田 松

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0 引言

膨脹性泥巖地質(zhì)具有吸水膨脹和泥化等特點,隧道施工遇到膨脹性泥巖地層時,隧道的早期支護變形大,位移變化大,若不采取有效的措施,將會造成隧道斷面減小,支護結(jié)構(gòu)的混凝土開裂或損壞,從而增加施工難度。近年來,由于對膨脹巖土的認(rèn)識不足,導(dǎo)致了一系列的工程事故和地質(zhì)災(zāi)害。所以,對膨脹性泥巖隧道的強度和穩(wěn)定性的研究,對于隧道工程施工是十分必要的。在鐵路工程方面,南昆鐵路由于膨脹巖的廣泛分布多次使得路基和邊坡發(fā)生變形坍塌[1]。文章回顧了近年來有關(guān)膨脹性泥巖地質(zhì)隧道的研究進展,對膨脹巖和泥巖的概念、類型進行了詳細(xì)介紹,對國內(nèi)外關(guān)于膨脹巖的判別指標(biāo)進行了統(tǒng)計分析,對有關(guān)膨脹性泥巖實驗特性進行了詳細(xì)闡述,對膨脹性泥巖隧道的研究進行了一定的說明。對這類問題研究將為膨脹性泥巖地區(qū)鐵路、公路隧道的建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗和建議。

1 膨脹巖的定義

膨脹巖在非飽和土類中是最具代表性的一類土之一[2],似巖非巖、似土非土,而且與水的關(guān)系極其密切,膨脹巖的親水性主要表現(xiàn)在強親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石與水作用發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),隨著時間的推移,巖石含水率逐漸增加,體積也逐漸增大[3],而根據(jù)其物理力學(xué)性能,它是一種軟化、風(fēng)化的軟巖,故稱為膨脹巖[4]。

2 膨脹性泥巖的綜合判別

2.1 膨脹巖的判別

表1 國外膨脹巖判斷指標(biāo)匯總

表2 國內(nèi)設(shè)計院膨脹巖判斷指標(biāo)匯總

表3 國內(nèi)其他膨脹巖判斷指標(biāo)匯總

2.2 膨脹性泥巖強度分級

雖然泥質(zhì)巖強度具有易變特性,但其在外力作用下抵抗永久變形和破碎的能力在工程應(yīng)用中仍然是一項重要的指標(biāo),為此在對泥質(zhì)巖的強度分布、強度大小與工程穩(wěn)定性的關(guān)系的研究基礎(chǔ)上,以強度指標(biāo)把泥質(zhì)巖分為了4級,如表4所示。

表4 泥質(zhì)巖的分級

綜上所述,只是因為不同學(xué)者對膨脹性泥巖的膨脹特性判別所依據(jù)指標(biāo)有著不同的考慮,所以使得不同學(xué)者采用指標(biāo)的個數(shù)有所差異。

3 膨脹性泥巖的膨脹力和工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀

3.1 膨脹性泥巖膨脹力研究現(xiàn)狀

《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》將膨脹力定義為在不允許產(chǎn)生橫向變形的情況下,使其充分吸收水分,同時又能使其不產(chǎn)生垂直擴張,所需要的最大壓力,也就是最大膨脹力。不同學(xué)者也對膨脹性泥巖的膨脹力進行了相關(guān)研究,王清洲等[5]以粒徑小于5 mm的膨脹性泥巖為研究對象,分別制備了多種不同直徑、不同干密度的試件,采用正交法分析了膨脹性泥巖的軸向與環(huán)向膨脹力影響的敏感性,并指出膨脹力隨粘土巖粒徑的增大而降低,同時隨干密度的增大而增大。尚彥軍等[6]對大阪引水隧洞穿越中侏羅統(tǒng)的泥質(zhì)巖粘土礦物組份、微觀結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究分析,依據(jù)該地質(zhì)條件下的膨脹力等實驗研究得出了最大膨脹力出現(xiàn)在重塑樣烘干后,而重塑樣風(fēng)干后的膨脹力一般會變小。

綜上所述,在對膨脹性泥巖(土)特性的研究中,干濕循環(huán)的次數(shù)、氣候、水環(huán)境、初始含水率、干密度、巖土體結(jié)構(gòu)、裂隙結(jié)構(gòu)面等密切相關(guān),但由于各膨脹巖的分布區(qū)域和類型差異較大,使得各因子對膨脹性的影響具有一定的定量關(guān)系。

3.2 膨脹性泥巖隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

在隧道工程中,圍巖的穩(wěn)定性與支護結(jié)構(gòu)的安全性有很大的關(guān)系,目前國內(nèi)外對其進行了大量的室內(nèi)外試驗、數(shù)值模擬和監(jiān)測量測等研究。尤其是在膨脹性泥巖中,由于開挖引起的圍巖應(yīng)力重新分配,且在開挖初期容易產(chǎn)生裂縫而發(fā)生變形,長時期圍巖將會大量擠壓到隧道內(nèi),使底板出現(xiàn)大量隆起,從而給隧道早期的支護和襯砌帶來嚴(yán)重的損害,嚴(yán)重情況下會發(fā)生坍塌冒頂?shù)仍斐墒鹿?會使得隧道圍巖不穩(wěn)定以及支護變形的現(xiàn)象顯著。

