一、 概述

    小坪隧道全长2919m，隧道穿越分水岭，山势高峻，自然坡度为30º～70º隧道最大的埋深约130m。洞身地表有7条“V”形沟谷，切割深度一般为40～50m，最大达75～80m，沟沿多形成垂直陡坎。洞深通过白垩系的砂岩夹泥岩，岩层产状较为平缓，一般倾角在5º～10º之间。泥岩为紫红色含有膨胀矿物，颗粒较粗，薄-中厚层状，泥质胶结，胶结不良，质软易风化。据化验：泥岩矿物组成中蒙脱石含量占1.16～3.66%，伊利石含量为10.59～22.95%，高岭石含量为18～19%，小于2μm的粘粒含量占有14.5～27.0%，小于5μm的占据23.0～42.5％，膨胀量为3.5～4.6％，自由膨胀率为38～62％。整座隧道有1400m是膨胀岩地层。
    原设计除隧道进出口两面三刀端洞口段各式各10米及明洞段其余全部采用新奥法施工。开工时因不具备新奥法施工的条件，进出口各200m段变更设计，改按上下导坑开挖，模注衬砌施工。1998年8月出口段进行了新奥法施工试验。上半断面采用弧形断面开挖，开挖后马上进行挂网喷锚支护。挂网喷锚后第四天就出现喷层掉块，岩层失稳，发生坍方。事后分析认为主要是裂隙水和潮湿的隧道空气中水分进入岩体，引起周边围岩体积膨胀，岩石层间脱离，膨胀压力积累以致将喷层破坏，随着时间的延长，影响范围逐步扩大，最终导致坍塌。当时由于机具设备不配套，技术人员和工人对新奥法施工不熟悉，若坚持在此种膨胀围岩中继续进行新奥法施工工艺探索，势必延误工期，1992年3月，通过变更设计整座隧道全部变更为矿山法施工。

    二、 膨胀岩膨胀原因分析

    岩体的膨胀是一个复杂的现象，大致可以综合为以下几原因，或者是这几种因素复合作用的结果。

    1． 岩石的物理力学性质和化学性质的变化。体积的膨胀是岩石中膨胀性矿物质吸水后引起的。由于这种矿物质亲水性强，吸水后，泥质胶结物及粘土粒周围形成结合水薄膜，减弱了各种颗粒间的凝聚力，使其互相分离，导致体积膨胀增大。膨胀压力也可由于水化作用，氧化作用和碳酸化作用等化学变化引起，结果使原来岩体和体积增大。

    2． 沉积地层的潜在应力释放。由于褶曲、断层运动等原因而发生的围岩潜在应力释放，导致周边围岩的体积膨胀，并随时间的增大而增大，围岩的强度也随之降低。

    3． 围岩的剪切破坏。伴随开挖的进行，周边围岩的剪切破坏引起围岩的体积膨胀以及岩块沿着剪切面塑性变化而向临空面挤出。

    通过对小坪隧道膨胀岩地段围岩膨压现象的观察，发现岩石中大量的膨胀矿物质在围岩的破坏区吸收自由水引起膨润、湿润，特别在断层地带，裂隙节理发育位置，渗水厉害时，膨胀程度 更为明显，岩石表层在开挖三、四天后即粘土化，用手能捏成团。，围岩浸水的部位强度和稳定性降低，因而容易出现崩坍。

    三、 膨胀岩对施工的影响

    小坪隧道经变更设计后，一般都采用上下导坑，先拱后墙法施工，在石质稍好地段上半断面采用弧形导坑开挖。围岩开挖爆露三、四天后，围岩的裂隙水和潮湿空气对岩体侵蚀，围岩表面间脱落，出现掉块，有时形成坍方。下导坑掘进时，在裂隙水发育地段，曾出现多次坍方，最大一次坍方高度为10m，长度16m,将排架支撑砸碎坏。在DK128+774处有一条与线路正交的小断层，断层内为破碎严重，膨胀性很大，含水量高，几乎是塑性化的岩石。在风钻打完眼后，钻孔孔眼因膨胀挤压缩小，装不进炸药，此段不得不采用人工开挖, 下导坑开挖采用间距1.0m的木支撑，紧跟掌子面，因膨胀压力大，几天后，支撑逐渐被挤压变形，由于导坑底渗水积集，立柱压入软化的坑底0.3米，立柱下端常被导坑两帮围岩挤向导坑中间，排架支撑变成上宽下窄的倒八字型。由于顶板围岩膨胀，有时连续四、五根横梁从中折断。下导坑净空由于3.2米挤缩成2.5米左右，装碴机械和矿车无法通过。在采用上导坑施工地段，导坑木支撑预留沉降量0.5米，在扩大时衬砌外轮廓线放大0.2～０.4米。由于扇形支撑时常被挤断移位，衬砌时仍有部分横梁侵入衬砌断面内，需要抽换。拱部施工完后，衬砌结构变形开裂，拱腰处拉裂错动，形成水平通缝，混凝土拱圈被压碎掉块。在出口，有一环边墙因侧压作用发生位移，造成侵限0.1米，最后只得凿除重灌。导坑底因围岩渗水和施工用水的浸泡，形成泥浆，矿车和施工人员来回走动，泥浆深度越来越深，最深处达0.7～０.9米.导致运输轨道不稳，给出碴进料带来很大的困难。在地表沟谷位置或断层破碎带，地表水下渗，围岩渗水多的地段，围岩膨胀就厉害，稳定性也差；渗水少，围岩稳定性就好。围岩膨胀与暴露时间的一般规律是：初期挤入量大且增长快，后期挤入量逐步减少，增长变慢，随着时间增长，变形渐趋稳定。但围岩表层泥化仍然继续发展。

