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膨脹土圍巖地段施工工學(xué)論文

時間:2023-05-03 10:34:48 論文范文 我要投稿
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膨脹土圍巖地段施工工學(xué)論文

  膨脹土系指土中粘土礦物成分主要由親水性礦物組成,同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性,且具有濕脹干縮往復(fù)變形的高塑性粘性土。決定膨脹性的親水礦物主要是蒙脫石粘土礦物。

膨脹土圍巖地段施工工學(xué)論文

  我國是世界上膨脹土分布面積最廣的國家之一,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有膨脹土發(fā)育的地區(qū)達(dá)20余個省、市、自治區(qū),遍及西南、西北、東北、長江與黃河中下游及東南沿海地區(qū)。其中主要有:云南、貴州、四川、湖北、安徽、廣東、廣西、陜西、山西、河南、山東和河北等省區(qū)分布是十分廣泛的。

  一、膨脹土圍巖的特性

  隧道穿過膨脹土地層,隧道開挖后不久,常常可以見到圍巖因開挖而產(chǎn)生變形,或者因浸水而膨脹,或因風(fēng)化而開裂等現(xiàn)象。使坑道的頂部及兩側(cè)向內(nèi)擠入,底部鼓起,隨著時間的增長導(dǎo)致圍巖失穩(wěn),支撐、襯砌變形和破壞。這些現(xiàn)象說明膨脹土圍巖性質(zhì)是極其復(fù)雜的。它與一般土質(zhì)的圍巖性質(zhì)有著根本的區(qū)別。

  膨脹土圍巖的基本特性,主要有以下三方面:

 。1)膨脹土圍巖大多具有原始地層的超固結(jié)特性,使土體中儲存有較高的初始應(yīng)力。當(dāng)隧道開挖后,引起圍巖應(yīng)力釋放,強(qiáng)度降低,產(chǎn)生卸荷膨脹。因此,膨脹土圍巖常常具有明顯的塑性流變特性,開挖后將產(chǎn)生較大的塑性變形。

 。2)膨脹土中發(fā)育有各種形態(tài)的裂隙,形成土體的多裂隙性。膨脹土圍巖實(shí)際上是土塊與各種裂隙和結(jié)構(gòu)面相互組合形成的膨脹土體。由于膨脹土體在天然原始狀態(tài)下具有高強(qiáng)度特性,隧道開挖后洞壁土體失去邊界支撐而產(chǎn)生脹縮,同時因風(fēng)干脫水使原生隱裂隙張弛,使圍巖強(qiáng)度急劇衰減。因此,隧道施工開挖過程中,常有初期圍巖變形大,發(fā)展速度快等現(xiàn)象。

 。3)膨脹土圍巖因吸水而膨脹,失水而收縮,土體中干濕循環(huán)產(chǎn)生脹縮效應(yīng)。一是使土體結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度衰減或喪失,圍巖壓力增大。二是造成圍巖應(yīng)力變化,無論膨脹壓力或收縮壓力,都將破壞圍巖的穩(wěn)定性,特別是膨脹壓力將對增大圍巖壓力起疊加作用。

  二、膨脹土圍巖對隧道施工的危害

  由于膨脹土圍巖的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)及其圍巖壓力特性,使膨脹土的隧道圍巖具有普遍開裂、內(nèi)擠、坍塌和膨脹等變形現(xiàn)象。膨脹土隧道圍巖變形常具有速度快、破壞性大、延續(xù)時間長和整治較困難等特點(diǎn)。施工中常見的幾種情況,簡述如下:

 。1)圍巖裂縫:隧道開挖后,由于開挖面上土體原始應(yīng)力釋放產(chǎn)生脹裂;另外,因?yàn)楸韺油馏w風(fēng)干而脫水,產(chǎn)生收縮裂縫。同時,兩種因素都可以使土中原生隱裂隙張開擴(kuò)大。沿圍巖周邊產(chǎn)生裂縫,尤其在拱部圍巖容易產(chǎn)生張拉裂縫與上述裂縫貫通,形成局部變形區(qū)。

 。2)坑道下沉:由于坑道下部膨脹土體的承載力較低,加之上部圍巖壓力過大,而產(chǎn)生坑道下沉變形?拥赖南鲁粒斐芍巫冃、失效,進(jìn)而引起土體坍塌等現(xiàn)象。

 。3)圍巖膨脹突出和坍塌:膨脹土開挖過程中或開挖后,圍巖產(chǎn)生膨脹土變形,周邊土體向洞內(nèi)膨脹突出,開挖斷面縮小。在土體喪失支撐或支撐力不夠的狀態(tài)下,由于圍巖壓力和膨脹壓力的綜合作用,使土體產(chǎn)生局部破壞,由裂縫發(fā)展到出現(xiàn)溜塌,然后逐漸牽引周圍土體連續(xù)破壞,形成坍塌。

 。4)底鼓:隧道底部開挖后,洞底圍巖的上部壓力解除,又無支護(hù)體約束的條件下,由于應(yīng)力釋放,洞底圍巖產(chǎn)生卸荷膨脹;加之坑道積水,使洞底圍巖產(chǎn)生浸水膨脹。因而造成洞底圍巖鼓出變形。