楊建國等[7]通過對在建平?jīng)鲋炼ㄎ鞯撵o寧紅層泥巖公路隧道變形規(guī)律的研究得出,該地質(zhì)條件下圍巖變形表現(xiàn)為緩慢-基本穩(wěn)定的變化規(guī)律。張秀良[8]以胡家灣隧道為依托工程,對控制泥巖地層變形的隧道施工技術(shù)進行了詳細(xì)研究,結(jié)果表明,采取分段開挖和臨時仰拱成環(huán)的施工方法,對隧道的圍巖變形有顯著的抑制作用。朱文俊[9]通過對洞內(nèi)外長期的位移監(jiān)測,總結(jié)出頁巖泥巖隧道施工位移變化規(guī)律,解決了施工中的技術(shù)難點問題。馬曉文等[10]對西北地區(qū)某泥巖隧道利用有限元軟件研究了仰拱底部的圍巖軟化現(xiàn)象,結(jié)果表明,塑性區(qū)內(nèi)部發(fā)生軟化后,仰拱底部將產(chǎn)生明顯的隆起。

3.3 膨脹性泥巖隧道施工方法研究現(xiàn)狀

膨脹巖性泥巖隧道施工一般采用全斷面法、臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、預(yù)留核心土法、新奧法等。劉雪冬[11]對處于炭質(zhì)泥巖地層的興源隧道施工進行了研究,并提出了控制圍巖變形以及提高工程施工進度的方法,該方法不僅解決了該隧道的高難度施工難題,而且給該類的工程問題積累了寶貴的經(jīng)驗。大量的工程實踐證明,膨脹巖洞必須遵循先柔后剛、先讓后頂、分層支護的原則,并著重于開挖斷面形狀、預(yù)留變形量尺寸、初襯的相關(guān)支護參數(shù)、仰拱的設(shè)計和施工。其中表5給出了國內(nèi)部分膨脹巖隧道施工方法及支護參數(shù)。

表5 國內(nèi)膨脹巖相關(guān)隧道施工方法及支護

3.4 膨脹性泥巖隧道施工要點

針對膨脹性泥巖引起圍巖變形大、變形發(fā)展速度快,且受周圍水文地質(zhì)條件影響大等特點,建議采取“短開挖,弱爆破,強支護,快速封閉”的施工原則,因此,綜合國內(nèi)許多學(xué)者的相關(guān)研究得出了以下幾點施工中需要注意的要點:

(1)針對常出現(xiàn)的圍巖和支護變形超限、持續(xù)發(fā)展的情形,提出了在拱基以下一定距離內(nèi)采用錨固或鋼管注漿的方法。

(2)對膨脹巖隧道建議采取超前地質(zhì)預(yù)報、超前支護、對初支設(shè)鋼拱架、噴射混凝土和打錨桿、對于膨脹地段的隧道,在這種情況下,二次襯砌的厚度要大于常規(guī)圍巖段,并具有較高的加筋率。

(3)初期支護采用柔性支護,預(yù)留適量變形量,并且支護結(jié)構(gòu)要達(dá)到約束泥巖隧道圍巖及支護的膨脹變形,同時又可以降低膨脹壓力對支護結(jié)構(gòu)的影響。

綜上所述,膨脹性泥巖地層中修建隧道與地下工程,有必要采用室內(nèi)外試驗、理論分析、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測分析等多種方法,對其工程特點和施工要點進行細(xì)致的探討與分析。

4 結(jié)論

(1)膨脹性泥巖相關(guān)理論研究已經(jīng)取得了一定的成果,但今后必須特別重視以下兩個方面:模型的計算與分析要結(jié)合研究對象的特征和工作環(huán)境,把握主要要素,忽視次要要素,力求簡潔;避免為創(chuàng)新而吹毛求疵、為創(chuàng)新而人為復(fù)雜化的傾向,從而更好地把有關(guān)膨脹性泥巖的研究結(jié)果應(yīng)用于實際工程。

(2)膨脹性泥巖相關(guān)判別與分級也已經(jīng)取得了一定的成效,但今后必須特別重視:針對實際工程選用合適的判別指標(biāo),盡可能形成實用型的規(guī)范,便于今后類似工程選用,特別是在膨脹性泥巖的相關(guān)研究方面,經(jīng)過多年的發(fā)展也取得了顯著的成果,由于其是膨脹巖的一個分支,今后可以參照膨脹巖的總體經(jīng)驗,應(yīng)該做更多的研究工作。

(3)膨脹性泥巖地質(zhì)及施工條件修建隧道,建議把理論分析、現(xiàn)場試驗及室內(nèi)試驗、數(shù)值模型分析結(jié)合起來。

(4)膨脹性泥巖隧道項目相對較少,借鑒其他類型膨脹巖的施工技術(shù)和經(jīng)驗,可為膨脹性泥巖隧道的建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗。