 ， 拱架 内力 随之 加 大 ， 拱 架 没 有可 缩 性 ， 则 在 内力大 到一 定程度 后 ， 拱 架就 会 出现 塑形 变形 ， 严 重 时拱架将 遭 到破坏 而失 去拱撑 能力 。
公路 隧道
２ ０ １ ３年 第 １ 期（ 总第 ８ １期）
中强膨 胀 性 围岩 隧道 施 工 技 术
黄 强
（ 中铁十七局集团第 四工程有 限公 司 重 庆 ４ ０ １ １ ２ຫໍສະໝຸດ Baidu１ ）
摘 要
宜巴高速公路界岭隧道地处丘陵地区， 穿越中强膨胀性围岩地带 ， 针对膨胀围岩特点， 通过分析其基本
相应 减小 了拱架 承 受 的外 荷 载 ， 轴 向推 力 小 于摩 擦 阻力 ， 型钢 之 间出现 相 对稳 定 ， 拱 架 不 再 缩短 ， 与外
围岩的刚性支护 ， 则容易产生洞室坍塌 、 初支侵限、 衬砌开裂及仰拱鼓起等不 良后果 ， 而地下水往往富
集 于隧道仰 拱部位 ， 故膨 胀 压 力 对仰 拱 的破 坏作 用 更 为显著 。此外 ， 膨 胀性 围岩 性 状 变化 主要 由岩石 含水 量变 化引起 ， 若 能保持 开挖前 的含 水量 ， 通 常不
道， 其 中左洞 长 ５ ６ ５ ３ ｍ， 右 洞长 ５ ６ ８ １ ｍ。界 岭 隧道 围
再遇水偏要膨胀坍塌， 其干燥失水越多， 遇水膨胀变 形也越大， 围岩膨胀压力会增加， 同时岩体会软化 ，
承 载力 降低 。因而 ， 膨胀 性 围岩是一 种吸 水膨胀 、 失
水 收缩 和反 复膨胀 变形 的 围岩 。
具备膨胀特性 ； 但开挖后膨胀性 围岩迅速干燥失水，
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５２ ・
黄 强等 中强膨胀 性 围岩 隧道 施 工技 术 荷载 力 处于 相对 平衡 状 态 。Ｕ 型 钢 拱 架 出现 “ 滑 动
一
（ ２ ） 施工 采 用上 下 台阶法 ， 开挖 采用 局部 钻爆法
增 阻一再 滑动 一再 增 阻” 的反复 可缩 性工 作 过程 ，