第三系粉质粘土地层隧道大变形控制技术研究

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2013．03．047第三系粉质粘土地层隧道大变形控制技术研究邹家鸿(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津300451)摘要：结合某第三系粉质粘土地层隧道实体工程，对第三系粉质粘土地层隧道大变形控制技术进行研究；针对此类囤岩大变形现象，进行的室内物相和微观结构试验表明第三系粉质粘土含有大量能产生大变形的片状粘土矿物，室外现场直剪流变试验，验证了第三系粉质粘土具有流变特性；采用数值分析方法研究了流变对隧道结构安全的影响，通过增强支护强度以及提高初支和二

2、衬之问预留变形量的方式来改善隧道设计和施工工艺，让流变引起的主体变形在二衬施作前完成，最后通过现场监测结果验证优化后的隧道支护设计和施工方法。关键词：隧道；第三系粉质粘土；大变形；控制技术中图分类号：U457+．2文献标志码：B文章编号：1672—4011(2013)03—0105—030前言迄今为止，第三系粉质粘土的研究成果十分有限，尤其是缺乏第三系粉质粘土地层隧道的受力和变形特征以及设计施工技术研究。第三系粉质粘土星坚硬一硬塑状态，它是一种典型的粘土岩，具有强度低、受扰动容易开裂和流变等特点。开展第三系

3、粉质粘土及其隧道支护变形研究难度较大，主要是由第三系粉质粘土自身性质来决定，它属于硬岩和软土中的一种特殊介质。它相对于一般土而言硬度较大，很难象采取常规的取样方法来进行第三系粉质粘土现场取样，取样钢管无法切入粘土内；如果象岩石取样一样，采取冲击钻或切割机，第三系粉质粘土受振动容易产生裂纹甚至破碎。第三系粉质粘土试样的制作难度阻碍了它的研究进展。因此，针对第三系粉质粘土地层隧道大变形机理，分析隧道受力和变形特征，提出有效的隧道设计和施工技术显得尤为重要与紧迫。1工程概况某隧道起止里程为DIK435+795一D

4、IK4．42+305，全长6510m的单洞双线隧道，线间距5m，全隧道采用带仰拱的曲墙复合式衬砌，锚喷支护，采用CRTSI型双块式无砟轨道。隧道最大埋深327．6m，最小埋深7．0m。隧道所穿越第三系粉质粘土地层部分主要为第三系上新统(N2)粉质粘土，局部夹粉、细砂层，有少量孔隙水，隧道穿越粉、细砂层时水量较丰富。地质勘察阶段显示：第三系(N2)粉质粘土，硬塑一坚硬，富含钙质结核。其土作者简介：邬察鸿(1972一)，男，本科，工程师，主要从事施工技术工作。体干燥时呈坚硬状，强度较高，土体浸水后易软化、泥化、

5、膨胀崩解，自由膨胀率FS=37～56％，蒙脱石含量M=14．52—27．96％，阳离子交换量CEC(NH,+)=203．82—356．71mmol／kg，具有弱一中等膨胀性。2大变形特征及原因初步判定经过长达半年以上时间对DIK437+010—100段初支和二衬的观察跟踪，发现其大变形主要特征为：①土体浸水后易软化、泥化、膨胀崩解，自稳能力差；②围岩变形量大和变形分布不均、不对称，设计给出的预留变形量为100—150mln，而实际拱顶下沉累计达到200衄以上，单边水平收敛变形累计达到300—450衄以上；③

6、开挖后变形速率快且变形时间长，局部地段达数月或半年以上。初支施作后出现钢拱架弯曲、喷射混凝土开裂、大面积掉块、侵限；④变形存在突变现象，初支封闭成环、仰拱和填充施工完毕后，拱顶沉降和水平收敛存在突变过程；⑤在二衬施作前仰拱填充不隆起不开裂，二衬施工完成后仰拱填充中部出现隆起和纵向连通的张裂缝，宽度3—20mm，向下延伸至仰拱，上隆最大为30mm。导致第三系粉质粘土地层大变形的原因初步判定如下：①第三系粉质粘土具有硬塑一坚硬，富含钙质结核，其土体干燥时呈坚硬状，强度较高，土体浸水后易软化、泥化、膨胀崩解，具有

7、弱一中等膨胀性；②根据现场调查，初期支护变形需要较长时间才能稳定，判定第三系粉质粘土具有流变特性，流变是引起隧道支护大变形和仰拱填充层开裂的原因。3大变形控制技术研究内容在深入调查隧道混凝土开裂、掉块、钢拱架扭曲、仰拱隆起和支护侵限等问题的基础上，从第三系粉质粘土地层物理力学性质、隧道施工数值模拟以及现场监测几个方面展开研究。4大变形控制技术研究方法4．1第三系粉质粘土地层的物理力学性质第三系粉质粘土物理力学特性的研究主要采取室内外试验的方法，确定它的颗粒组成、液塑性状态、密实度、矿物成分和微观结构形式，测

8、定土的强度参数，判定土是否流变特性。室内试验主要包括颗粒级配、液塑限、密度、矿物成分、电镜扫描、三轴强度试验；室外试验主要是现场直剪流变试验。根据试验结果，从微观结构和宏观力学等角度来剖析隧道出现大变形的原因。4．1．1基本物理参数室内试验及其结果土样颗粒级配表明所取土样直径小于0．075姗的颗粒所占比例为100％，其中粉土颗粒(0．002～0．075mill)含量约为80％，粘土颗粒(<0．002衄)含量约为2