 。5)襯砌變形和破壞:在先拱后墻法施工中,拱部襯砌完成后至開挖馬口的這段時間,由于圍巖和膨脹壓力,常常產(chǎn)生拱腳內(nèi)移,同時發(fā)生不均勻下沉,拱腳支撐受力大,發(fā)扭曲、變形或折斷。拱頂受擠壓下沉,也有向上凸起。拱頂外緣經(jīng)常出現(xiàn)縱向貫通拉裂縫,而拱頂內(nèi)緣出現(xiàn)擠裂、脫皮、掉塊現(xiàn)象。在拱腰部位出現(xiàn)縱向裂縫,這些裂縫有時可發(fā)展到張開、錯臺。當(dāng)采用直墻時,邊墻常受膨脹側(cè)壓而開裂,甚至張開、錯臺,少數(shù)曲墻也有出現(xiàn)水平裂縫的情況。當(dāng)?shù)撞课醋鲅龉盎騼H做一般鋪底時,有時會出現(xiàn)底部鼓起,鋪底被破壞。

  三、膨脹土圍巖的隧道施工要點(diǎn)

  (一)加強(qiáng)調(diào)查、量測圍巖的壓力和流變

  在膨脹土地層中開挖隧道,除了認(rèn)真實(shí)施設(shè)計(jì)文件所提出的技術(shù)要求外,在施工過程中應(yīng)對圍巖壓力及其流變情況進(jìn)行充分的調(diào)查和量測,分析其變化規(guī)律。對地下水亦應(yīng)探明分布范圍及規(guī)律,了解水對施工的影響程度,以便根據(jù)圍巖動態(tài)采取相應(yīng)的施工措施。如原設(shè)計(jì)難以適應(yīng)圍巖動態(tài)情況,也可據(jù)此作適當(dāng)修正。

 。ǘ┖侠磉x擇施工方法

  膨脹土隧道圍巖壓力的施工效應(yīng),是導(dǎo)致隧道變形病害的主要原因。采用合理的施工方法,對隧道的穩(wěn)定性有著十分重要的作用。因此,在施工中應(yīng)以盡量減少對圍巖產(chǎn)生擾動和防止水的浸濕為原則,所以宜采用無爆破掘進(jìn)法。如采用掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)鎬、液壓鎬等開挖。在開挖過程中盡可能縮短圍巖暴露時間,并及時襯砌,以盡快恢復(fù)洞壁因土體開挖而解除的部分圍巖應(yīng)力,減少圍巖膨脹變形。開挖方法宜不分部或少分部,多采用正臺階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法和“眼鏡法”。正臺階法適用于跨度小的隧道,它分部少相互干擾小,且能較早地使支護(hù)(襯砌)閉合。側(cè)壁導(dǎo)坑法和“眼鏡法”較適用于跨度較大的隧道,它具有防止上半斷面支護(hù)(襯砌)下沉的優(yōu)點(diǎn),但全斷面閉合時間較遲,必須注意防止邊墻混凝土受壓向隧道內(nèi)擠。

 。ㄈ┓乐箛鷰r濕度變化

  隧道開挖后,膨脹土圍巖風(fēng)干脫水或浸水,都將引起圍巖體積變化,產(chǎn)生脹縮效應(yīng)。

  因此,隧道開挖后及時噴射混凝土,封閉和支護(hù)圍巖。在有地下水滲流的隧道,應(yīng)采取切斷水源并加強(qiáng)洞壁與坑道防、排水措施,防止施工積水對圍巖的浸濕等。如局部滲流,可采用注漿堵水阻止地下水進(jìn)入坑道或浸濕圍巖。

 。ㄋ模┖侠磉M(jìn)行圍巖支護(hù)

  膨脹土圍巖支護(hù)必須適應(yīng)圍巖的膨脹特性。在施工時應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

 。1)噴錨支護(hù),穩(wěn)定圍巖。噴錨支護(hù)作為開挖膨脹土圍巖的施工支護(hù),可以加強(qiáng)圍巖的自承能力,允許有一定的變形而又不失穩(wěn)。采用噴錨支護(hù),應(yīng)緊跟開挖必要時在噴射混凝土的同時,采用鋼筋網(wǎng)。也可采用鋼纖維混凝土提高噴層的抗拉和抗剪能力。當(dāng)膨脹壓力很大時,可用錨噴及鋼架或格柵聯(lián)合支護(hù),在隧道底部打設(shè)錨桿,也可以在隧道頂部打入超前錨桿或小導(dǎo)管支護(hù)。膨脹土圍巖隧道的支護(hù),盡可能使其在開挖面周壁上迅速閉合。如果是臺階開挖,可在上半部開挖后盡快作出半部閉合,使圍巖盡早受到約束。

  總之,不論采用哪一種類型的支護(hù),都必須根據(jù)工程實(shí)際情況及圍巖變形狀態(tài)而定。

  (2)襯砌結(jié)構(gòu)及早閉合。膨脹土圍巖隧道開挖后,圍巖向內(nèi)擠壓變形一般是在四周同時發(fā)生,所以施工時要求隧道襯砌及早封閉。從理論上講,拱部、邊墻及仰拱宜整體完成,襯砌受力條件最好。但受施工條件的限制往往難以實(shí)現(xiàn)。因此,在灌筑拱圈部分時,應(yīng)在上臺階的底部先設(shè)置臨時混凝土仰拱或噴射混凝土作臨時仰拱,以使拱圈在邊墻、仰拱未完成前,自身形成臨時封閉結(jié)構(gòu)。然后當(dāng)進(jìn)行下部臺階施工時,再拆除臨時仰拱,并盡快灌筑永久性仰拱。

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