第三系粉質粘土地層隧道大變形控制技術研究

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2013．03．047第三系粉質粘土地層隧道大變形控制技術研究鄒家鴻(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津300451)摘要：結合某第三系粉質粘土地層隧道實體工程，對第三系粉質粘土地層隧道大變形控制技術進行研究；針對此類囤巖大變形現(xiàn)象，進行的室內物相和微觀結構試驗表明第三系粉質粘土含有大量能產生大變形的片狀粘土礦物，室外現(xiàn)場直剪流變試驗，驗證了第三系粉質粘土具有流變特性；采用數(shù)值分析方法研究了流變對隧道結構安全的影響，通過增強支護強度以及提高初支和二

2、襯之問預留變形量的方式來改善隧道設計和施工工藝，讓流變引起的主體變形在二襯施作前完成，最后通過現(xiàn)場監(jiān)測結果驗證優(yōu)化后的隧道支護設計和施工方法。關鍵詞：隧道；第三系粉質粘土；大變形；控制技術中圖分類號：U457+．2文獻標志碼：B文章編號：1672—4011(2013)03—0105—030前言迄今為止，第三系粉質粘土的研究成果十分有限，尤其是缺乏第三系粉質粘土地層隧道的受力和變形特征以及設計施工技術研究。第三系粉質粘土星堅硬一硬塑狀態(tài)，它是一種典型的粘土巖，具有強度低、受擾動容易開裂和流變等特點。開展第三系

3、粉質粘土及其隧道支護變形研究難度較大，主要是由第三系粉質粘土自身性質來決定，它屬于硬巖和軟土中的一種特殊介質。它相對于一般土而言硬度較大，很難象采取常規(guī)的取樣方法來進行第三系粉質粘土現(xiàn)場取樣，取樣鋼管無法切入粘土內；如果象巖石取樣一樣，采取沖擊鉆或切割機，第三系粉質粘土受振動容易產生裂紋甚至破碎。第三系粉質粘土試樣的制作難度阻礙了它的研究進展。因此，針對第三系粉質粘土地層隧道大變形機理，分析隧道受力和變形特征，提出有效的隧道設計和施工技術顯得尤為重要與緊迫。1工程概況某隧道起止里程為DIK435+795一D

4、IK4．42+305，全長6510m的單洞雙線隧道，線間距5m，全隧道采用帶仰拱的曲墻復合式襯砌，錨噴支護，采用CRTSI型雙塊式無砟軌道。隧道最大埋深327．6m，最小埋深7．0m。隧道所穿越第三系粉質粘土地層部分主要為第三系上新統(tǒng)(N2)粉質粘土，局部夾粉、細砂層，有少量孔隙水，隧道穿越粉、細砂層時水量較豐富。地質勘察階段顯示：第三系(N2)粉質粘土，硬塑一堅硬，富含鈣質結核。其土作者簡介：鄔察鴻(1972一)，男，本科，工程師，主要從事施工技術工作。體干燥時呈堅硬狀，強度較高，土體浸水后易軟化、泥化、

5、膨脹崩解，自由膨脹率FS=37～56％，蒙脫石含量M=14．52—27．96％，陽離子交換量CEC(NH,+)=203．82—356．71mmol／kg，具有弱一中等膨脹性。2大變形特征及原因初步判定經(jīng)過長達半年以上時間對DIK437+010—100段初支和二襯的觀察跟蹤，發(fā)現(xiàn)其大變形主要特征為：①土體浸水后易軟化、泥化、膨脹崩解，自穩(wěn)能力差；②圍巖變形量大和變形分布不均、不對稱，設計給出的預留變形量為100—150mln，而實際拱頂下沉累計達到200衄以上，單邊水平收斂變形累計達到300—450衄以上；③

6、開挖后變形速率快且變形時間長，局部地段達數(shù)月或半年以上。初支施作后出現(xiàn)鋼拱架彎曲、噴射混凝土開裂、大面積掉塊、侵限；④變形存在突變現(xiàn)象，初支封閉成環(huán)、仰拱和填充施工完畢后，拱頂沉降和水平收斂存在突變過程；⑤在二襯施作前仰拱填充不隆起不開裂，二襯施工完成后仰拱填充中部出現(xiàn)隆起和縱向連通的張裂縫，寬度3—20mm，向下延伸至仰拱，上隆最大為30mm。導致第三系粉質粘土地層大變形的原因初步判定如下：①第三系粉質粘土具有硬塑一堅硬，富含鈣質結核，其土體干燥時呈堅硬狀，強度較高，土體浸水后易軟化、泥化、膨脹崩解，具有

7、弱一中等膨脹性；②根據(jù)現(xiàn)場調查，初期支護變形需要較長時間才能穩(wěn)定，判定第三系粉質粘土具有流變特性，流變是引起隧道支護大變形和仰拱填充層開裂的原因。3大變形控制技術研究內容在深入調查隧道混凝土開裂、掉塊、鋼拱架扭曲、仰拱隆起和支護侵限等問題的基礎上，從第三系粉質粘土地層物理力學性質、隧道施工數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測幾個方面展開研究。4大變形控制技術研究方法4．1第三系粉質粘土地層的物理力學性質第三系粉質粘土物理力學特性的研究主要采取室內外試驗的方法，確定它的顆粒組成、液塑性狀態(tài)、密實度、礦物成分和微觀結構形式，測

8、定土的強度參數(shù)，判定土是否流變特性。室內試驗主要包括顆粒級配、液塑限、密度、礦物成分、電鏡掃描、三軸強度試驗；室外試驗主要是現(xiàn)場直剪流變試驗。根據(jù)試驗結果，從微觀結構和宏觀力學等角度來剖析隧道出現(xiàn)大變形的原因。4．1．1基本物理參數(shù)室內試驗及其結果土樣顆粒級配表明所取土樣直徑小于0．075姍的顆粒所占比例為100％，其中粉土顆粒(0．002～0．075mill)含量約為80％，粘土顆粒(<0．002衄)含量約為2