    四、 膨胀岩中施工的措施

    在膨胀性地层中，必须针对岩性采取相应的措施以维护围岩的稳定，保证施工顺利进行。通过施工实践，观察发现膨胀岩在干燥无水的情况下还是比较稳定的，但在岩石裂隙节理发育、裂隙密集含水多时，就会出现局部膨胀、崩解、软化等现象。裂隙逐步扩展连通，最后围岩整体丧失稳定。水份一般集中于围岩表层，水体难向岩体内部深处渗透，所以膨胀岩的膨胀一般多发生在岩体表层浅处，岩体表层常被崩解成片状或碎块状。针对膨胀岩崩解、软化、坍塌的原因，我们采取的措施就是尽量减少水对围岩的侵蚀。

    1． 控制好施工用水，减少水的漫流和积水浸泡，对围岩渗水和施工用水集中归槽抽出洞外。进口施工是反坡，排水比较困难，于是在距洞口150米左右设集水井，形成多级抽水，把水及时排出洞外。出口石质较差，岩石遇膨胀，崩解软化成泥相当厉害。决定在洞口100多米地段的下导坑采用砂浆封闭导坑底，防止导坑底软化，对运输轨道采取加密轨枕，扩大受力面积，将24kg轨代替18kg轨，提高轨道的稳定性。风钻打眼，施工用水不好控制，就用电钻代替风钻，减少了施工用水。同时，加强通风，防止潮湿空气对围岩表层的侵蚀。

    2． 上部采用弧形导坑开挖，锲形开口锚杆作临时支护，先拱后墙法施工。工序安排紧凑，开挖后，围岩暴露时间尽量缩短，减少风化、水化作用。弧形导坑（或扩大）距衬砌好的拱部距离不拉开过长（一般3～5米），拱圈完成一定长度，并达到设计强度后，抓紧开挖马口（对马口），灌注边墙，仰拱，尽快形成封闭结构。

    3． 支护适应围岩的变形。为防止下导坑排架立柱下端被挤出，在膨胀压力大的地段，加设底梁。排架之间用小钢轨纵向连接形成整体结构，两帮用背柴顶紧。弧形导坑采用锲形开口锚杆作为临时支护。

    4． 正确确定挖尺寸。由于不同地段围岩膨胀程度各不相同，根据具体情况，确定预留必要的拱圈沉落量和支撑沉降量，确保设计净空尺寸，避免衬砌厚度不够，抽梁换柱时引起坍方。

    5． 在开挖爆破时，采用短进尺，弱爆破，尽量减少爆破对围岩的扰动。在膨胀岩中开挖，分宜少，上半断面由于小导坑和扩大两面三刀部开挖改为弧形导坑一次开挖，锲形开口锚杆临时支护，效果就明显好得多。

    五、 膨胀岩中的施工体会

    1、 水是膨胀岩产生膨胀的主要原因，施工中对围岩渗水必须引起足够的重视，很多次坍方，都跟水有关。在地表沟谷地段，在下水补给充足，围岩变差，施工要采取加强支护措施，防止坍方发生。

    2、 小坪隧道虽然因工期原因由新奥法施工变为矿山法施工，但对软弱围岩，宜采用喷锚构筑法，以适应围岩变形的特性。在膨胀性地层中，采用强顶硬撑的方法，看起来似乎安全可靠，实际上没有适应地层变形的特点，支撑的刚度愈大，所受膨胀压力也愈大，结果往往使所设置地刚性支撑破坏，起不到对围岩支护的作用。锚杆喷混凝土支护具有一定的柔性，能适应围岩变形的特点。

    3、 施工时，对围岩的膨胀程度，凭感性认识是不科学的，应对围岩膨胀变形情况进行监测，根据量测结果将信息反馈给施工人员，以便及时调整支护参数，指导施工。才能达到安全、高效的目的。
文章转载自：钢模板再生网